Séparation, oxydation et procédés hybrides pour l’environnement

Sa mission

• le développement de procédés durables basés sur les opérations de séparation membranaire et chromatographique et l’oxydation,
• l’éco-conception des procédés

Mots clés

Procédés membranaires, Procédés Chromatographiques, Procédés d’ozonation, Éco-conception, Analyse environnementale, Eaux, Valorisation de biomolécules

Responsable

– Professeur INSA Toulouse

Effectifs équipe en 2016 : 24

• Enseignants-chercheurs : 8
• Ingénieurs : 2
• Assistants ingénieurs et techniciens : 4
• Post-doctorants et doctorants : 10

Activités principales

1. Développer des connaissances sur les procédés de séparation (membrane, adsorption, chromatographie) et d’oxydation afin d’identifier les phénomènes limitant de transfert. Une attention est portée sur la caractérisation et la compréhension des interactions entre les espèces (mimes de virus, micropolluants émergents, protéines, sels, (nano)particules…) au niveau de l’interface séparative et/ou réactive de séparation grâce à des outils spécifiques expérimentaux ou de modélisation 2. Analyser le fonctionnement de ces procédés dans le cas de fluides complexes (eaux naturelles, effluents, biofluide, urine, jus verts …) dans des filières de réutilisation d’eau et valorisation matière (protéines, phosphates …) dans une démarche de développement durable et de santé publique grâce à des outils spécifiques expérimentaux ou de modélisation 3. Concevoir et optimiser des procédés intégrés et durables basés sur l’hybridation des systèmes (membrane, (bio)réaction, adsorption…) ou le couplage d’opérations unitaires dans le domaine de l’eau et des bioprocédés

1. 4. Réaliser l’analyse environnementale (analyse de cycle de vie) de procédés, développer des outils innovants et adaptatifs dans le domaine de l’optimisation multicritère, l’analyse environnementale et l’éco-conception des procédés.

Domaines d’application et produits cibles

• Production d’eau potable / Dessalement
• Traitement des eaux usées domestiques et industrielles
• Réutilisation d’eau et élimination des micropolluants (résidus médicamenteux, pesticides …) et des virus
• Recyclage des eaux dans l’industrie
• Développement de méthodes pour l’éco-conception des procédés (bioprocédés, production d’eau potable, eaux usées …) – Analyse de cycle de vie (ACV) dynamique

Technologies, techniques, outils spécifiques

• Logiciels d’analyse environnementale et plateformes intégrés de « modélisation – ACV – optimisation multi-objectifs ».
• Pilotes de filtration membranaire et contacteur à membrane, réacteurs d’ozonation et de cristallisation, bioréacteur à membrane, Pilote de chromatographie.
• Analyses chimiques et physico-chimiques dans des milieux complexes.
• Outils de caractérisation des supports de réaction ou de séparation.

Exemples de travaux

Activité 1

• Adaptation de méthodes et outils de caractérisation dynamique et in situ pendant la filtration de la structure des dépôts présents à la surface de la membrane dans le cas de la filtration de fluides complexes (boues activées et eaux de surface). Les données structurales évaluées grâce à cette méthode couplées à des analyses fines des performances de filtration et de la composition chimique des dépôts ont permis de proposer des conditions de fonctionnement facilitant le transfert et faire ainsi de « l’ingénierie des dépôts ».
• Modélisation des isothermes et des cinétiques d’adsorption des protéines en système multicomposants. Application aux protéines de grande taille comme la ferritine.

Activité 2

• Avancées sur le changement d’échelle en vue de la production industrielle d’une protéine végétale par chromatographie.
• Etablissement d’une méthode d’évaluation de la cinétique des processus élémentaires de nucléation et croissance cristalline grâce au couplage entre mesure expérimentale et modélisation du bilan de population des cristaux : application à la précipitation de struvite à partir d’urine pour la valorisation du phosphore.
• Optimisation des procédés membranaires et d’ozonation intervenant dans les filières de traitement après traitement à la source en vue de la valorisation matière et énergie dans ces filières et l’élimination des micropolluants (bioréacteur à membrane pour la filière carbone et ulltrafiltration, nanofiltration/osmose pour la filière urine).

Activité 3

• Avancées sur l’approche intégrée et l’intensification des filières de dessalement d’eau de mer par des procédés membranaires. Le couplage de la distillation membranaire avec l’osmose inverse (OI) permet de réduire d’un facteur 5 les volumes des rejets salins et d’augmenter la production.
• Avancées sur l’approche intégrée et l’intensification des filières de réutilisation des eaux usées par des procédés membranaires. Le couplage des Bioréacteurs à Membrane avec l’osmose inverse (OI) permet de produire de l’eau pour une application eau potable directe ou après réinjection dans les nappes. Des études ont permis de suivre les micropolluants dans ces filières et leurs impacts dans les performances des opérations à membrane.
• Participation au développement d’une plateforme de démonstration de filières de réutilisation d’eaux usées innovante technologiquement pour l’irrigation, en réponse aux demandes d’une collectivité du sud de la France.
• Conception d’une installation autonome de production d’eau potable à partir d’eau de mer en utilisant l’énergie photovoltaïque. Le dessalement est mené par un procédé d’osmose inverse, précédé d’une étape de prétraitement par un couplage adsorption/ultrafiltration.
• Développement d’un procédé d’ozonation catalytique pour l’élimination de polluants organiques persistants dans les eaux résiduaires.

Activité 4

• Réalisation de plateformes de modélisation des procédés intégrées avec l’ACV et optimisation multiobjectifs. Exemple : EVALEAU (« Modélisation procédé – Analyse du cycle de vie » pour les filières conventionnelles de production d’eau potable) est constitué d’une base de modules d’opérations unitaires, intégrée dans un logiciel d’ACV, permettant le calcul prédictif des bilans sur le cycle de vie et les impacts environnementaux.
• Modélisation dynamique -ACV- optimisation multiobjectifs pour l’écoconception des filières innovantes de traitement des eaux usées prenant en compte la séparation à la source d’urine, récupération de nutriments et production d’énergie.

Dans le domaine de l’évaluation environnementale :

• Logiciel de calcul d’Emergie – marque déposée auprès de l’EUIPO (EP), USA et Chine
• Outils de calcul d’ACV dynamique.

Publications et brevets significatifs

• C. Li, C. Cabassud, C. Guigui (2015), Effects of carbamazepine in peak injection on fouling propensity of activated sludge from a MBR treating municipal wastewater, Journal of Membrane Science, Volume 475, 1 February 2015, Pages 122-130
• M. Monnot, S. Laborie, C. Cabassud, 2016, Granular activated carbon filtration plus ultrafiltration as a pretreatment to seawater desalination lines: Impact on water quality and UF fouling, Desalination, 383, 1-11. doi:10.1016/j.desal.2015.12.010
• B. Bisinella de Faria, M. Spérandio, A. Ahmadi, L. Tiruta-Barna, Evaluation of new alternatives in wastewater treatment plants based on Dynamic Modelling and Life Cycle Assessment (DM-LCA), Water Research 84 (2015) 99-111
• L Tiruta-Barna, Y Pigné, T. Navarrete Gutiérrez, E. BenettoFramework and computational tool for the consideration of time dependency in Life Cycle Inventory: proof of concept, Journal of Cleaner Production, 116 (2016) 198-206
• Crousier, Claire; Pic, Jean-Stephane; Albet, Joel; Urban Wastewater Treatment by Catalytic Ozonation
• OZONE-SCIENCE & ENGINEERING Volume: 38 Issue: 1 Pages: 3-13 Published: JAN 2 2016
• P. Loulergue, M. Weckert, B. Reboul, C. Cabassud, W. Uhl, C. Guigui (2014) Mechanisms of action of particles used for fouling mitigation in membrane bioreactors, Water Research, Volume 66, 1 December 2014, Pages 40-52.