Université Hassan II de Casablanca Thèse de Doctorat Présentée par

261 Pages·2017·11.36 MB·French

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2017

Université Hassan II de Casablanca

Thèse de Doctorat

Présentée par :

ALLAM Khadija

Discipline :

Chimie

Spécialité :

Physico-chimie des Matériaux

Sujet de la thèse :

Distillation Membranaire des Eaux Saumâtres par Energie Solaire

Thermique

Thèse présentée et soutenue à la faculté des sciences Ben M’sik

Le Samedi 06-01-2018 devant le jury composé de :

Pr. Hassan HANNACHE Faculté des Science Ben M’sik (Casablanca) Président
Pr. Mohamed AZROUR Faculté des Sciences et Techniques (Errachidia) Rapporteur
Pr. Mohamed EL OMARI Faculté des Science (Meknès) Rapporteur

Pr. Mohammed EZZINE Faculté des Science Ben M’sik (Casablanca) Rapporteur

Pr. Abdelrhani IDRISSI ADIB Faculté des Science Ben M’sik (Casablanca) Examinateur
Mr. Rachid EL MRABET Directeur des Appels à projets et de l’Innovation Invité

à IRESEN (Rabat)

Mme. Bouchra BELHORMA Chef de Service au CNESTEN (Rabat) Invitée
Pr. Lahcen BIH Faculté des Science (Meknès) Co-Directeur de
thèse

Pr. Abdeslam EL BOUARI Faculté des Science Ben M’sik (Casablanca) Directeur de thèse

Etablissement : Faculté des Sciences Ben M’sik.
CEDoc : Sciences et Applications.

Nom du laboratoire : Laboratoire de Physico-chimie des Matériaux Appliqués.

N° d’ordre
Remerciements
Ce mémoire de thèse est le fruit de collaboration entre l’Université Hassan II de
Casablanca, Faculté des Sciences Ben M’sik, l’Université Moulay Ismail Meknès, le Centre
National de l’Energie, des Sciences et Techniques Nucléaires (CNESTEN), la Plateforme
Solaire d’Almeria (PSA) Espagne, les entreprises LSA-Industrie, et Tube et Profile Maroc et
l’Institut de Recherche en Energie Solaire et Energie Nouvelles (IRESEN).
C’est à Mr. El BOUARI ABDESLAM, Professeur à la Faculté des Sciences Ben M’ sik,
mon directeur de thèse, que je souhaite présenter l’expression de ma profonde gratitude pour
m’avoir encadré et guidé durant mon stage de Master et ma Thèse. Je le remercie infiniment
pour son aide et sa patience. Son enthousiasme indéfectible, ses encouragements, ses
compétences et sa très grande disponibilité m’ont permis d’effectuer cette étude dans les
meilleures conditions possibles.
Mes plus vifs remerciements s’adressent à Mme. BELHORMA BOUCHRA, Chef d’Unité
science de la matière au CNESTEN. Qui a Pleinement assumée son rôle, en faisant preuve de
patience, de soutien et de compréhension qui ont permis l’aboutissement de ce travail.
Des mercis généreux à Mr. BIH LAHCEN, Professeur à la Faculté des Sciences Meknès.
J’ai apprécié la souplesse qu’il m’a accordée pour la conduite de mes travaux de recherches.
Je le remercie pour sa disponibilité exemplaire et pour les discussions et conseils
constructives.
Je tiens à exprimer ma très vive gratitude à Monsieur HANNACHE Hassan, Professeur à
la Faculté des Sciences Ben M’sik pour l’honneur qu’il me fait en acceptant, avec amabilité,
de présider le jury de soutenance de ma thèse.
J’exprime ma vive reconnaissance à Monsieur EZZINE Mohammed, professeur à la
Faculté des Sciences Ben M’sik, à Monsieur EL OMARI Mohamed, professeur à la Faculté
des Sciences de Meknès et à Monsieur AZROUR Mohamed, professeur à la Faculté des
Sciences et Techniques d’Errachidia pour m’avoir honoré de leur présence en acceptant d’être
rapporteurs de ce travail et de le juger.
~ 1 ~
Je remercie respectueusement Monsieur IDRISSI ADIB Abdelrhani, professeur à la
Faculté des Sciences Ben M’sik, pour avoir accepté d’être membre du jury en tant que
examinateur.
Je remercie vivement Monsieur EL MRABET Rachid, Directeur des Appels à Projets et de
l’Innovation à l’Institut de Recherche en Energie Solaire et Energie Nouvelles (IRESEN),
pour l’honneur qu’il m’a fait et l’intérêt qu’il a manifesté en acceptant de participer au jury de
cette thèse.
Par ailleurs, j’aimerais remercier toute l’équipe d’IRESEN pour leur accueil, leur soutien,
leur implication, leur enthousiasme, pour nous avoir fourni toute la documentation dont nous
avions besoin pour le bon déroulement de nos travaux et pour la confiance qu’ils nous ont
accordés dès notre arrivée à plateforme Green Enregy parck à Benguerir, plus
particulièrement à Monsieur GHENNIOUI Abdellatif.
Je tiens à remercier Mr. CHERAI NAJIB, Directeur de l’entreprise LSA-Industrie, pour
ces conseils, sa disponibilité et pour m’avoir fait profiter de ces connaissances, ainsi que toute
l’équipe de LSA-Industrie, plus particulièrement Miloud et Youssef.
Je souhaite aussi exprimer ma gratitude envers l’Institut de Recherche en Energie Solaire
et Energie Nouvelles (IRESEN) qui a bien voulu m’accorder la bourse d’excellence durant la
préparation de ma thèse.
Un grand merci à ma famille pour leurs encouragements, leur aide et leur formidable
soutien pour tous mes projets professionnels. Les moments que nous passons ensemble me
sont très chers et nos échanges ont fortement participé à ma motivation pendant mes études.
En souvenir des moments merveilleux que nous avons passés et aux liens solides qui nous
unissent, Je remercie ma chère copine GOURAI Khadija, pour son soutien, son
encouragement et son aide. Avec toute mon affection et estime, je te souhaite beaucoup de
réussite et de bonheur, autant dans ta vie professionnelle que privée. Je prie Dieu pour que
notre amitié et fraternité soient éternelles.
Une pensée reconnaissante pour tous les doctorants de la FSBM.

~ 2 ~
AVANT-PROPOS
L
e travail de cette thèse s’articule autour de la distillation membranaire sous vide de
l’eau saumâtre en utilisant l’énergie solaire thermique. Il rentre dans le cadre du
projet AquaSolar-Maroc financé par l’Institut de Recherche en Energie Solaire et
Energies Nouvelles (IRESEN). Ce projet rassemble cinq partenaires académiques et
industriels, dont l’Université Hassan II de Casablanca (Faculté des sciences Ben M’sik),
l’Université Moulay Ismail Meknès, le Centre National de l’Energie, des Sciences et
Techniques Nucléaires (CNESTEN), la Plateforme Solaire d’Almeria (PSA) en Espagne et les
entreprises marocaines LSA-Industrie, et Tube et Profile. L’objectif général étant de
développer des solutions qui répondront aux besoins en eau douce dans certaines régions où
les eaux saumâtres sont abondantes et ce en s’appuyant sur des techniques d’optimisation du
rendement, de préservation d’environnement et de minimisation des coûts financières.

Localisation du projet AquaSolar-Maroc

~ 3 ~
Plan Architectural du projet AquaSolar-Maroc

~ 4 ~
RESUME
Le dessalement a été adopté au cours des dernières décennies comme une option, et parfois
comme une nécessité pour surmonter les pénuries d'eau dans de nombreuses régions du
monde. Aujourd'hui, plusieurs technologies de traitement thermique et physique sont bien
établies pour la production de l’eau douce à grande et à petite échelle à partir des eaux salines.
La distillation membranaire est un procédé thermique relativement nouveau qui est bien
adapté au dessalement de l'eau et au traitement de l'eau pour des applications industrielles. La
distillation membranaire sous vide (DMV) est une technique prometteuse en raison de sa
simplicité, sa possibilité de produire de l’eau de haute qualité, sa faible tendance au
colmatage, et sa faible dépendance de la qualité de l’eau à l’entrée ; elle peut fonctionner à
des températures relativement basses, et peut également être couplée avec l’énergie solaire
thermique dans le but d’économiser l’énergie.
L'objectif général de cette thèse est de contribuer à la compréhension technique et
expérimentale de la distillation membranaire sous vide en tant que technologie nouvelle dans
le traitement de l'eau. Les résultats obtenus ont montré l’efficacité de la DMV pour le
traitement des rejets issus du processus d’osmose inverse avec un taux de conversion qui
dépasse 90 %, et un volume de rejet final fortement réduit.
La distillation membranaire sous vide alimentée par des panneaux solaires thermiques a
permis de fournir les températures souhaitées afin d’assurer un bon fonctionnement de la
DMV.
Concernant l’application du processus d’adsorption sur des adsorbants synthétiques et
naturels pour la rétention des polluants (bleu de méthylène), les résultats obtenus ont montré
un grand pouvoir adsorbant vis-à-vis du colorant cationique étudié.
Mots clés : Distillation membranaire sous vide, dessalement des eaux saumâtres, énergie
solaire, capteurs solaires thermiques plans, rejets d’osmose inverse, adsorption.

~ 5 ~
ABSTRACT
Desalination has been adopted in recent decades as an option, and sometimes as a necessity
to overcome water shortages in many parts of the world. Today, several thermal and physical
treatment technologies are well established for the production of large and small-scale
freshwater from saline water. Membrane distillation is a relatively new thermal process that is
well suited to water desalination or water treatment in industrial applications. In particular,
vacuum membrane distillation (VMD) is a promising technique because of its simplicity in its
ability to produce high-quality water, its low tendency to fouling, and its low dependence on
the quality of water treated. It can operate at relatively low temperatures, and can also be
coupled with solar thermal energy.
The general objective of this thesis is to contribute to the technical and experimental
understanding of vacuum membrane distillation as a new technology in the treatment of
water. The results obtained showed the effectiveness of VMD for the treatment of reverse
osmosis process rejects with a conversion rate that exceeds 90%, and the volume of rejection
marked a considerable reduction.
The vacuum membrane distillation powered by solar thermal panels provided the desired
temperatures to ensure proper operation of the VMD.
With regard to the application of the adsorption process on synthetic and natural
adsorbents for the retention of pollutants (methylene blue), the results obtained showed a
great adsorbent power towards the cationic dye studied.
Keywords: Vacuum membrane distillation, desalination of brackish water, solar energy, flat
solar thermal collectors, reverse osmosis rejects, adsorption.

~ 6 ~
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS………………………………………………………………… 1
AVANT-PROPOS.......................................................................................................... 3
RESUME………………………………………………………………………………. 5
INTRODUCTION GENERALE…………………………………………………… 16

Partie I : Synthèse Bibliographique
I. La Filière de dessalement…………………………………………… 21
I.1 Introduction…………………………………………………………… 21
I.2 Généralité sur le dessalement………………………………………… 21
I.2.1 Différentes eaux salines……………………………………………… 21
I.2.2 Notion de salinité……………………………………………………... 22
I.2.3 Principe de dessalement………………………………………………. 22
I.3 Les différents procédés de dessalement………………………………. 23
I.3.1 les procèdes thermiques………………………………………………. 24
I.3.1.1 Distillation à multiples effets………………………………………………. 24
I.3.1.2 Distillation par détentes successives (Multistage Flash, MSF)……….. 24
I.3.1.3 Distillation par compression de vapeur…………………………………... 25
I.3.2 les procèdes membranaires…………………………………………… 25
I.3.2.1 L’électrodialyse……………………………………………………………… 25
I.3.2.2 L’osmose inverse…………………………………………………………….. 26
I.3.2.3 Nanofiltration………………………………………………………………… 27
II Le dessalement dans le monde et au Maroc……………………….. 28
II.1 Introduction…………………………………………………………… 28
II.2 Situation de dessalement dans le monde……………………………… 29
II.2.1 Historique de dessalement……………………………………………. 29
II.2.2 Capacité de dessalement installée à l’échelle mondiale……………… 30
II.2.2.1 Capacité globale par type de source d'eau…………………………………. 30
II.2.2.2 Capacité globale par les processus de dessalement ……………………….. 31
II.2.2.3 Capacité globale par type d'utilisation……………………………………… 31
II.2.3 Capacités de dessalement installé par région…………………………. 31
II.2.3.1 le Moyen-Orient et Afrique du Nord (MENA)………………………………. 32
II.2.3.2 Le Golfe……………………………………………………………………… 32
II.2.3.3 La Mer Rouge……………………………………………………………….. 33
II.2.3.4 La Mer Méditerranée……………………………………………………….. 33
II.2.3.5 Le Maghreb…………………………………………………………………. 35
II.2.3.6 Autres régions maritimes…………………………………………………… 35
II.3 Le Dessalement au Maroc……………………………………………. 37
II.3.1 Introduction…………………………………………………………... 37
II.3.2 Expériences du Maroc en matière de dessalement…………………… 39
III Sources d’énergie renouvelable pour le dessalement……………… 40
III.1 Introduction…………………………………………………………… 40
~ 7 ~
III.2 Source d’énergie pour le dessalement………………………………… 41
III.2.1 Energie solaire………………………………………………………… 41
III.2.2 Energie éolienne………………………………………………………. 41
III.2.3 Energie géothermique………………………………………………… 42
III.3 Potentiel en énergies renouvelables au Maroc………………………... 42
III.3.1 Energie solaire………………………………………………………… 43
III.3.2 Energie éolienne………………………………………………………. 44
III.3.3 La géothermie ………………………………………………………... 47
IV. La technologie d'adsorption dans le traitement de l'eau………….. 47
IV.1 Introduction…………………………………………………………… 47
IV.2 Généralités sur le phénomène d’adsorption…………………………... 48
IV.2.1 Adsorption physique (ou physisorption)……………………………… 48
IV.2.2 Adsorption chimique (ou chimisorption)……………………………... 48
IV.3 Description du mécanisme et la cinétique d'adsorption……………… 48
IV.3.1 Isothermes d’adsorption……………………………………………… 49
IV.3.2 Classification des isothermes d'adsorption…………………………… 50
IV.4 Modélisation des isothermes d'adsorption……………………………. 51
IV.4.1 Isotherme de Langmuir……………………………………………….. 51
IV.4.2 Isotherme de Freundlich………………………………………………. 53
IV.5 Modélisation de la cinétique d’adsorption……………………………. 53
IV.5.1 Modèle du pseudo-premier ordre……………………………………... 54
IV.5.2 Modèle du pseudo-second ordre……………………………………… 54
IV.6 Les Adsorbants……………………………………………………….. 55
IV.6.1 Introduction…………………………………………………………… 55
IV.6.2 Hydroxyapatite………………………………………………………… 55
IV.6.2.1 Généralités…………………………………………………………….. 5 5
IV.6.2.2 Composition et structure des hydroxyapatites………………………… 56
IV.6.2.3 Propriétés d’adsorption des hydroxyapatites…………………………. 57
IV.6 .3 Les Argiles…………………………………………………………….. 58
IV.6.3.1 Structures et classification des minéraux argileux…………………… 58
1V.6.3.2 Propriétés d’adsorption des minéraux argileux……………………… 61
V Référence……………………………………………………………. 64
Partie II : Matériels et Méthodes
I. Le Projet AquaSolar-Maroc………………………………………... 74
II. Description du pilote de la distillation membranaire……………... 75
II.1 Les capteurs solaires thermiques……………………………………… 75
II.2 Pompe ou circulateur…………………………………………………. 76
II.3 Système de régulation………………………………………………… 76
II.4 Réservoir d’alimentation……………………………………………… 77
II.5 Réservoir d’eau distillée …………………………………………….. 77
II.6 Réservoir des rejets ………………………………………………….. 77
II.7 Le ballon solaire………………………………………………………. 77
~ 8 ~
II.8 Unité de la distillation membranaire sous vide (DMV)………………. 78
II.9 Les conditions opératoires……………………………………………. 79
II.10 Les modules membranaires…………………………………………… 80
III Les concentras (rejets) d’osmose inverse………………………….. 80
III.1 La configuration expérimentale du pilote d’osmose inverse…………. 80
III.2 La prise d’eau saumâtre………………………………………………. 81
III.3 Les conditions opératoires……………………………………………. 81
IV Couplage de la distillation membranaire sous vide avec l’unité de 82
l’osmose inverse………………………………………………………
V Les méthodes d’analyses des eaux………………………………….. 82
V.1 Paramètres physico-chimiques………………………………………... 82
V.1.1 Conductivité / solides totaux dissous (TDS)…………………………. 82
V.1.2 Mesure de pH-mètre………………………………………………….. 83
V.1.3 La demande chimique en oxygène (DCO)…………………………… 83
V.1.4 Analyse par la Spectroscopie de Masse avec Plasma Couplé par 84
Induction (ICP-MS)…………………………………………………...
V.1.5 Analyse par Chromatographie Ionique (IC)………………………….. 84
V.2 Paramètres bactériologiques………………………………………….. 84
V.2.1 Echantillon ………………………………………………………….. 84
V.2.2 Milieu de culture ……………………………………………………... 84
V.2.3 Mode opératoire ……………………………………………………… 84
V.2.4 Incubation ……………………………………………………………. 85
VI Matériaux adsorbants.......................................................................... 85
VI.1 Méthodes de caractérisation…………………………………………... 85
VI.1.1 Diffraction des Rayons X (DRX)…………………………………….. 85
VI.1.2 Spectroscopie Infrarouge (IR)………………………………………… 85
VI.1.3 Spectrophotomètre UV-Visible……………………………………….. 86
VI.1.4 Micro-onde……………………………………………………………. 86
Partie III : Analyse Météorologique de la Zone d’Etude, Dimensionnement
et Bilans Energétiques de l’Installation Solaire
I. Analyse météorologique de la zone d’étude……………………….. 88
I.1 Gisement solaire……………………………………………………… 88
I.2 Sphère céleste………………………………………………………… 88
I.3 Mouvements de la terre………………………………………………. 88
I.4 Coordonnées célestes………………………………………………… 89
I.4.1 Les coordonnées géographiques terrestres (Φ, L)…………………… 89
I.4.2 Les coordonnées horaires…………………………………………….. 90
I.4.3 Les coordonnées horizontales (h, a)………………………………….. 90
I.5 Les temps solaire…………………………………………………… 91
I.5.1 Le temps solaire vrai (TSV)………………………………………….. 91
I.5.2 Le temps solaire moyen (TSM)……………………………………… 91
I.5.3 Le temps universel (TU)……………………………………………… 92
~ 9 ~