Offre de thèse
Conception optimale de la technologie de distillation membranaire, plus efficace énergétiquement et plus durable, pour le dessalement et la valorisation des effluents liquides industriels : approche rigoureuse de modélisation – CFD
Date limite de candidature
31-05-2025
Date de début de contrat
01-10-2025
Directeur de thèse
BELAISSAOUI Bouchra
Encadrement
Directrice de thèse : Bouchra BELAISSAOUI - LRGP - Maitresse de Conférences HDR - bouchra.belaissaoui@univ-lorraine.fr Co-directeur de thèse : Rainier HREIZ - LRGP - Maitre de Conférences - rainier.hreiz@univ-lorraine.fr Le doctorant sera suivi de façon régulière par ces deux encadrant(e)s de thèse et annuellement par un comité de suivi de thèse, indépendant, selon les règles en vigueur. Il sera amené à rédiger des rapports d'avancement. Le doctorant suivra des formations proposées par l'école doctorale.
Type de contrat
école doctorale
équipe
Axe 2 - PRIMO - Procédés Réacteurs IntensificationMembrane Optimisationcontexte
La capacité mondiale de dessalement est en constante augmentation particulièrement ces dernières décennies afin de remédier à la pénurie d'eau dans beaucoup de régions du monde. Les parts de marché mondiales respectives des procédés de dessalement établis sont partagées entre des technologies à forte intensité énergétique, la distillation et l'osmose inverse (RO) qui couvre la majorité du marché, et fonctionne à l'électricité. L'énergie nécessaire provient presque exclusivement de sources d'énergie non renouvelables et entraîne d'importants rejets chimiques dans l'environnement marin, ce qui rend l'approche actuelle du dessalement non durable. La distillation membranaire (DM), une technologie émergente, est considérée comme une approche prometteuse dans lequel la force motrice du transfert de la vapeur à travers la membrane correspond à la différence de pression de vapeur de part et d'autre de celle-ci, résultant de la différence de température et/ou de la réduction de la pression entre le côté alimentation et le côté perméat. La nature hydrophobe de la membrane poreuse permet d'éviter la pénétration de la solution dans les pores de la membrane évitant ainsi son mouillage et la baisse du flux de vapeur transféré, et permet théoriquement uniquement aux vapeurs de passer du côté alimentation au côté perméat, et de retenir la solution et tous les composés non-volatils (comme le sel). De plus, les installations de DM sont compacts comparé à la distillation conventionnelle et nécessite une température opératoire de la solution l'alimentation peu élevée (40-80 °C), lui permettant d'utiliser de l'énergie thermique de faible qualité et/ou de sources d'énergie renouvelables/alternatives et respectueux de l'environnement pour traiter de l'eau à forte salinité avec un encombrement relativement faible. Cependant, le développement commercial de la technologie est freiné dû à différents types de barrières/verrous qui restent encore à lever, notamment le déclin du flux transmembranaire à cause des effets de polarisation de concentration et de température, dû aux pertes de chaleur par conduction à travers la membrane et dans l'espace de vide dans la membrane où le gaz est emprisonné, et de l'accumulation des composés non-volatils retenus en amont de la membrane. Ce qui engendre une consommation élevée d'énergie thermique et ainsi une faible efficacité énergétique. Un autre verrou est le colmatage de la membrane et le mouillage partiel ou total des pores, et qui nécessite un contrôle des conditions opératoires et l'utilisation de membranes résistantes au mouillage et adaptées aux caractéristiques des effluents à traiter.spécialité
Génie des Procédés, des Produits et des Moléculeslaboratoire
LRGP - Laboratoire Réactions et Génie des Procédés
Mots clés
CFD, Distillation membranaire, Contacteur membranaire à fibres creuses, Transfert de chaleur/matière, Hydrodynamique, Modélisation/simulation
Détail de l'offre
Face à la pénurie croissante d'eau, le dessalement devient une solution incontournable. Cependant, les technologies conventionnelles comme l'osmose inverse (RO) ou la distillation thermique, bien que dominantes, sont énergivores et peu durables, car majoritairement alimentées par des énergies non renouvelables et générant des rejets polluants. Dans ce contexte, la distillation membranaire (DM) se positionne comme une alternative prometteuse. Fonctionnant à basse température (40-80°C), elle exploite une membrane hydrophobe pour transférer uniquement la vapeur d'eau, en bloquant sels et composés non volatils, tout en offrant la possibilité d'utiliser des sources d'énergie renouvelables ou de basse qualité. Malgré ses avantages, la DM reste limitée par plusieurs verrous technologiques : baisse du flux transmembranaire liée aux phénomènes de polarisation thermique et de concentration, pertes de chaleur, colmatage et mouillage de la membrane. Ces obstacles freinent son développement industriel et affectent son rendement énergétique.
L'objectif est de développer une approche rigoureuse de modélisation, à la fois en 1D (corrélations de type Nusselt/Sherwood) et par simulation numérique CFD, pour optimiser les performances de la DM selon différents critères : capacité de production, consommation énergétique, efficacité thermique. L'étude visera à relier ces performances aux propriétés des matériaux membranaires (perméabilité, taille des pores, conductivité thermique, résistance au mouillage, etc.), à la géométrie (membrane plate ou à fibres creuses), aux configurations (mono/multi-étagées, mono/multi-passages), aux conditions opératoires (température, pression, débits) et aux modes d'écoulement (parallèle, transverse/radial). Un accent particulier sera mis sur l'étude des modules membranaires à fibres creuses (MMFC), peu explorés dans la littérature mais prometteurs pour leur compacité et leurs meilleurs transferts. Les configurations avec écoulement radial ou transverse seront étudiées pour optimiser la distribution des phases et minimiser les pertes de charge. Les modules multi-étagés seront également analysés pour valoriser la chaleur latente de vaporisation.
Des stratégies de conception innovantes seront proposées, notamment pour limiter la polarisation thermique via des promoteurs de turbulence, réduire les pertes de charge, et améliorer l'efficacité énergétique globale. Le modèle développé sera d'abord appliqué au dessalement de l'eau de mer, puis étendu au traitement et à la valorisation d'effluents industriels.
Keywords
CFD, Membrane distillation, Hollow fiber membrane contactor, Heat and mass transfer, Hydrodynamics, Modeling/simulation
Subject details
With increasing water scarcity, desalination has become essential. However, conventional technologies such as reverse osmosis (RO) and thermal distillation, although dominant, are highly energy-intensive and unsustainable, relying mostly on non-renewable energy sources and generating polluting discharges. In this context, membrane distillation (MD) is emerging as a promising alternative. Operating at low temperatures (40–80 °C), it uses a hydrophobic membrane to transfer only water vapor while retaining salts and non-volatile compounds. This enables the use of low-grade thermal or renewable/alternative energy sources in a compact system. Despite its advantages, MD faces several technical barriers: reduced transmembrane flux due to thermal and concentration polarization, heat losses, membrane fouling, and partial or total pore wetting. These challenges limit its industrial deployment and reduce its energy efficiency. The goal is to develop a rigorous modeling approach—both 1D (using Nusselt/Sherwood correlations) and CFD-based numerical simulations—to optimize MD performance in terms of production capacity, energy consumption, and thermal efficiency. The study aims to relate performance to membrane material properties (permeability, pore size, thermal conductivity, fouling/wetting resistance), geometry (flat vs. hollow fiber), configurations (single/multi-stage, single/multi-pass), operating conditions (temperature, pressure, flow rates), and flow regimes (parallel, transverse/radial).A particular focus will be placed on hollow fiber membrane modules (HFMMs), which are compact and offer higher transfer coefficients, yet remain underexplored in MD literature. Modules with radial or cross-flow configurations will be assessed for their phase distribution and pressure drop characteristics. Multi-stage MD systems will also be studied to recover latent heat and enable heat exchange between process streams. Innovative design strategies will be proposed, such as using turbulence promoters to limit temperature polarization and pressure drops—thus potentially boosting energy efficiency. The modeling approach will first be applied to seawater desalination, and later extended to the treatment and valorization of industrial liquid effluents.
Profil du candidat
Nous recherchons un‧e candidat‧e motivé‧e, ayant une formation solide en génie des procédés ou en mécanique des fluides de niveau ingénieur ou master. Le/la candidat.e. devra présenter idéalement une bonne maîtrise dans plusieurs des domaines suivants : la mécanique des fluides, les phénomènes de transfert, les méthodes numériques, conception de procédés, procédés de séparation. Des connaissances en mécanique des fluides numérique (CFD) seraient un avantage.
Pour toute thèse proposée au sein de l'Ecole Doctorale, le futur doctorant devra bien être titulaire d'un master (diplôme de master/d'ingénieur français ou étranger, …) justifiant d'un parcours remarquable.
Dans tous les cas (diplôme de master ou d'ingénieur français ou étranger, …) le dossier doit comporter :
• le CV du candidat et lettre de motivation
• les notes obtenues au diplôme conférant le grade de master, mention 'Assez Bien' requise au minimum et copie du diplôme s'il est disponible
• des lettres de recommandations émanant du Responsable de la filière de formation et du tuteur de stage de fin d'études
• des éléments tangibles sur l'initiation à la recherche (mémoire de recherche, publication, ...).
Le dossier complet de candidature doit être envoyé à la direction de thèse par les adresses messageries des directeurs de thèses :
bouchra.belaissaoui@univ-lorraine.fr
ET
rainier.hreiz@univ-lorraine.fr
Candidate profile
We are looking for a motivated candidate, with a solid background in process engineering or fluid mechanics at engineer or master's level. The candidate will ideally have a good knowledge of several of the following areas: fluid mechanics, transfer phenomena, numerical methods, process design, separation processes. Knowledge of computational fluid dynamics (CFD) would be an advantage.
All applicants to the Doctoral School SIMPPÉ must have successfully completed a Master degree or its equivalent with a grade comparable to or better than the French grade AB (corresponding roughly to the upper half of a graduating class). In all cases (French or foreign Master degree, engineering degree, etc.) the counsel of the doctoral school will examine the candidate's dossier, which must include:
• CV and letter of motivation
• the grades obtained for the Master (or equivalent) degree and a copy of the diploma if it is available
• 2 letters of recommendation, preferably from the director of the Master program and the supervisor of the candidate's research project
• written material (publications, Master thesis or report, etc.) related to the candidate's research project.
The complete application file must be sent to the thesis supervisors by email :
bouchra.belaissaoui@univ-lorraine.fr
AND
rainier.hreiz@univ-lorraine.fr
Référence biblio
- Ali A. et al., 2024. Progress in module design for membrane distillation, Progress in module design for membrane distillation. Desalination, 581, 117584.
- Alkhudhiri A. et al., 2012. Membrane distillation: A comprehensive review, Desalination, 287, 2-18.
- Hitsov I. et al., 2015. Modelling approaches in membrane distillation: A critical review, Separation and Purification Technology 142 (2015): 48-64