Study of a « zero discharge » process applied to the treatment of wastewater containing heavy metals and radionuclides by coupling nanofiltration and a controlled electrical elution
Etude d’un procédé de type « rejet zéro » appliqué aux effluents chargés en métaux lourds et radionucléides par couplage nanofiltration et électro-élution contrôlée
Résumé
This thesis aim is to study a process designed to remove nickel and cobalt cations present in low concentrations from the wastewater of a nuclear fuel reprocessing facility. The proposed process combines nanofiltration and a sorption step in which the adsorbent (carbon felts) is a conductive material that may be electrically regenerated. Each step of the process is studied separately and its association is evaluated.
Nanofiltration step is studied by an approach integrating experiments to numerical simulation. A simple experiment-based method was developed to supply the simulation software database, improving its predictive capacities. Three commercial nanofiltration membranes were compared in terms of a continuous or batch recycling operation mode. This has allowed the most suited membrane for the process to be chosen. Permeate produced by nanofiltration was used to study the sorption step. After a physical characterization of the carbon felts, its application was studied in two different stages. The first was a closed batch operation mode which allowed characterization of the sorption kinetics and obtaining equilibrium isotherms. The second was a fixed bed operating mode in which adsorbent breakthrough curves were studied. The influence of the operating conditions and the composition of the wastewater in the output result were analyzed. The carbon felts regeneration was investigated by both acid and electric regeneration. A process scheme using acid regeneration was proposed. The electrical one still required further study.
L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier un procédé pour l’élimination du nickel et du cobalt présents à faibles teneurs dans un effluent final issu d’une usine de retraitement du combustible nucléaire. Ce procédé associe la nanofiltration à une étape de sorption sur un matériau conducteur (feutre de carbone) capable d’être régénéré par voie électrique. Chaque étape est étudiée séparément et le couplage des techniques est évalué.
L’étape de nanofiltration est étudiée par l’intégration des essais expérimentaux à la simulation numérique. Une démarche expérimentale simple a été mise en place pour alimenter la base de données du logiciel et améliorer ces capacités prédictives. Trois membranes de nanofiltration commerciales ont été comparées en mode de filtration continue ou recirculation batch, permettant ainsi le choix de la membrane la plus adaptée au procédé. Le perméat moyen issu de l’étape de nanofiltration est utilisé pour l’étude de la sorption sur les feutres. Après caractérisation physique des feutres, l’étude a été conduite en deux étapes. La première, en recirculation batch, a permis de caractériser la cinétique de sorption et les isothermes à l’équilibre. Ensuite, la sorption en circuit ouvert sur colonne est étudiée par des courbes de percée. L’influence des conditions opératoires et de la composition de l’effluent est analysée. La régénération des feutres de carbone est étudiée par voie acide et électrique. Le schéma de procédé proposé utilise la régénération acide, la voie électrique nécessitant des études complémentaires.
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