Une approche nanofluidique de la conversion d’´energie et du dessalement

Nanofluidic insight into energy harvesting and desalination

• Auteur / Autrice : Catherine Sempere
• Direction : Lydéric Bocquet, Alessandro Siria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/10/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Thierry Biben
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Noël
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Restagno, Benoît Coasne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofluides

Conversion énergétique

Écoulement en milieux poreux

Eau salée -- Dessalement

Mots clés libres

Nanofluidique

Effets d’entrée

Réseaux de pores

Transport ionique et fluidique

Phénomènes de transport couplés

Énergie osmotique

Conversion d’énergie

Dessalement

Nanofluidics

Entrance effects

Pore arrays

Ionic and fluidic transport

Cross-coupling transport phenomena

Osmotic energy

Energy conversion

Desalination

Résumé

La première partie de cette thèse constitue une introduction aux différentes méthodes de conversion d'énergie et de dessalement qui seront évoquées dans cet ouvrage. Dans une deuxième partie, nous montrons que la conductance ionique d'un réseau de nanopores est sous-additive avec le nombre de pores. La contribution individuelle de chaque pore à la conductance globale tend vers une valeur nulle, pour un réseau suffisamment grand. On note que seuls des rapports de longueurs interviennent, et que le choix d'une échelle nanométrique n'a pas d'influence dans l'effet observé. Ensuite, dans une troisième partie, nous mesurons la perméabilité d'un réseau de pores à une échelle macroscopique. Là aussi, l'influence du réseau ne dépend pas de l'échelle du système. La perméabilité évolue en sens inverse de la conductance : elle est augmentée par la présence de pores voisins, mais dans une faible proportion. La quatrième partie se sert des résultats des deux parties précédentes, dans le but de déterminer une loi d'échelle pour la puissance électrique produite par courant d'écoulement et diffusio-osmose, deux méthodes de conversion d'énergie osmotique. On montre que les effets d'entrée ont un effet délétère sur cette conversion ; ils nécessitent des études plus approfondies. La dernière partie est un travail numérique sur un nouveau procédé de dessalement par osmose via une phase gaz, piégée dans des nanotubes hydrophobes. Son intérêt principal est l'utilisation de nanotubes plus gros que les pores des matériaux actuellement utilisés, donc moins susceptibles de s'encrasser. Par dynamique moléculaire, nous étudions la perméabilité et la sélectivité du dispositif

The first part of this thesis is an introduction to the different energy conversion and desalination methods that will be invoked in this work. In a second part, we show that the ionic conductance of a nanopore array is sub-additive with the number of pores. Individal contributions of each pore to the global conductance tend to a null value, if the network is big enough. We note that this phenomenon only involves length ratios, and that working at a nanometric scale does not have any influence. Then, in a third part, we measure the permeability of a pore array at a macroscopic scale. There too, the effect of the array does not depend on the scale of the system. Permeability evolves inversely to conductance: permeability is enhanced by the presence of neighboring pores, but in a smaller proportion than the ionic conductance falls under the same cause. The fourth part uses the results of the two preceding ones, to determine a scaling law for the electric power produced by streaming current and diffusio-osmosis, two methods of osmotic energy conversion. We show that entrance effects have a negative impact on such conversion, more efforts are needed to understand them better and circumvent them. The fifth and last part of this thesis is a numerical work on a new desalination device. It relies on osmosis through a gas phase which is trapped within a hydrophobic nanotube. Its main interest is to use nanotubes bigger than the pores of currently used materials, thus less prone to fouling. We use molecular dynamics methods to study the permeability and selectivity of this device