Mise en place, évaluation et optimisation de la désionisation capacitive en flux

Set-up and Evaluation of Capacitive Deionization for Desalination Application

• Auteur / Autrice : Gbenro Folaranmi
• Direction : Marc Cretin, Mikhael Bechelany
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 16/07/2021
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques Balard (Montpellier ; 2003-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Randa Khouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Cretin, Mikhael Bechelany, Randa Khouri, Patrick Drogui, Hyacinthe Randriamahazaka, Sara Cavaliere-Jaricot
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Drogui, Hyacinthe Randriamahazaka

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopes électroniques à balayage

Osmose inverse

Eau salée -- Dessalement

Mots clés libres

Dessalement

Fcdi

Iem

Desalination

Fcdi

Iem

Résumé

A purification de l'eau consiste à transformer une eau non potable en une eau suffisamment bonne pour être consommée et utilisée par l'homme. La déionisation capacitive est une nouvelle technique prometteuse de dessalement de l'eau, proche des technologies de dessalement établies telles que l'osmose inverse (RO), etc. Elle fonctionne à basse pression et peut potentiellement utiliser moins d'énergie pour le dessalement de l'eau saumâtre.Dans une cellule CDI typique, l'eau d'alimentation traverse la couche séparatrice entre deux électrodes de carbone chargées électriquement. Cette architecture entraîne d'importantes limitations de performance car les électrodes sont à l'état solide avec une surface de contact exposée et des pores pour l'adsorption limités. De plus, il est impossible d'offrir un mode de fonctionnement continu.Nous décrivons ici une architecture alternative, où l'électrode d'alimentation est à l'état liquide et s'écoule de manière semi-continue sur des canaux sculptés. En utilisant cette technique, nous montrons que la déionisation capacitive à flux permet de réduire de manière significative le temps de dessalement et peut dessaler une solution d'alimentation plus élevée. Nous démontrons ces avantages en utilisant du charbon actif en poudre du commerce et du charbon actif superficiel comme matériaux d'électrode. Le charbon superficiel à une charge de carbone modérée rivalise avec les performances du charbon actif en poudre en raison de sa taille de particule réduite. En outre, les propriétés physico-chimiques et électrochimiques des électrodes solides et fluides (électrodes vierges et modifiées) ont été caractérisées par des mesures d'adsorption d'azote à basse température, le microscope électronique à balayage (MEB), la diffraction des rayons X (DRX), la spectroscopie Raman, la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), l'infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR), la voltampérométrie cyclique (CV) et la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE).Nous présentons également une stratégie de réduction de la polarisation de concentration des électrodes à base de carbone par l'utilisation de nanofibres synthétisées par la méthode d'électrofilage et, en conséquence, une amélioration notable a été apportée par des approches expérimentales par spectroscopie d'impédance électrochimique et des études de voltampérométrie cyclique des électrodes de carbone nanocomposites hybrides. En outre, nous démontrons que nos approches sont prometteuses pour l'optimisation des électrodes CDI/FCDI et pour la résolution de certains problèmes inhérents aux électrodes à base de carbone.

Water purification is the rendering of non-potable water into water good enough for human consumption and use. Capacitive deionization is a promising emerging water desalination technique; a close relative to the established desalination technology such as reverses osmosis (RO) etc. It operates at low pressure and can potentially utilize less energy for brackish water desalination.In a typical CDI cell, the feed water flows through the separator layer between two electrically charged carbon electrodes. This architecture results in significant performance limitations as electrodes are in solid state with limited exposed surface area of contact and pores for adsorption. Also, there is an inability to afford continuous mode of operation.Here, we describe an alternative architecture, where the feed electrode is in liquid state and flows semi-continuously on carved channels. Using this technique, we show that flow capacitive deionization enables significant reductions in desalination time and can desalinate higher feed solution. We show these benefits using commercially made powdered activated carbon and superfine activated carbon as electrode materials. The superfine carbon at a moderate carbon loading rival the performance of powdered activated carbon due to its reduced particle size. Furthermore, the physico-chemical and electrochemical properties of the solid and flow electrodes (pristine and modified electrodes) were characterized by low-temperature nitrogen adsorption measurement, scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Fourier transform infra-red (FT-IR), cyclic voltammetry (CV), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).We also present a strategy in reduction of concentration polarization of carbon based electrodes by utilization of electrospun nanofibers synthesized via electrospinning method and as a result, a notable improvement was made through experimental approaches by electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry studies of the hybrid nanocomposites carbon electrodes. In furtherance, we demonstrate that our approaches are promising towards optimizing CDI/FCDI electrodes and in resolving some inherent challenges of carbon based electrodes.