Une approche duale pour la purification de l'eau basée sur l'énergie solaire

A Dual Approach For Water Purification Based On Solar Energy

• Auteur / Autrice : Lan Gao
• Direction : Tarik Bourouina, Yamin Leprince-Wang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Optronique et Systèmes
• Date : Soutenance le 03/02/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes - Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes
• Jury : Président / Présidente : Rodolphe Vaillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tarik Bourouina, Yamin Leprince-Wang, Daniel Beysens, Elyes Nefzaoui, Xueyong Wei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Beysens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photocatalyse

Vapeur d'eau

Énergie solaire

Eau -- Épuration

Mots clés libres

Purification de l'eau

Production accélérée de vapeur d'eau

Energie solaire

Photocatalyse par nanofils de ZnO

Water purification

Enhanced steam generation

Solar energy

ZnO photocatalysis

Résumé

Dans le contexte de la réduction de la ressource en eau potable à échelle mondiale, un intérêt croissant est porté au développement de technologies efficaces de purification de l'eau. Dans les travaux de cette thèse de doctorat, nous avons exploré le potentiel des micro- et nanotechnologies afin de proposer et évaluer deux méthodes de purification de l'eau, toutes deux entièrement autonomes en énergie et n'utilisant que l'énergie solaire pour leur mise en œuvre. La première méthode consiste en la génération de vapeur d'eau de façon accélérée grâce à la mise en œuvre d'une méta-mousse que nous avons conçus, dont nous avons modélisé et simulé le fonctionnement, puis optimisé pour la rendre la plus efficace en terme de quantité de vapeur générée par unité de temps et par unité de surface. En exploitant le silicium noir nanostructuré et en y rajoutant une micro-structuration bidimensionnelle contrôlée, unesérie de méta-mousses ont été réalisées et évaluées et les résultats ont montré une efficacité de conversion de 89% et une vitesse d'évaporation de 1,34 kg/(h·m2), ce qui représente une performance au-delà de l'état de l'art et proche de la limite théorique. La deuxième méthode est basée sur la photocatalyse. Elle se veut complémentaire de la première car elle permet de purifier les polluants résiduels volatils qui persistent après la mise en œuvre de la première méthode basée sur l'évaporation (et la condensation). Pour répondre aux exigences du traitement de l'eau à grande échelle, il y a deux points importants : L'un est la durabilité incluant la stabilité chimique du matériau photocatalyseur, en particulier dans des conditions extrêmes de pH de l'eau. L'autre est la facilité de synthèse de tels photocatalyseurs avec unenano-structure spécifiques. Sur la base de l'expérience du laboratoire en matière de croissance de nanofils (NWs) de ZnO, connu pour ses excellentes propriétés photocatalytiques, notre principale contribution dans cette thèse a consisté à le rendre plus durable et robuste aux environnements chimiques agressifs. A cet effet, nous avons proposé et évalué une combinaison de ZnO et de TiO 2 , tous deux ayant de hautes performances de dépollution. Cette combinaison a pour objectif de tirer profit des avantages respectifs des deux matériaux: la très bonne robustesse chimique du TiO 2 d'une part et la possibilité de synthétiser du ZnO sous forme de nanofils, donc avec une très grande surface spécifique. Il nous a semblé donc avantageux d'effectuer un revêtement de TiO 2 d'une épaisseur nanométrique sur des nanofils de ZnO (NW) après qu'un réseau homogène de ZnO NW ait été synthétisé. Cet assemblage original du tandem TiO 2 /ZnO nanostructuré a été caractérisé puis nous avons évalué sa durabilité et sa fonctionnalité de purification de l'eau. Notre solution s'est avérée efficace aussi bien dans dessolutions aqueuses fortement acides et fortement basiques. De plus, l'expérience de purification photocatalytique de l'eau des colorants organiques a été démontrée avec succès. Les résultats engrangés dans cette thèse offrent la perspective de valorisation en vue de la réalisation de systèmes de purification d'eau complètement autonomes et à bas coût

In the context of increasing global water scarcity, many efforts have been devoted to developing efficient water purification technologies. In this thesis work, two eco-friendly and promising approaches water purification approaches, surface-enhanced solar steam generation and photocatalysis, are studied to come out with a nano-enabled, fully self-consistent device that operates solely based on sunlight for delivering high-quality water.Surface-enhanced solar steam generation can be applied to purify insoluble and soluble water pollutants. It requires proper active photothermal material surface and optimized porosity to achieve high evaporation efficiency by localizing the heat at the water-air interface during solar steam generation. Herein, Taking the advantage of the characteristics of silicon that can be tailored to the target shape in the nanofabrication process and the high absorptivity of the black silicon, we report a bilayer black absorber sheet consisting of black silicon and commercial foam, being capable of providing superior performance in photothermal conversion, thermal insulation, and water imbibition simultaneously. The porosity of the foam is theoretically optimized by numerical modeling. Subsequent scanning electron microscopy and Fourier-transform infrared spectroscopy characterization and validated experiments revealed that the solar steam generation efficiency was increased to above 88% with the evaporation rate of 1.34 kg/(h·m2) under 1 sun illumination, a pioneering value compared with the state-of-the-art. In addition to insoluble and soluble water pollutants, there are some volatile organic water pollutants that cannot be eliminated by enhanced steam generation. Therefore, the photocatalysis water purification method is also studied, which proved to be effective in degrading organic water pollutants. To meet the requirement of large-scale water treatment, there are two important points: One is the lifetime and chemical stability of the photocatalyst material, especially in complex and harsh aqueous conditions. The other is the ease of synthesis of such photocatalysts with specific nano-morphology. In this thesis work, ZnO and TiO2 these two common photocatalysts are selected due to their high performance in degradation by producing the oxidative free radical after being illuminated by UV light. This involves the combination of both TiO2 and ZnO in a two-step si mple synthesis method. It appears advantageous to exploit the conformal deposition of atomic layer deposition (ALD) to achieve nanometer-thick TiO2 coating on ZnO nanowires (NWs) after a homogeneous ZnO NW array successfully grown using hydrothermal synthesis method with a high aspect ratio, which is firmly anchored to a substrate and exhibit a large specific surface area. After being characterized by energy-dispersive X-ray analysis via high resolution- scanning electron microscopy measurements, the high chemical stability of the ALD TiO2 coating has been investigated in detail and proven to be effective under both strong acid and strong alkaline aqueous solutions. In addition, the photocatalysis for water purification experiments with organic dyes shows that via this simple two-step synthesis method. Finally, it’s proved that the produced ZnO/TiO2 tandem does indeed exhibit improved chemical stability in a harsh environment while allowing efficient photodegradation