Étude de l'équilibre et du transport de solutions électrolytiques confinées

Study of the equilibrium and the transport of electrolytic solutions in confinement

• Auteur / Autrice : Dandara Velasco Anez
• Direction : Benjamin Cross, Élise Lorenceau, Elisabeth Charlaix, Romain Lhermerout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 10/07/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique (Grenoble, Isère, France ; 1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Hugues Bodiguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Charlaix, Marie-Caroline Jullien
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Carlos Drummond, Christophe Ybert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de masse

Électrolytes

Mots clés libres

Confinement

Electrolytes

Transport

Confinement

Transportation

Electrolytes

Résumé

L'énergie bleue est le terme donné à l'énergie générée par la différence de salinité entre deux masses d'eau. Un processus osmotique permet de convertir cette énergie en électricité, à partir du flux d'ions à travers les membranes, comme dans les processus de collecte d'énergie PRO ou RED. On estime que l'énergie produite par l'Energie Bleue dans le monde équivaut à 1000 centrales nucléaires. Cependant, la densité de puissance des technologies actuelles est trop faible pour que le processus soit rentable et techniquement viable.D'un point de vue physique, cette question s'inscrit dans le thème général de la conversion de l'énergie dans la nanofluidique. Ces conversions sont basées sur le couplage entre l'hydrodynamique, l'électrocinétique et le transport d'espèces ioniques. Ces couplages dépendent évidemment des propriétés des fluides confinés, mais aussi des caractéristiques d'équilibre des systèmes telles que la charge de surface. A notre connaissance, il n'existe pas d'expérience permettant de mesurer simultanément les propriétés de transport et des propriétés d'équilibre d'un système nanofluidique.Dans ce manuscrit, le développement instrumental d'un Appareil à Force de Surface dynamique est présenté. Cette machine et son environnement ont été adaptés pour étudier des solutions d'électrolytes confinées sur quatre ordres de grandeur (1 um to 1 A), avec un contrôle environnemental strict. Les expériences ont été réalisées sur des solutions aqueuses de NaCl, confinées entre des surfaces de verre Borosilicaté ou revêtues de Nitrure de Bore. Nous avons montré l'existence d'une surdissipation induite par les ions des électrolytes par rapport à un comportement newtonien classique. Des résultats préliminaires sur l'influence de la concentration ionique et ceux de la charge de surface sur la surdissipation de l'électrolyte sont présentés.

Blue Energy is the term given to the energy generated by the salinity difference between two bodies of water. An osmotic process allows the conversion of this energy into electricity, from the ion flow throughmembranes like in PRO or RED energy harvesting processes. The estimated power to be produced from Blue Energy in the world is equivalent to 1000 nuclear plants. However, the power density of current technologies is too low to make the process cost-effective and technically viable.From a physical point of view, this issue falls within the general theme of energy conversion in nanofluidics. These conversions are based on the coupling between hydrodynamics, electrokinetics and the transport of ionic species. These couplings obviously depend on the properties of theconfined fluids but also on the equilibrium characteristics of thesystems such as the surface charge. To our knowledge, there is noexperiment allowing simultaneous measurements of the transport andequilibrium properties of a nanofluidic system.In this manuscript, the instrumental development of a dynamic Force Surface Apparatus is presented. This machine and its surrounding have been adapted to study electrolyte solutions confined throughout four orders of magnitude (1 um to 1 A), with a strict environmental control. Experiments were performed on NaCl aqueous solutions, confined between Borosilicate glass or Boron Nitride coated glass surfaces. We have shown the existence of an over-dissipation induced by ions from electrolytes compared to a classical Newtonian behavior. Preliminary results on the influence of the ionic concentration and surface charge on electrolyte over-dissipation are presented.