Elaboration et mise en forme d’hydrogels composites conducteurs pour la déionisation capacitive sous écoulement (FCDI)

Development and shaping of conductive composite hydrogels for flow capacitive deionization (FCDI)

• Auteur / Autrice : Matin Mirbaha
• Direction : Nicolas Brémond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Physique
• Date : Soutenance le 11/03/2024
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie, Biologie, Innovation (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Brémond, Valérie Ravaine, Pierrette Guichardon, Philippe Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Ravaine, Pierrette Guichardon
• DOI : 10.70675/d3acb6a8z6101z43efz9750z3ac335bbab57

Mots clés

Mots clés libres

Désalinisation

Hydrogels conducteurs

Déionisation capacitive

Microfluidique

Encapsulation

Desalination

Conductive hydrogels

Capacitive Deionization

Microfluidic

Encapsulation

Résumé

La déionisation capacitive sous écoulement (FCDI) est une technologie de dessalement de l’eau qui repose sur l'adsorption d'ions sur des électrodes fluides, généralement constituées de matériaux poreux à base de carbone, qui permettent de renouveler en permanence la surface des électrodes. Une des principales limitations est le colmatage de la cellule d’écoulement dû à la friction entre les particules solides conductrices. Nous émettons l'hypothèse que ce problème peut être résolu en encapsulant les particules dans une matrice polymère.Ce projet vise ainsi à mélanger des matériaux à base de carbone dans un réseau d'hydrogel réticulé chimiquement, sous forme de billes sub-millimétriques, afin d'obtenir le matériau granulaire fonctionnel recherché. Pour ce faire, une formulation des nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTs) dispersés dans une phase aqueuse à l'aide de tensioactifs et en présence de monomères a été optimisée. Le gonflement, la conductivité électrique et les propriétés mécaniques des hydrogels composites ont d'abord été étudiés en synthétisant des échantillons en forme de cylindres et de disques, puis en les utilisant comme électrodes statiques pour imiter l'adsorption d’ions de ces hydrogels composites dans des systèmes CDI. De plus, l’efficacité de l’adsorption est améliorée par la co-encapsulation de particules poreuses à base de carbone.Par la suite, plusieurs méthodes ont été utilisées pour façonner ces hydrogels composites sous forme de billes submillimétriques par polymérisation en suspension dans une émulsion. Des difficultés ont été rencontrées pour certaines méthodes en raison de la présence de divers composants tels que des tensioactifs, des monomères ou des particules hydrophobes, affectant la stabilité des émulsions, des suspensions ainsi que le processus de polymérisation. Une première méthode couplant les étapes d’atomisation, d’émulsification et de polymérisation a été développée pour produire des billes de gel pur à haut débit mais n’a pas permis d’encapsuler les MWCNTs. Finalement, une méthode a été élaborée pour limiter ces interactions, et des billes submillimétriques ont finalement été synthétisées. Bien que le procédé soit prometteur, la composition ainsi que le réacteur à flux restent à être optimisés.

Flow capacitive deionization (FCDI) is an emerging water desalination technology that relies on the adsorption of ions on fluid electrodes, generally made of porous carbon-based materials, which make it possible to permanently renew the surface of the electrodes. One of the main limitations is clogging of the flow cell due to friction between conductive solid particles. We hypothesize that this problem can be solved by encapsulating conductive particles in a polymeric matrix.This project thus aims at mixing carbon-based materials within a chemically crosslinked hydrogel network shaped as sub-millimetric beads to provide deformable conductive granular material in which ions can diffuse. To do so, multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) were initially dispersed in the aqueous phase with the help of surfactants and later proper formulation was developed to disperse these conductive particles within monomers and crosslinkers solution to form a composite polymeric network. The swelling, the mechanical properties and the electrical conductivity of these composite hydrogels were initially studied by synthesizing bulk samples, and later, used as static electrodes to mimic the salt adsorption in a CDI system. Also, adsorption efficiency is shown to be enhanced by the co-encapsulation of porous carbon-based particles.Later, several methods were investigated to shape these composite hydrogels as sub-millimetric beads by suspension polymerization with an inverse emulsion. Some methods faced limitations and challenges because of the presence of various components like surfactants, monomers or hydrophobic particles, affecting the stability of the emulsions, the suspensions as well as the polymerization process. A first method that couples atomization, emulsification and polymerization steps was developed for producing pure gel beads at a high throughput but did not allow MWCNTs to be encapsulated. Finally, a method was obtained to provide colloidal stability and proper gelling necessary for the formation of sub-millimetric composite gel beads. While the process is promising, the composition as well as the flow reactor need to be optimized.