Échangeur nanofluidique pour la récupération de l'énergie des gradients salins

Description du projet

La récupération de l'énergie de mélange des solutions salines, telles que l'eau douce/l'eau de mer, offre une source d'énergie décarbonée, renouvelable et non intermittente, dont le potentiel est comparable à la demande mondiale en énergie électrique [1]. Cette "énergie bleue" est actuellement inexploitée car les meilleurs procédés, basés sur des membranes sélectives d'ions, fournissent des densités de puissance de l'ordre du Watt par mètre carré, trop faibles pour être économiquement viables. La découverte de la capacité de nanotubes ou de nanopores uniques à convertir l'énergie saline avec des densités de puissance de l'ordre du kiloWatt [2], voire du mégaWatt par mètre carré de section, a relancé l'intérêt pour cette source d'énergie. Cependant, le passage d'un nanopore unique à une membrane macroscopique soulève des problèmes d'échelle très fondamentaux. Il est désormais établi que le phénomène de polarisation de la concentration à l'interface membrane/réservoir réduit la densité de puissance produite par les nanopores de plusieurs ordres de grandeur, limitant intrinsèquement la densité de puissance des membranes constituées des nanopores les plus efficaces à moins de 10 W/m².

Au-delà des matériaux, il est nécessaire de développer des approches complètement nouvelles au niveau des procédés. L'objectif de cette thèse, basée sur des travaux théoriques et numériques réalisés dans notre équipe [3], est d'étudier expérimentalement l'optimisation des écoulements à l'échelle micro- et nanométrique pour lutter contre la polarisation de concentration et les pertes massives qu'elle induit sur la puissance générée par les nanopores sélectifs.

La thèse s'appuiera sur notre collaboration avec le CEA-LETI pour le développement de nanopuces fluidiques optimisées, sur l'expertise de l'équipe en instrumentation et mesures nanofluidiques à haute résolution [4], et sur notre collaboration avec le Laboratoire d'Analyse et de Mathématiques Appliquées (LAMA, D. Bresch) pour la modélisation mathématique et numérique des dispositifs en fonctionnement. Le résultat attendu est la validation d'une nouvelle approche basée sur les nanoflux pour récolter l'énergie des gradients salins à haute densité de puissance.

Références

[1] B. E. Logan and M. Elimelech, Membrane-based processes for sustainable power generation using water, Nature 488, 313 (2012)
[2] Siria A et al, Giant osmotic energy conversion measured in a single transmembrane boron nitride nanotube, Nature 494, 455 (2013)
[3] S. Sripriya et al, A nanofluidic exchanger for harvesting saline gradient energy, Lab-On-a-Chip, submitted
[4] Sharma P, Motte JF, Fournel F, Cross B, Charlaix E and Picard C, A Direct Sensor to Measure Minute Liquid Flow Rates, Nano Lett. 5726−5730 (2018)

Date limite

Postulez sur le site de l'école doctorale IMEP2 https://adum.fr/as/ed/propositionFR.pl avant le 22 mai 2024