Echangeur nanofluidique hiérarchique pour exploiter les courants ioniques issus de gradients salins

Hierarchical nanofluidic exchanger to harvest ion current from salinegradient.

• Auteur / Autrice : Saranath Sripriya
• Direction : Elisabeth Charlaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• 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 : François Rieutord
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : René van Roij, Anne-Laure Biance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau salée -- Dessalement -- Osmose inverse

Écologie d'eau douce

Nanopores

Salinité

Mots clés libres

Désalinisation

Energie

Gradients salins

Desalinisation

Saline gradients

Blue energy

Osmotic Energy

Nanopores

Résumé

Le mélange de deux solutions électrolytiques de concentrations différentes est caractérisé par une enthalpie libre de mélange. Sa conversion en travail mécanique utile ou en électricité peut constituer une source d'énergie renouvelable propre communément appelée ''énergie osmotique'' ou ''énergie bleue'' dans le cas du mélange d'eau de rivière et d'eau de mer. La nécessité de réduire drastiquement notre dépendance aux combustibles fossiles et le développement remarquable de nouvelles membranes sélectives ont encouragé la mise au point de nouvelles techniques d'extraction de l'énergie bleue. La mise en place de centrales électriques à grande échelle a permis d'identifier certaines limites inhérentes aux approches membranaires pour l'extraction de l'énergie bleue, notamment la polarisation de concentration. Dans ce manuscrit, nous présentons un échangeur nanofludique à base de silicium qui vise à optimiser le transport couplé des solutés à l'échelle nanométrique et à l'échelle microscopique afin de minimiser les problèmes de polarisation de concentration et d'augmenter la récupération d'énergie. L'accent est mis sur la modélisation théorique d'un tel échangeur. Des densités de puissance de deux ordres de magnitudes supérieures aux stratégies existantes sont ainsi prédites. Ces résultats théoriques ont été utilisés pour concevoir un protocole de fabrication d’un échangeur multi-échelle, en collaboration avec le CEA-Leti, incorporant les développements récents de l'industrie de la microfabrication pour produire une série de canaux infimes massivement parallélisés. La dernière section du manuscrit discute d'un tel potentiel de parallélisation, qui pourrait conduire à un changement de paradigme dans la génération d'énergie basée sur le gradient de salinité en utilisant des nanopores.

The mixing of two electrolyte solutions of different concentrations is characterized by a free enthalpy of mixing. The conversion of this enthalpy into useful mechanical work or electricity has the potential to be a new source of clean renewable energy. The energy generated by this process is termed as ''osmotic energy'', or more specifically ''blue energy'' when energy is generated by the mixing of sea water with river water. The necessity to drastically lessen the world’s reliance on fossil fuels and the remarkable advancement of membrane technology have encouraged the development of novel techniques for harvesting blue energy. The establishment of large-scale power plants focused at harvesting this energy, revealed some inherent limitations in membrane-based approaches for the extraction of blue energy, most notably concentration polarization. This manuscript proposes a silicon-based nanofluidic exchanger, which aims at optimizing the coupled solute transport at the microscale and nanoscale to minimize concentration polarization issues and enhance energy recovery. The focus of this manuscript is on the theoretical modelling of the exchanger and the optimization of the exchanger reveals an expected power density two magnitudes higher than existing strategies aimed at blue energy harvesting. These theoretical results are used to propose a fabrication protocol for a Multiscale Exchanger, in collaboration with CEA-Leti, incorporating recent developments of the microfabrication industry to produce minute channels with an enormous potential for parallelization. The final section of the manuscript explores this parallelization potential, which could result to a paradigm shift in salinity gradient-based power generation using nanopores.