Préparation de nanomatériaux photothermiques pour la purification d'eau

Preparation of photothermal nanomaterials for water treatment

• Auteur / Autrice : Go Inoue
• Direction : Rabah Boukherroub, Sabine Szunerits
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 06/01/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Henri Happy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sorin Melinte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yamin Leprince-Wang, Souad Ammar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Lumière -- Absorption

Énergie solaire thermique

Eau salée -- Dessalement -- Distillation

Mots clés libres

Evaporation solaire

Conversion eau-vapeur

Effet photothermique

Evaporation

Desalination

Photothermal effect

Résumé

L'évaporation interfaciale solaire est apparue récemment comme une solution pour pallier la pénurie d'eau de notre siècle de manière écologique. Cependant, la faible efficacité de la conversion eau-vapeur, le coût élevé de la préparation de l'évaporateur et la rareté des matières premières sont des obstacles majeurs de cette méthode. Dans ce travail de thèse, des matériaux ont été préparés à partir de matières premières hautement accessibles dans le but d'évaluer leur efficacité d'évaporation et de vérifier l'innocuité de l'eau que ces matériaux peuvent produire.Le manuscrit comprend 5 chapitres. Après une introduction générale, le deuxième chapitre concerne la préparation d'un matériau composite, constitué de poly(N-phénylglycine) (PNPG) et de mousse verte, qui présente d'excellentes propriétés photothermiques et hydrophiles ; ce matériau présente une meilleure efficacité de conversion de 76,5 ± 3,9 % par rapport à la mousse verte brute (64,2 ± 3,0 %). Le troisième chapitre décrit la préparation d'un matériau composite à base de la mousse verte et du coke de pétrole. Bien que le coke de pétrole ait eu un effet négatif sur l'hydrophilie du matériau, son excellente propriété photothermique a permis d'améliorer le rendement de conversion (77,7 ± 1,2 %). Dans le 4ème chapitre, un évaporateur 3D composé de filtres de cigarettes chargés de coke de pétrole a été préparé. Cet évaporateur a montré une excellente performance (conversion : 93,2 ± 5,4 %, taux : 1,97 ± 0,07 kg m-2 h-1, sous 1 soleil) grâce à une bonne localisation de la chaleur générée et à une remarquable génération de chaleur photothermique du coke de pétrole. Le 5ème chapitre est consacré à la comparaison des résultats avec les données de la littérature et à quelques perspectives de cette technologie. Les matériaux développés se sont avérés durables et capables de produire de l'eau potable à partir d'eau de mer ou d'eau contaminée par des bactéries.

Solar interfacial evaporation has recently emerged as a solution to alleviate the water shortage of our century in an environmentally-friendly way. However, the low efficiency of water-steam conversion, the high cost for the preparation of the evaporator, and the scarcity of raw materials are major obstacles for the spread of this method. In this PhD thesis work, materials were prepared from the highly accessible raw materials with the aim of the evaluation of their evaporation efficiency and verification of the safety of the water that these materials can produce.The manuscript comprises 5 chapters. After a general introduction, the 2nd chapter concerns the preparation of a composite material consisting of poly(N-phenylglycine) (PNPG) and green moss, which exhibited excellent photothermal and hydrophilic properties; this material marked a better conversion efficiency of 76.5 ± 3.9 % compared to the crude green moss (64.2 ± 3.0%). The 3rd chapter introduces the combination of green moss and petroleum coke. Although petroleum coke had a negative effect on the hydrophilicity of the composite material, its excellent photothermal property improved the conversion efficiency (77.7 ± 1.2 %). In the 4th chapter, a 3D evaporator composed of cigarette filters loaded with petroleum coke was prepared. This evaporator scored excellent values (conversion: 93.2 ± 5.4%, Rate: 1.97 ± 0.07 kg m-2 h-1, under 1 sun) due to a good localization of the heat generated and a remarkable photothermal heat generation of the petroleum coke. The 5th chapter is focused on the comparison of the results with literature data and some perspectives of this technology. The developed materials have proven to be durable and capable to produce safe water from real seawater or bacteria contaminated water.