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Développement d'électrodes issues de précurseurs innovants pour le dessalement des eaux saumâtres guyano-caraîbéens par CDI (capacitive déionization)

par Yeray Alvarez Galvan

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Sarra Gaspard et de Christelle Yacou.

Thèses en préparation à l'Antilles , dans le cadre de Ecole Doctorale Dynamique des environnements dans l'espace Caraïbes-Amériques , en partenariat avec Connaissance et Valorisation : Chimie des Matériaux, Environnement, Énergie (EA 3592) (Pointe-à-Pitre) (laboratoire) depuis le 12-10-2018 .


  • Résumé

    Le travail présenté dans cette thèse relève d'une problématique régionale, l'afflux massif de sargasses sur les côtes caribéennes. Ces algues, inoffensives lorsqu'elles se trouvent dans l'océan, causent des problèmes environnementaux, sanitaires et économiques lorsqu'elles s'approchent des zones côtières et commencent à se décomposer. L'objectif principal de ces recherches, menées grâce à la collaboration de la société NBC SARL et du Laboratoire COVACHIM-M2E, est la valorisation de ces algues comme matière première pour la production d'électrodes poreux en carbone avec des propriétés intéressantes pour son application dans le dessalement de l'eau en utilisant une unité de déionisation capacitive (CDI). Le CDI est une technique prometteuse et en expansion pour éliminer les espèces ioniques et polarisables de l'eau. Cette technologie a attiré l'attention de la communauté scientifique et est devenue une alternative en raison de ses faibles coûts de fonctionnement, de son efficacité énergétique améliorée et de la diminution du rejet d'eau. Cette technologie est également remarquable en raison de son potentiel en tant qu'alternative viable aux procédés actuels de dessalement basés sur les membranes et l'évaporation thermique. Des biochars et des charbons actifs ont été synthétisés en modifiant la température de pyrolyse et les taux d'imprégnation chimique. Dans le cas des biochars, au fur et à mesure que la température de pyrolyse augmentait (jusqu'à 800 °C), les valeurs de la surface spécifique augmentaient également. En revanche, les surfaces spécifiques les plus élevées pour les charbons actifs ont été obtenues entre 600°C et 700°C, révélant un plus grand nombre de groupes fonctionnels de surface. Ainsi, les carbones poreux présentant les meilleures caractéristiques physico-chimiques ont été sélectionnés pour être utilisés dans la fabrication de nouvelles électrodes en carbone pour la CDI. La caractérisation électrochimique des électrodes a été réalisée à l'aide de cellules électrochimiques customisées et imprimées en 3D. Ces études ont permis l'optimisation de la procédure de préparation des électrodes, l'investigation des paramètres le plus influents et la détermination des conditions opératoires optimales. Par conséquent, les électrodes les plus performantes ont été choisies pour des investigations ultérieures. Pour les études de dessalement, une unité CDI innovante a été conçue et imprimée en 3D. Son architecture interne et externe, ainsi que son évolutivité, ont ouvert une nouvelle fenêtre au monde de l'impression 3D appliquée à la CDI. Les résultats de dessalement ont validé l'architecture de la cellule et prouvé l'application potentielle d'électrodes de carbone dérivées de sargasses pour le dessalement partiel d'eau saumâtre. Afin de compléter le cycle de valorisation des sargasses, l’alginate, un polymère dérivé des sargasses, a été utilisé comme liant vert innovant dans le processus de production des électrodes. Les électrodes préparées avec ce liant ont montré des propriétés électrochimiques très intéressantes, un haut degré d'hydrophilie et une stabilité décente mais avec plusieurs aspects à améliorer. Parallèlement aux recherches relatives à la CDI, les charbons actifs de sargasses ont été étudiés pour leur application en tant qu'adsorbants de chrome hexavalent. Des simulations de dynamique moléculaire ont corroboré les résultats expérimentaux et ont permis de conclure que l'ajout de magnésium à la surface du charbon actif améliore légèrement l'adsorption du chrome. Cette conclusion théorique a également été confirmée expérimentalement. Les meilleurs résultats d'adsorption ont été obtenus pour le charbon actif produit à 600 °C et un rapport en mass d'imprégnation chimique de 3/1 (H3PO4/sargasses). Enfin, et d'un point de vue plus commercial, une analyse de faisabilité technico-économique a été menée pour la production à grande échelle de charbon actif de sargasses utilisant l'énergie solaire comme source d'énergie. Cette étude couvre le développement d'un processus de production détaillé, plusieurs études de marché, le calcul des dépenses d'investissement (CAPEX), l'estimation des dépenses d'exploitation (OPEX) et la simulation de différents scénarios.


  • Résumé

    The work presented in this dissertation arises from a regional issue, the large influx of Sargassum along the Caribbean coasts. These algae, which are harmless when located in the ocean, cause environmental, health, and economic problems when they approach coastal areas and begin to decompose. The main objective of this research, conducted thanks to the collaboration of the company NBC SARL and the COVACHIM-M2E Laboratory, is the valorisation of these algae as raw material for the production of porous carbon electrodes with interesting properties for its application in the desalination of water employing a capacitive deionization (CDI) unit. CDI is a promising and expanding technique for removing ionic and polarizable species from water. This technology has grabbed the attention of the scientific community and become an alternative due to its low running costs, improved energy efficiency, and decreased water rejection. This technology is noteworthy due to its potential as a viable alternative to current desalination processes based on membranes and thermal evaporation. Biochars and activated carbons were synthesized by altering the pyrolysis temperature and chemical impregnation ratios. In the case of biochars, as the pyrolysis temperature was increased (up to 800 ºC), the values of the specific surface also increased. In contrast, the highest specific surface areas for activated carbons were obtained between 600 ºC and 700 ºC, revealing a larger number of surface functional groups. Thus, porous carbons with the best physicochemical characteristics were selected to be used in the fabrication of novel carbon electrodes for CDI. The electrochemical characterisation of the electrodes was conducted using customized 3D-printed electrochemical cells. These studies permitted the optimization of the electrode preparation procedure, the investigation of the influential parameters and the determination of the optimal operating conditions. Consequently, the most performing electrodes were chosen for further investigation. For the desalination studies, an innovative CDI unit was designed and 3D printed. Its internal and external architecture, as well as its scalability, have opened a new window to the world of 3D printing applied to CDI. The desalination results have validated the cell's architecture and proved the potential application of carbon electrodes derived from Sargassum seaweed for the partial desalination of brackish water. In order to complete the Sargassum valorisation cycle, alginate, a polymer derived from Sargassum, has been used as an innovative green binder in the electrode production process. The electrodes prepared with this binder showed very interesting electrochemical properties, a high degree of hydrophilicity and a decent stability but with several aspects to be improved. In tandem with investigations pertaining to CDI, Sargassum activated carbons were studied for their application as hexavalent chromium adsorbents. Molecular dynamics simulations corroborated the experimental findings and allowed to conclude that the addition of magnesium to the activated carbon surface slightly improves the chromium adsorption. This theoretical conclusion was also experimentally confirmed. The best adsorption results were obtained for the activated carbon produced at 600 ºC and a chemical impregnation weight ratio of 3/1 (H3PO4/Sargassum). Finally, and from a more commercial perspective, a technical-economic feasibility analysis was conducted for the large-scale production of Sargassum activated carbon using solar energy as the power source. This study covers the development of a detailed production process, several market surveys, the calculation of the capital expenditures (CAPEX), the estimation of the operating expenses (OPEX) and the simulation of various scenarios.