Myriam TAUK
Soutiendra sa thèse
le Lundi 11 Décembre 2023 à 13h30
dans l’Amphithéâtre GODECHOT à l’ENSCM
« TUNING, ASSESSMENT, AND OPTIMIZATION OF AN ELECTROCHEMICAL WATER DESALINATION PROCESS THROUGH FLOW -ELECTRODE CAPACITIVE DEIONIZATION: MATERIAL, PROCESS, AND PHYSICO -CHEMICAL CONSIDERATIONS »
Devant le jury composé de :
– Patrick DROGUI, Professeur, Institut National de la Recherche Scientifique – Rapporteur
– Pierre-Henri AUBERT, Professeur, CY Cergy Paris Université – Rapporteur
– Christel CAUSSERAND, Professeur, Université de Toulouse – Examinatrice
– Ouassim BOUJIBAR, Maitre de Conférences, Université de Tours – Examinateur
– Francois ZAVISKA, Maitre de Conférences, Université de Montpellier – Co-encadrant
– Philippe SISTAT, Maitre de Conférences, Université de Montpellier – Co-encadrant
– Roland HABCHI, Professeur, Université Libanaise – Co-directeur
– Marc CRETIN, Professeur, Université de Montpellier – Directeur
Résumé :
Le stress hydrique que nous vivons actuellement représente un danger considérable pour les communautés dans le monde. En abordant cette question, les technologies cruciales de purification offrent une voie prometteuse pour garantir de l’eau propre. En particulier, la désalinisation, qui consiste à transformer l’eau saumâtre ou de mer en eau douce, se distingue comme une solution cruciale pour assurer des futurs durables. La Déionisation Capacitive (CDI) émerge comme une technologie prometteuse utilisant des processus électrochimiques pour désaliniser efficacement l’eau saumâtre, offrant ainsi un moyen durable de production d’eau douce. Dans une cellule CDI typique, l’eau salée d’alimentation traverse une couche séparatrice située entre deux électrodes en carbone solide, chacune dotée de charges électriques. La nature à l’état solide des électrodes limite les performances en restreignant la surface et les pores d’adsorption d’ions. Cela entrave également le fonctionnement continu en raison de contraintes de régénération des electrodes. La Déionisation Capacitive à Électrode en Flux (FCDI) est une adaptation innovante de la CDI traditionnelle, permettant des processus de désalinisation continus. Contrairement aux électrodes statiques de la CDI, la FCDI intègre des électrodes dynamiques avec des matériaux actifs et des électrolytes, permettant l’élimination continue et prolongée des ions de l’eau salée.
Ces travaux de thèse ont eu pour objectif d’utiliser des électrodes en flux à base de charbon actif dans un système FCDI à l’échelle du laboratoire et de les optimiser en vue d’améliorer les performances technico-économiques de cette technologie innovante. Une première approche à consister à travailler sur la taille des particules de charbon actif par broyage mécanique à sec dans le but d’accroitre les phénomènes de transfert de matière et de charge électrique. Lorsque ce charbon actif fin (FAC) est utilisé comme matériau d’électrode en flux dans la FCDI, ce dernier montre une nette amélioration par rapport au AC non modifié, à la fois sur les cinétiques de dessalement mais également sur les capacités de stockage en ions. Cette supériorité est attribuée à une surface de contact accrue, des structures de
pores favorables et un transfert de charge accéléré dans le réseau interconnecté de particules de carbone résultant de la réduction de la taille des particules. Cependant, du fait de l’augmentation de la surface spécifique, l’électrode en flux FAC montre une viscosité accrue, entraînant une perte de charge plus élevée et, par conséquent, une consommation d’énergie de pompage plus élevée. Il y a donc un compromis à trouver entre performance et viscosité. Afin de remédier à cette limitation, une seconde étude a exploré l’impact de la distribution de la taille des particules sur la viscosité et les performances de désalinisation des électrodes en flux de charbon actif. Une approche stratégique a été employée en mélangeant des particules de FAC (0,65-0,92 μm) avec des particules de AC (1,5-2,3 μm). Les mélanges bimodaux FAC/AC ont préservé les performances de désalinisation supérieures du FAC tout en réduisant significativement la viscosité apparente, améliorant les propriétés d’écoulement et atténuant les préoccupations liées à la perte de charge. Le rapport des particules de FAC à AC a significativement influencé les caractéristiques rhéologiques et les performances de désalinisation. Un équilibre entre les performances de désalinisation et la viscosité du système s’est révélé crucial pour des applications pratiques. De plus, la méthode hydrothermale a été utilisée pour synthétiser un composite économique AC_ZnO pour les électrodes FCDI. Le composite résultant a affiché une capacité spécifique de 213,9 F/g, surpassant le AC pur. Cela, associé à une hydrophobicité réduite, a contribué à des performances FCDI supérieures. Le succès est attribué à une résistance interne réduite, une mouillabilité améliorée, une capacité spécifique accrue, une conductivité électrique améliorée et des caractéristiques de transfert de charge supérieures, soulignant son potentiel pour les applications FCDI. De plus, les caractéristiques physico-chimiques et électrochimiques des matériaux des électrodes en flux, comprenant à la fois les variantes pures et modifiées, ont été évaluées par microscopie électronique à balayage (MEB), analyse par dispersion d’énergie des rayons X (EDX), spectroscopie photo-électronique des rayons X (XPS), diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie Raman, spectrométrieinfrarouge à transformée de Fourier (FT-IR), diffusion dynamique de la lumière (DLS), diffusion statique multiple de la lumière (SMLS), rhéométrie, diffusion électrophorétique de la lumière (ELS), mesure de l’angle de contact avec l’eau (WCA), voltammétrie cyclique (CV), chronoampérométrie et spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS)
Abstract:
The ongoing worldwide water scarcity represents a widespread danger to communities in the world. In addressing this issue, crucial purification technologies offer a hopeful path to secure clean water. In particular, desalination, which involves transforming brackish or seawater into freshwater, stands out as a crucial solution for ensuring sustainable futures. Capacitive Deionization (CDI) is emerging as a promising technology that utilizes electrochemical processes to effectively desalinate brackish water, providing a sustainable means for freshwater production. In a typical CDI cell, the feed saline water transverses a separator layer situated between two solid carbon electrodes, each endowed with electric charges. The electrode’s solid-state nature limits performance by constraining surface area and ion adsorption sites. It also hinders continuous operation due to regeneration constraints. Flow-electrode capacitive deionization (FCDI) is an innovative adaptation of traditional CDI, enabling continuous desalination processes. Unlike static electrodes in CDI, FCDI incorporates dynamic flowable electrodes
constituted of active materials and electrolytes, allowing continuous and prolonged ion removal from the saline water stream. This thesis optimized and employed activated carbon-based flow electrodes in a laboratory-scale FCDI system, providing a cost-effective alternative and enhancing the desalination performance of this innovative technology. Initially, a novel approach implemented dry ball-milling to reduce the particle size of commercial activated carbon (AC), producing fine activated carbon (FAC). When employed as the flow electrode material at a 10% weight fraction in FCDI, FAC outperforms unmodified AC in desalination. This superiority is attributed to increased contact area, favorable pore structures, and accelerated charge transfer within the interconnected carbon particle network resulting from the reduced particle size. However, the FAC flow electrode shows increased viscosity, leading to higher pressure drop and consequently higher pumping energy. To address this limitation, our subsequent study explored the impact of particle size distribution on the viscosity and desalination performance of activated carbon flow electrodes in FCDI. A strategic approach was employed by blending FAC particles (0.65-0.92 μm) with AC particles (1.5-2.3 μm). FAC/AC bimodal mixtures preserved the superior desalination performance of FAC while significantly lowering the apparent viscosity, improving flow properties and
mitigating pressure drop concerns. The ratio of AC to FAC particles significantly influenced rheological characteristics and desalination performance. A balance between desalination performance and system viscosity was found crucial for practical applications. Furthermore, hydrothermal method was employed to fabricate a cost-effective ACZnO composite for FCDI electrodes. The resulting composite displayed a specific capacitance surpassing pristine AC. This along with the enhanced hydrophilicity contributed to superior FCDI performance. The success is attributed to reduced internal resistance, improved wettability, increased capacitance, enhanced electrical conductivity, and superior charge transfer characteristics, underscoring its potential for FCDI applications.
Moreover, the physicochemical and electrochemical attributes of the flow electrodes materials, encompassing both pristine and modified variants, were assessed through scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray
diffraction (XRD), Raman spectroscopy, Fourier-transform infrared spectrometry (FT-IR), dynamic light scattering (DLS), static multiple light scattering (SMLS), rheological measurements, electrophoretic light scattering (ELS), water contact angle measurement (WCA), cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (CA), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS).
