CA3204183A1 - Dispositif de production d'energie par gradient de salinite comprenant des electrodes d'un textile de charbon actif - Google Patents
Dispositif de production d'energie par gradient de salinite comprenant des electrodes d'un textile de charbon actifInfo
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
- H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
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Abstract
L'invention concerne un dispositif pour la production d'énergie électrique comprenant une première électrode ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CA en un soluté; une deuxième électrode ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CB en un soluté, CB étant supérieure à CA; une membrane ayant une perméabilité sélective aux anions ou aux cations, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes et comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA à travers le ou lesdits canaux; et un dispositif permettant de récolter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, dans lequel les deux électrodes sont formées d'un textile de charbon actif, ainsi qu'un procédé de production d'énergie électrique mettant en oeuvre un tel dispositif.
Description
DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE PAR GRADIENT DE SALINITE
COMPRENANT DES ELECTRODES D'UN TEXTILE DE CHARBON ACTIF
ETAT DE LA TECHNIQUE
La production d'énergie électrique par gradient de salinité est une des sources d'énergie renouvelable présentant le plus gros potentiel à l'échelle de la planète.
Parmi les différentes technologies actuellement envisagées, la méthode d'électrodialyse inverse (RED de l'anglais reverse electrodialysis ) repose sur la conversion de l'énergie de mélange en énergie électrique. Cette technologie repose sur l'utilisation de membranes ayant une perméabilité sélective aux anions (membranes anioniques) ou aux cations (membranes cationiques), dont la propriété de base est le transport sélectif d'ions selon le signe de leur charge.
Un type commun de dispositif RED est constitué de membranes empilées entre une paire d'électrodes. L'empilement de membranes comprend une alternance de membranes anioniques et de membranes cationiques entre lesquelles on fait circuler alternativement de l'eau salée et de l'eau douce. Les espaces intermembranaires, c'est à dire les espaces au sein desquels circulent les fluides sont maintenus en disposant des espaceurs (en anglais spacers ) entre les membranes. La circulation d'une alternance d'eau salée et d'eau douce entre ces membranes, autrement dit l'établissement d'un gradient de salinité de part et d'autre de chacune de ces membranes, entraine des flux ioniques sélectifs au travers de chacune de ces membranes. Par exemple, des flux d'ions sodium traversent les membranes cationiques en direction de la cathode et des flux d'ions chlore traversent les membranes anioniques en direction de l'anode, faisant naitre entre les deux faces de chaque membrane une différence de potentiel électrochimique que l'on désigne couramment comme différence de potentiel de membrane. Aux extrémités, des systèmes d'électrodes convertissent le courant ionique en courant électrique et un circuit électrique extérieur assure le transfert d'électrons de l'anode vers la cathode. La résultante des différences de potentiels de membrane produit donc un courant électrique qui peut être utilisé par un dispositif placé
sur le circuit reliant les électrodes.
L'un des problèmes rencontrés par les dispositifs de production d'électricité
à partir d'un gradient de salinité, tels que les dispositifs RED actuels, est que ceux-ci présentent une faible capacité de production d'électricité.
TITRE : DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE PAR GRADIENT DE SALINITE
COMPRENANT DES ELECTRODES D'UN TEXTILE DE CHARBON ACTIF
ETAT DE LA TECHNIQUE
La production d'énergie électrique par gradient de salinité est une des sources d'énergie renouvelable présentant le plus gros potentiel à l'échelle de la planète.
Parmi les différentes technologies actuellement envisagées, la méthode d'électrodialyse inverse (RED de l'anglais reverse electrodialysis ) repose sur la conversion de l'énergie de mélange en énergie électrique. Cette technologie repose sur l'utilisation de membranes ayant une perméabilité sélective aux anions (membranes anioniques) ou aux cations (membranes cationiques), dont la propriété de base est le transport sélectif d'ions selon le signe de leur charge.
Un type commun de dispositif RED est constitué de membranes empilées entre une paire d'électrodes. L'empilement de membranes comprend une alternance de membranes anioniques et de membranes cationiques entre lesquelles on fait circuler alternativement de l'eau salée et de l'eau douce. Les espaces intermembranaires, c'est à dire les espaces au sein desquels circulent les fluides sont maintenus en disposant des espaceurs (en anglais spacers ) entre les membranes. La circulation d'une alternance d'eau salée et d'eau douce entre ces membranes, autrement dit l'établissement d'un gradient de salinité de part et d'autre de chacune de ces membranes, entraine des flux ioniques sélectifs au travers de chacune de ces membranes. Par exemple, des flux d'ions sodium traversent les membranes cationiques en direction de la cathode et des flux d'ions chlore traversent les membranes anioniques en direction de l'anode, faisant naitre entre les deux faces de chaque membrane une différence de potentiel électrochimique que l'on désigne couramment comme différence de potentiel de membrane. Aux extrémités, des systèmes d'électrodes convertissent le courant ionique en courant électrique et un circuit électrique extérieur assure le transfert d'électrons de l'anode vers la cathode. La résultante des différences de potentiels de membrane produit donc un courant électrique qui peut être utilisé par un dispositif placé
sur le circuit reliant les électrodes.
L'un des problèmes rencontrés par les dispositifs de production d'électricité
à partir d'un gradient de salinité, tels que les dispositifs RED actuels, est que ceux-ci présentent une faible capacité de production d'électricité.
2 Cette faible capacité de production d'énergie est notamment due au fait que les membranes actuelles développent des puissances électriques par unité de surface de membrane (i.e., des puissances membranaires) de seulement quelques W/m2 de membrane.
Une approche proposée pour résoudre ce problème a été de développer de nouvelles membranes.
Un exemple de cette démarche est exposé dans la demande internationale publiée le 24 avril 2014 sous le numéro WO 2014/060690. Dans ce document, il est proposé
d'utiliser des membranes nanoporeuses dont la surface interne des pores est recouverte de nitrure de bore ou plus généralement de mélanges des éléments bore, carbone et azote. Ces membranes nanoporeuses exploitent des phénomènes de diffusio-osmose au sein des pores et développent des puissances membranaires de l'ordre du kW/m2.
Plus récemment, la Demanderesse a proposé dans la demande internationale publiée le 9 mars 2017 sous le numéro WO 2017/037213 des membranes nanoporeuses dont la surface interne des pores est recouverte d'oxyde de titane, permettant d'atteindre des puissances membranaires de l'ordre 5 kW/m2.
Cependant, cette approche implique l'utilisation de membranes dont la préparation peut être complexe et couteuse compte-tenu des matériaux nécessaires.
La faible capacité de production d'énergie de ces types de dispositifs RED est également due aux résistances qu'opposent différents éléments du système aux flux ioniques.
Cette résistance dépend principalement de la résistance membranaire, de la conductivité ionique de l'eau et de la distance intermembranaire. En particulier, le maintien d'un espacement de plusieurs centaines de micromètres entre les membranes est nécessaire pour permettre l'écoulement des fluides au sein de l'empilement de membranes mais contribue de façon importante à la résistance globale du système.
Au regard de ce qui précède, il existe donc toujours un besoin pour améliorer la puissance électrique générée par les dispositifs de production d'énergie électrique à
partir d'un gradient de concentration.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de fournir un dispositif de production d'électricité permettant une production d'électricité
importante.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de production d'énergie électrique utilisant le dispositif de l'invention.
Ces buts sont atteints par l'invention qui va être décrite ci-après.
Une approche proposée pour résoudre ce problème a été de développer de nouvelles membranes.
Un exemple de cette démarche est exposé dans la demande internationale publiée le 24 avril 2014 sous le numéro WO 2014/060690. Dans ce document, il est proposé
d'utiliser des membranes nanoporeuses dont la surface interne des pores est recouverte de nitrure de bore ou plus généralement de mélanges des éléments bore, carbone et azote. Ces membranes nanoporeuses exploitent des phénomènes de diffusio-osmose au sein des pores et développent des puissances membranaires de l'ordre du kW/m2.
Plus récemment, la Demanderesse a proposé dans la demande internationale publiée le 9 mars 2017 sous le numéro WO 2017/037213 des membranes nanoporeuses dont la surface interne des pores est recouverte d'oxyde de titane, permettant d'atteindre des puissances membranaires de l'ordre 5 kW/m2.
Cependant, cette approche implique l'utilisation de membranes dont la préparation peut être complexe et couteuse compte-tenu des matériaux nécessaires.
La faible capacité de production d'énergie de ces types de dispositifs RED est également due aux résistances qu'opposent différents éléments du système aux flux ioniques.
Cette résistance dépend principalement de la résistance membranaire, de la conductivité ionique de l'eau et de la distance intermembranaire. En particulier, le maintien d'un espacement de plusieurs centaines de micromètres entre les membranes est nécessaire pour permettre l'écoulement des fluides au sein de l'empilement de membranes mais contribue de façon importante à la résistance globale du système.
Au regard de ce qui précède, il existe donc toujours un besoin pour améliorer la puissance électrique générée par les dispositifs de production d'énergie électrique à
partir d'un gradient de concentration.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur et de fournir un dispositif de production d'électricité permettant une production d'électricité
importante.
Un autre but de l'invention est de fournir un procédé de production d'énergie électrique utilisant le dispositif de l'invention.
Ces buts sont atteints par l'invention qui va être décrite ci-après.
3 Dispositif L'invention a pour premier objet un dispositif pour la production d'énergie électrique comprenant :
a) une première électrode (40A) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20A) de concentration CA en un soluté ;
b) une deuxième électrode (40B) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20B) de concentration CB en un soluté, CB étant supérieure à CA;
c) une membrane (50) ayant une perméabilité sélective aux anions ou aux cations, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes et comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA à
travers le ou lesdits canaux ; et d) un dispositif (80) permettant de récolter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, dans lequel les deux électrodes (40A, 40B) sont formées d'un textile de charbon actif.
La différence des concentrations CA et CB en un même soluté provoque la mobilité des électrolytes de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée à
travers la porosité de la membrane.
Dans le dispositif de l'invention, la porosité du tissu de charbon actif des électrodes permet l'écoulement des fluides. Contrairement aux dispositifs RED de l'art antérieur, le dispositif de l'invention ne nécessite donc pas d'espace intermembranaire pour laisser circuler des fluides.
Cette configuration a notamment pour effet que les ions passant à travers la membrane de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA et se dirigeant vers l'électrode n'ont plus à traverser un espace intermembranaire de plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur d'une solution électrolytique de faible concentration en soluté CA, ayant une faible conductivité donc une forte résistance vis-à-vis de ce déplacement d'ions.
Avantageusement, la membrane est disposée entre la première électrode et la deuxième électrode de sorte que l'espace qui sépare la membrane de chaque électrode est inférieur à 10 pm, de préférence est inférieur à 5 pm, de préférence encore est inférieur à 1 pm.
Avantageusement, au moins l'une de la première électrode et de la deuxième électrode est en contact avec la membrane, de préférence les deux électrodes sont en contact
a) une première électrode (40A) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20A) de concentration CA en un soluté ;
b) une deuxième électrode (40B) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20B) de concentration CB en un soluté, CB étant supérieure à CA;
c) une membrane (50) ayant une perméabilité sélective aux anions ou aux cations, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes et comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA à
travers le ou lesdits canaux ; et d) un dispositif (80) permettant de récolter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, dans lequel les deux électrodes (40A, 40B) sont formées d'un textile de charbon actif.
La différence des concentrations CA et CB en un même soluté provoque la mobilité des électrolytes de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée à
travers la porosité de la membrane.
Dans le dispositif de l'invention, la porosité du tissu de charbon actif des électrodes permet l'écoulement des fluides. Contrairement aux dispositifs RED de l'art antérieur, le dispositif de l'invention ne nécessite donc pas d'espace intermembranaire pour laisser circuler des fluides.
Cette configuration a notamment pour effet que les ions passant à travers la membrane de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA et se dirigeant vers l'électrode n'ont plus à traverser un espace intermembranaire de plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur d'une solution électrolytique de faible concentration en soluté CA, ayant une faible conductivité donc une forte résistance vis-à-vis de ce déplacement d'ions.
Avantageusement, la membrane est disposée entre la première électrode et la deuxième électrode de sorte que l'espace qui sépare la membrane de chaque électrode est inférieur à 10 pm, de préférence est inférieur à 5 pm, de préférence encore est inférieur à 1 pm.
Avantageusement, au moins l'une de la première électrode et de la deuxième électrode est en contact avec la membrane, de préférence les deux électrodes sont en contact
4 avec la membrane. Ainsi, de manière avantageuse, le dispositif ne comprend pas d'espaceur(s).
Electrodes .. Les deux électrodes sont formées d'un textile de charbon actif.
Avantageusement, les deux électrodes sont formées du même textile de charbon actif.
Au sens de la présente invention, on entend par textile de charbon actif une feuille d'un textile tissé ou non-tissé de fibres de charbon actif.
Un textile tissé est un assemblage essentiellement plan de fibres parallèles les unes aux autres (dites fibres de chaine) traversées par des fibres dites fibres de trame, lesdites fibres étant de préférence entremêlées par tissage.
Un textile non-tissé est un assemblage de fibres essentiellement plan, possédant un niveau nominal d'intégrité structurale conférée au moyen de procédés physiques et/ou chimiques, à l'exclusion du tissage. En ce sens, le textile non-tissé de l'invention répond à la définition selon la norme ISO 9092 d'avril 2019 d'un textile non-tissé.
Le textile non-tissé de charbon actif de l'invention peut par exemple être un feutre de charbon actif.
Dans un mode de réalisation particulier, le feutre de charbon actif est obtenu par aiguilletage de fibres de charbon actif.
.. Avantageusement, le textile de charbon actif a une épaisseur inférieure à
5000 pm, de préférence une épaisseur comprise entre 100 et 5000 pm, de préférence encore comprise entre 100 et 2000 pm, de préférence encore comprise entre 400 et 700 pm, et de préférence encore comprise entre 400 et 600 pm.
Dans la présente invention, la surface spécifique du textile est mesurée par la méthode B.E.T. selon le standard ISO 9277 de septembre 2010.
Avantageusement, le textile de charbon actif présente une surface spécifique SBET d'au moins 500 m2/g, de préférence d'au moins 1000 m2/g, de préférence encore d'au moins 1500 m2/g. Selon un mode de réalisation, la surface spécifique SBET du textile de l'invention est comprise entre 500 et 3000 m2/g, de préférence comprise entre 1000 et 3000 m2/g, de préférence encore comprise entre 1500 et 2500 m2/g.
Le textile de charbon actif de l'invention est un matériau poreux. Il peut présenter un taux de porosité d'au moins 50% environ et de préférence d'au moins 60% environ.
Dans la présente invention, la porosité est définie comme le rapport entre le volume des pores Vpores d'un échantillon et le volume total occupé par l'échantillon VE :
P= Vpores/VE=
Le volume des pores est déterminé indirectement par pesée différentielle d'un échantillon imprégné et d'un tissu non imprégné d'un liquide mouillant de densité
connue, tel qu'un alcool. Plus précisément, VE peut être mesuré selon la méthode suivante :
a) fournir un échantillon de masse mE ;
b) imprégner l'échantillon de l'étape a) d'un liquide de masse volumique pL ;
Electrodes .. Les deux électrodes sont formées d'un textile de charbon actif.
Avantageusement, les deux électrodes sont formées du même textile de charbon actif.
Au sens de la présente invention, on entend par textile de charbon actif une feuille d'un textile tissé ou non-tissé de fibres de charbon actif.
Un textile tissé est un assemblage essentiellement plan de fibres parallèles les unes aux autres (dites fibres de chaine) traversées par des fibres dites fibres de trame, lesdites fibres étant de préférence entremêlées par tissage.
Un textile non-tissé est un assemblage de fibres essentiellement plan, possédant un niveau nominal d'intégrité structurale conférée au moyen de procédés physiques et/ou chimiques, à l'exclusion du tissage. En ce sens, le textile non-tissé de l'invention répond à la définition selon la norme ISO 9092 d'avril 2019 d'un textile non-tissé.
Le textile non-tissé de charbon actif de l'invention peut par exemple être un feutre de charbon actif.
Dans un mode de réalisation particulier, le feutre de charbon actif est obtenu par aiguilletage de fibres de charbon actif.
.. Avantageusement, le textile de charbon actif a une épaisseur inférieure à
5000 pm, de préférence une épaisseur comprise entre 100 et 5000 pm, de préférence encore comprise entre 100 et 2000 pm, de préférence encore comprise entre 400 et 700 pm, et de préférence encore comprise entre 400 et 600 pm.
Dans la présente invention, la surface spécifique du textile est mesurée par la méthode B.E.T. selon le standard ISO 9277 de septembre 2010.
Avantageusement, le textile de charbon actif présente une surface spécifique SBET d'au moins 500 m2/g, de préférence d'au moins 1000 m2/g, de préférence encore d'au moins 1500 m2/g. Selon un mode de réalisation, la surface spécifique SBET du textile de l'invention est comprise entre 500 et 3000 m2/g, de préférence comprise entre 1000 et 3000 m2/g, de préférence encore comprise entre 1500 et 2500 m2/g.
Le textile de charbon actif de l'invention est un matériau poreux. Il peut présenter un taux de porosité d'au moins 50% environ et de préférence d'au moins 60% environ.
Dans la présente invention, la porosité est définie comme le rapport entre le volume des pores Vpores d'un échantillon et le volume total occupé par l'échantillon VE :
P= Vpores/VE=
Le volume des pores est déterminé indirectement par pesée différentielle d'un échantillon imprégné et d'un tissu non imprégné d'un liquide mouillant de densité
connue, tel qu'un alcool. Plus précisément, VE peut être mesuré selon la méthode suivante :
a) fournir un échantillon de masse mE ;
b) imprégner l'échantillon de l'étape a) d'un liquide de masse volumique pL ;
5 c) déterminer la masse mE, de l'échantillon imprégné de l'étape b) ;
d) calculer VE selon la formule VE=(mEi_ mE)/ pL.
Dans un mode de réalisation de la présente invention, le textile de charbon actif a une densité allant de 0.05 à 0.20 g/ce. Dans l'invention, la densité du textile de charbon actif est définie comme le rapport entre la masse d'un échantillon mE et son volume VE:
d =mE/VE. Le volume VE peut être déterminé comme le produit de la surface de l'échantillon par son épaisseur.
Dans l'invention, le terme fibres de charbon actif se réfère à des fibres obtenues par carbonisation et/ou graphitisation d'un précurseur carboné puis activation des fibres carbonisées et/ou graphitisées.
Avantageusement, le précurseur carboné est de type polymère, de préférence un précurseur carboné choisi parmi le phénol-aldéhyde, le polyacrylonitrile (PAN), la rayonne, le brai, la lignine, ou l'un de leurs mélanges.
Le phénol-aldéhyde, le polyacrylonitrile (PAN), et la rayonne et leurs mélanges sont préférés.
Les techniques de carbonisation et/ou de graphitisation sont bien connues de l'homme du métier.
Au sens de l'invention, le terme carbonisation se réfère à un traitement visant à
calciner des fibres d'un précurseur carboné, par exemple à une température comprise entre 450 C et 1500 C environ, de préférence en présence d'un gaz inerte tel que le diazote, l'argon ou l'hélium. Les fibres ainsi traitées sont ici désignées sous le terme de fibres carbonisées. Ce traitement de carbonisation conduit à éliminer la plupart des atomes autres que ceux de carbone du précurseur (en particulier les atomes d'hydrogène et l'azote).
Au sens de l'invention, le terme graphitisation se réfère à un traitement visant à
.. calciner un précurseur carboné, par exemple à une température comprise entre 1500 C
et 3000 C environ, ledit précurseur ayant éventuellement été soumis à un traitement de carbonisation. Bien que les fibres ainsi traitées n'aient pas nécessairement la structure crystalline du graphite, elles sont ici désignées sous le terme de fibres graphitisées.
Ainsi, dans un mode particulier de l'invention, les fibres de charbon actif sont préparées par carbonisation suivie de graphitisation.
Avantageusement, les fibres de précurseur carbonées peuvent avoir été soumise à un traitement d'oxydation préalablement à leur carbonisation et/ou graphitisation.
d) calculer VE selon la formule VE=(mEi_ mE)/ pL.
Dans un mode de réalisation de la présente invention, le textile de charbon actif a une densité allant de 0.05 à 0.20 g/ce. Dans l'invention, la densité du textile de charbon actif est définie comme le rapport entre la masse d'un échantillon mE et son volume VE:
d =mE/VE. Le volume VE peut être déterminé comme le produit de la surface de l'échantillon par son épaisseur.
Dans l'invention, le terme fibres de charbon actif se réfère à des fibres obtenues par carbonisation et/ou graphitisation d'un précurseur carboné puis activation des fibres carbonisées et/ou graphitisées.
Avantageusement, le précurseur carboné est de type polymère, de préférence un précurseur carboné choisi parmi le phénol-aldéhyde, le polyacrylonitrile (PAN), la rayonne, le brai, la lignine, ou l'un de leurs mélanges.
Le phénol-aldéhyde, le polyacrylonitrile (PAN), et la rayonne et leurs mélanges sont préférés.
Les techniques de carbonisation et/ou de graphitisation sont bien connues de l'homme du métier.
Au sens de l'invention, le terme carbonisation se réfère à un traitement visant à
calciner des fibres d'un précurseur carboné, par exemple à une température comprise entre 450 C et 1500 C environ, de préférence en présence d'un gaz inerte tel que le diazote, l'argon ou l'hélium. Les fibres ainsi traitées sont ici désignées sous le terme de fibres carbonisées. Ce traitement de carbonisation conduit à éliminer la plupart des atomes autres que ceux de carbone du précurseur (en particulier les atomes d'hydrogène et l'azote).
Au sens de l'invention, le terme graphitisation se réfère à un traitement visant à
.. calciner un précurseur carboné, par exemple à une température comprise entre 1500 C
et 3000 C environ, ledit précurseur ayant éventuellement été soumis à un traitement de carbonisation. Bien que les fibres ainsi traitées n'aient pas nécessairement la structure crystalline du graphite, elles sont ici désignées sous le terme de fibres graphitisées.
Ainsi, dans un mode particulier de l'invention, les fibres de charbon actif sont préparées par carbonisation suivie de graphitisation.
Avantageusement, les fibres de précurseur carbonées peuvent avoir été soumise à un traitement d'oxydation préalablement à leur carbonisation et/ou graphitisation.
6 Au sens de l'invention, le terme oxydation se réfère à un traitement visant à oxyder un précurseur carboné, par exemple à une température comprise entre 100 C et 400 C.
Des étapes d'activation d'un textile de charbon actif sont également connues de l'homme du métier.
Au sens de l'invention, le terme activation se réfère à un traitement de fibres carbonisées et/ou graphitisées visant à moduler ses propriétés, en particulier sa porosité
et/ou ses propriétés d'adsorption. Le traitement d'activation peut être physique et/ou chimique.
L'activation physique peut par exemple consister en une calcination à une température comprise entre 400 et 1500 C environ en présence de gaz réagissant avec le carbone des fibres carbonisées et/ou graphitisées, tel que le dioxyde de carbone, l'eau ou l'oxygène. L'activation physique peut par exemple être effectuée dans un courant d'air et de vapeur d'eau.
L'activation chimique peut consister en la mise en contact des fibres avec un agent d'activation, tel qu'un acide comme l'acide phosphorique ou une base comme l'hydroxyde de potassium, de préférence à des températures comprises entre 300 C et 800 C. Lorsque le charbon est activé chimiquement, l'agent d'activation peut être rincé
et recyclé.
Typiquement la préparation de fibres de charbon actif comprend :
io) une étape optionnelle d'oxydation des fibres d'un précurseur carboné, typiquement en soumettant les fibres à une température comprise entre 200 et 300 C à
l'air pendant 1 à 2 heures ;
i) une étape de carbonisation des fibres obtenues à l'issue de l'étape i), typiquement en soumettant les fibres à une température comprise entre 700 et par exemple pendant 2 à 10 minutes, éventuellement sous atmosphère d'un gaz inerte tel que le diazote ;
ii) une étape optionnelle de graphitisation des fibres obtenues à l'issue de l'étape ii), typiquement en soumettant les fibres à une température entre 2000 et 3000 C par exemple pendant une minute ;
ii) une étape d'activation physique ou chimique des fibres de charbon obtenues à l'issue de l'étape i) ou de l'étape ii).
Avantageusement, les fibres de charbon actif sont essentiellement constituées de carbone, c'est-à-dire qu'elles sont de préférence constituées d'au moins 80%
en mole de carbone, de préférence d'au moins 90% en mole de carbone, de préférence encore d'au moins 95% en mole de carbone, le reste étant des éléments tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène.
Des étapes d'activation d'un textile de charbon actif sont également connues de l'homme du métier.
Au sens de l'invention, le terme activation se réfère à un traitement de fibres carbonisées et/ou graphitisées visant à moduler ses propriétés, en particulier sa porosité
et/ou ses propriétés d'adsorption. Le traitement d'activation peut être physique et/ou chimique.
L'activation physique peut par exemple consister en une calcination à une température comprise entre 400 et 1500 C environ en présence de gaz réagissant avec le carbone des fibres carbonisées et/ou graphitisées, tel que le dioxyde de carbone, l'eau ou l'oxygène. L'activation physique peut par exemple être effectuée dans un courant d'air et de vapeur d'eau.
L'activation chimique peut consister en la mise en contact des fibres avec un agent d'activation, tel qu'un acide comme l'acide phosphorique ou une base comme l'hydroxyde de potassium, de préférence à des températures comprises entre 300 C et 800 C. Lorsque le charbon est activé chimiquement, l'agent d'activation peut être rincé
et recyclé.
Typiquement la préparation de fibres de charbon actif comprend :
io) une étape optionnelle d'oxydation des fibres d'un précurseur carboné, typiquement en soumettant les fibres à une température comprise entre 200 et 300 C à
l'air pendant 1 à 2 heures ;
i) une étape de carbonisation des fibres obtenues à l'issue de l'étape i), typiquement en soumettant les fibres à une température comprise entre 700 et par exemple pendant 2 à 10 minutes, éventuellement sous atmosphère d'un gaz inerte tel que le diazote ;
ii) une étape optionnelle de graphitisation des fibres obtenues à l'issue de l'étape ii), typiquement en soumettant les fibres à une température entre 2000 et 3000 C par exemple pendant une minute ;
ii) une étape d'activation physique ou chimique des fibres de charbon obtenues à l'issue de l'étape i) ou de l'étape ii).
Avantageusement, les fibres de charbon actif sont essentiellement constituées de carbone, c'est-à-dire qu'elles sont de préférence constituées d'au moins 80%
en mole de carbone, de préférence d'au moins 90% en mole de carbone, de préférence encore d'au moins 95% en mole de carbone, le reste étant des éléments tels que l'oxygène, l'azote et l'hydrogène.
7 Avantageusement, les fibres de charbon actif comprennent de 80 à 100% en poids de carbone, de 0 à 10% en poids d'azote, de 0 à 10% d'oxygène et de 0 à 5% en poids d'hydrogène.
Les fibres du textile de charbon actif présentent avantageusement un diamètre compris entre 1 et 20 pm, de préférence entre 1 et 15 pm, de préférence compris entre 5 et 12 pm.
Dans le dispositif de l'invention, les feuilles de textiles de charbon actif jouent le rôle d'électrodes convertissant la différence de potentiel produite par la membrane, autrement la d.d.p. de membrane, en courant électrique du fait de leur capacité à
adsorber les ions et à conduire l'électricité.
Lorsque les électrodes de charbon actif jouent uniquement ce rôle, elles sont dites capacitives.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le textile de charbon actif présente une réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations, par exemple au chlore ou au sodium.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes formées de textile de charbon actif jouent non seulement le rôle d'électrodes capacitives, mais sont également capables de produire une d.d.p. d'électrodes, indépendante et distincte de la d.d.p. de membrane.
En effet, les inventeurs ont découvert que, de manière inattendue, certains textiles de charbon actif sont capables de produire une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p. de membrane lorsqu'ils sont utilisés pour former les deux électrodes du dispositif de l'invention.
Plus spécifiquement, les inventeurs ont montré que lorsque les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif présentant une réactivité sélective aux anions ou aux cations, par exemple au chlore ou au sodium, elles sont capables de produire une d.d.p.
d'électrodes.
En utilisant l'expression " réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations " ou de manière équivalente l'expression réactivité sélective aux anions ou aux cations on entend signifier que le textile de charbon actif interagit de manière spécifique avec les ions selon le signe de leur charge.
Cette réactivité sélective du textile de charbon actif vis-à-vis des anions ou des cations correspond de préférence à une adsorption sélective des ions selon le signe de leur charge. Cette adsorption résulte de phénomènes de surface entre le textile de charbon actif et les ions, et peut être une adsorption physique (physisorption), met en jeu des liaisons faibles et n'impliquant aucune modification chimique du textile de charbon actif ou des ions adsorbés, et/ou une adsorption chimique (chimisorption), c'est-à-dire le résultat d'une réaction chimique de type rédox réversible entre les ions et le textile de
Les fibres du textile de charbon actif présentent avantageusement un diamètre compris entre 1 et 20 pm, de préférence entre 1 et 15 pm, de préférence compris entre 5 et 12 pm.
Dans le dispositif de l'invention, les feuilles de textiles de charbon actif jouent le rôle d'électrodes convertissant la différence de potentiel produite par la membrane, autrement la d.d.p. de membrane, en courant électrique du fait de leur capacité à
adsorber les ions et à conduire l'électricité.
Lorsque les électrodes de charbon actif jouent uniquement ce rôle, elles sont dites capacitives.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, le textile de charbon actif présente une réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations, par exemple au chlore ou au sodium.
Dans ce mode de réalisation, les électrodes formées de textile de charbon actif jouent non seulement le rôle d'électrodes capacitives, mais sont également capables de produire une d.d.p. d'électrodes, indépendante et distincte de la d.d.p. de membrane.
En effet, les inventeurs ont découvert que, de manière inattendue, certains textiles de charbon actif sont capables de produire une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p. de membrane lorsqu'ils sont utilisés pour former les deux électrodes du dispositif de l'invention.
Plus spécifiquement, les inventeurs ont montré que lorsque les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif présentant une réactivité sélective aux anions ou aux cations, par exemple au chlore ou au sodium, elles sont capables de produire une d.d.p.
d'électrodes.
En utilisant l'expression " réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations " ou de manière équivalente l'expression réactivité sélective aux anions ou aux cations on entend signifier que le textile de charbon actif interagit de manière spécifique avec les ions selon le signe de leur charge.
Cette réactivité sélective du textile de charbon actif vis-à-vis des anions ou des cations correspond de préférence à une adsorption sélective des ions selon le signe de leur charge. Cette adsorption résulte de phénomènes de surface entre le textile de charbon actif et les ions, et peut être une adsorption physique (physisorption), met en jeu des liaisons faibles et n'impliquant aucune modification chimique du textile de charbon actif ou des ions adsorbés, et/ou une adsorption chimique (chimisorption), c'est-à-dire le résultat d'une réaction chimique de type rédox réversible entre les ions et le textile de
8 charbon actif impliquant par exemple la formation d'une liaison chimique entre ces derniers, par exemple une liaison ionique.
Dans un mode de réalisation particulier, le textile de charbon actif présente une adsorption sélective aux anions ou aux cations.
Sans vouloir être liés par une théorie particulière, les inventeurs considèrent que la réactivité sélective du textile de charbon actif utilisé pour former les électrodes permet à
celles-ci de capter sélectivement les ions selon le signe de leur charge, en particulier selon la charge de surface de ces textiles ou de la réactivité redox de leurs groupements de surface, et de produire ainsi une différence de potentiel entre les électrodes, distincte et indépendante de la d.d.p. de membrane. Les électrodes ainsi formées à base de textile de charbon actif ayant une réactivité sélective vis-à-vis des ions sont des électrodes qui ne sont pas purement capacitives : on peut les qualifier d'électrodes pseudo-capacitives.
Selon les inventeurs, cette réactivité sélective des textiles de charbon actif est due à leur chimie de surface, qui résulte de leur méthode de préparation, et en particulier du type de précurseur et de la méthode d'activation utilisés.
Ainsi, un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions est un charbon actif caractérisé de basique.
Le caractère basique du charbon actif peut être associé à une délocalisation des électrons i situés dans les plans basaux. La basicité peut également être associée à la présence de groupements basiques en surface du charbon actif tels que les groupements pyrone, chromène, cétone, pyrrole, pyridine, pyridinium, pyridone, pyridine-N-oxyde, nitro, nitroso et cyano.
Selon ce mode de réalisation, comme illustré dans l'exemple 1, une électrode formée d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions est également le siège d'une réaction d'oxydoréduction avec lesdits anions.
Un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations est un charbon actif caractérisé d'acide, c'est-à-dire porteur de groupements acides en surface.
Les groupements acides présents en surface du charbon actif acide peuvent être les groupements suivants : acide carboxylique, phénol, carbonyle, anhydride, éther, quinone, lactol ou encore lactone.
Selon ce mode de réalisation, comme illustré dans l'exemple 1, une électrode formée d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations est également le siège d'une réaction d'oxydoréduction avec lesdits cations.
Un charbon actif peut bien entendu être porteur à la fois de groupements acides et de groupements basiques. Selon la concentration relative des groupements acides et des groupements basiques, le charbon actif pourra être caractérisé d'acide (lorsque le
Dans un mode de réalisation particulier, le textile de charbon actif présente une adsorption sélective aux anions ou aux cations.
Sans vouloir être liés par une théorie particulière, les inventeurs considèrent que la réactivité sélective du textile de charbon actif utilisé pour former les électrodes permet à
celles-ci de capter sélectivement les ions selon le signe de leur charge, en particulier selon la charge de surface de ces textiles ou de la réactivité redox de leurs groupements de surface, et de produire ainsi une différence de potentiel entre les électrodes, distincte et indépendante de la d.d.p. de membrane. Les électrodes ainsi formées à base de textile de charbon actif ayant une réactivité sélective vis-à-vis des ions sont des électrodes qui ne sont pas purement capacitives : on peut les qualifier d'électrodes pseudo-capacitives.
Selon les inventeurs, cette réactivité sélective des textiles de charbon actif est due à leur chimie de surface, qui résulte de leur méthode de préparation, et en particulier du type de précurseur et de la méthode d'activation utilisés.
Ainsi, un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions est un charbon actif caractérisé de basique.
Le caractère basique du charbon actif peut être associé à une délocalisation des électrons i situés dans les plans basaux. La basicité peut également être associée à la présence de groupements basiques en surface du charbon actif tels que les groupements pyrone, chromène, cétone, pyrrole, pyridine, pyridinium, pyridone, pyridine-N-oxyde, nitro, nitroso et cyano.
Selon ce mode de réalisation, comme illustré dans l'exemple 1, une électrode formée d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions est également le siège d'une réaction d'oxydoréduction avec lesdits anions.
Un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations est un charbon actif caractérisé d'acide, c'est-à-dire porteur de groupements acides en surface.
Les groupements acides présents en surface du charbon actif acide peuvent être les groupements suivants : acide carboxylique, phénol, carbonyle, anhydride, éther, quinone, lactol ou encore lactone.
Selon ce mode de réalisation, comme illustré dans l'exemple 1, une électrode formée d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations est également le siège d'une réaction d'oxydoréduction avec lesdits cations.
Un charbon actif peut bien entendu être porteur à la fois de groupements acides et de groupements basiques. Selon la concentration relative des groupements acides et des groupements basiques, le charbon actif pourra être caractérisé d'acide (lorsque le
9 caractère acide l'emporte sur le caractère basique) ou inversement de basique (lorsque le caractère basique l'emporte sur le caractère acide).
Au sens de l'invention, on entend par d.d.p. d'électrodes la d.d.p.
produite par les électrodes lorsqu'elles sont formées d'un textile de charbon actif présentant une réactivité sélective aux anions ou aux cations.
Les inventeurs ont également montré que le sens de la d.d.p. d'électrodes dépend de la sélectivité de réactivité du textile de charbon actif, et que selon la sélectivité de perméabilité de la membrane, les d.d.p. de membrane et d.d.p. d'électrodes peuvent se cumuler ou se soustraire l'une et l'autre.
En particulier, la d.d.p. d'électrodes et la d.d.p. de membrane sont de même sens et se cumulent lorsque la réactivité du textile de charbon actif et la perméabilité
de la membrane sont de sélectivité opposées, c'est-à-dire que lorsque le textile de charbon actif a une réactivité sélective aux anions tandis que la membrane présente une perméabilité sélective aux cations, ou inversement que le textile de charbon actif a une réactivité sélective aux cations tandis que la membrane présente une perméabilité
sélective aux anions.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier de l'invention, - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux anions, les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations, et - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux cations, les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions.
Ce dernier mode de réalisation de l'invention est particulièrement avantageux, dans la mesure où, comme détaillé dans Kim, et al. 2010. Microfluid. Nanofluid. 9,1215-1224, la puissance électrique maximale générée par un dispositif d'électrolyse inverse tel que celui de l'invention peut être estimée selon la formule : Pmax = V2/4R, avec V
la différence de potentiel existant entre les électrodes et R la résistance du dispositif.
Ainsi, lorsque la d.d.p d'électrodes et la d.d.p. de membrane s'additionnent, la puissance électrique maximale générée est P. = (d.d.p. de membrane + d.d.p.
d'électrodes)2/4R, ce qui signifie que la d.d.p d'électrodes participe à la puissance électrique maximale du dispositif de l'invention à hauteur du carré de la d.d.p. d'électrodes, et que l'utilisation de textiles de charbon actif ayant une réactivité sélective aux ions augmente donc considérablement la P. du dispositif de l'invention.
Dans l'invention, la réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations d'un textile de charbon actif peut être déterminée par évaluation du caractère acide ou basique du textile de charbon actif. Ainsi toute méthode permettant de doser les groupements acides et/ou basiques à la surface du textile de charbon actif peut être utilisée.
Citons à titre d'exemples les techniques suivantes : les dosages acido-basiques, la méthode de Boehm, la détermination du pH de charge nulle, l'infra-rouge à transformée de Fourier (IRTF), la spectroscopie de photons X (XPS) et la détermination de la distribution des pKa.
De manière préférée, la réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations d'un 5 textile de charbon actif peut également être déterminée de de la manière suivante :
i) préparer un dispositif comprenant :
ia) une première électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CA en un soluté,
Au sens de l'invention, on entend par d.d.p. d'électrodes la d.d.p.
produite par les électrodes lorsqu'elles sont formées d'un textile de charbon actif présentant une réactivité sélective aux anions ou aux cations.
Les inventeurs ont également montré que le sens de la d.d.p. d'électrodes dépend de la sélectivité de réactivité du textile de charbon actif, et que selon la sélectivité de perméabilité de la membrane, les d.d.p. de membrane et d.d.p. d'électrodes peuvent se cumuler ou se soustraire l'une et l'autre.
En particulier, la d.d.p. d'électrodes et la d.d.p. de membrane sont de même sens et se cumulent lorsque la réactivité du textile de charbon actif et la perméabilité
de la membrane sont de sélectivité opposées, c'est-à-dire que lorsque le textile de charbon actif a une réactivité sélective aux anions tandis que la membrane présente une perméabilité sélective aux cations, ou inversement que le textile de charbon actif a une réactivité sélective aux cations tandis que la membrane présente une perméabilité
sélective aux anions.
Ainsi, dans un mode de réalisation particulier de l'invention, - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux anions, les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations, et - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux cations, les électrodes sont formées d'un textile de charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions.
Ce dernier mode de réalisation de l'invention est particulièrement avantageux, dans la mesure où, comme détaillé dans Kim, et al. 2010. Microfluid. Nanofluid. 9,1215-1224, la puissance électrique maximale générée par un dispositif d'électrolyse inverse tel que celui de l'invention peut être estimée selon la formule : Pmax = V2/4R, avec V
la différence de potentiel existant entre les électrodes et R la résistance du dispositif.
Ainsi, lorsque la d.d.p d'électrodes et la d.d.p. de membrane s'additionnent, la puissance électrique maximale générée est P. = (d.d.p. de membrane + d.d.p.
d'électrodes)2/4R, ce qui signifie que la d.d.p d'électrodes participe à la puissance électrique maximale du dispositif de l'invention à hauteur du carré de la d.d.p. d'électrodes, et que l'utilisation de textiles de charbon actif ayant une réactivité sélective aux ions augmente donc considérablement la P. du dispositif de l'invention.
Dans l'invention, la réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations d'un textile de charbon actif peut être déterminée par évaluation du caractère acide ou basique du textile de charbon actif. Ainsi toute méthode permettant de doser les groupements acides et/ou basiques à la surface du textile de charbon actif peut être utilisée.
Citons à titre d'exemples les techniques suivantes : les dosages acido-basiques, la méthode de Boehm, la détermination du pH de charge nulle, l'infra-rouge à transformée de Fourier (IRTF), la spectroscopie de photons X (XPS) et la détermination de la distribution des pKa.
De manière préférée, la réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations d'un 5 textile de charbon actif peut également être déterminée de de la manière suivante :
i) préparer un dispositif comprenant :
ia) une première électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CA en un soluté,
10 ib) une deuxième électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, C13 étant supérieure à CA, ic) une membrane perméable aux ions quel que soit le signe de leur charge, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes, ladite membrane comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'ions de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA à travers le ou lesdits canaux, et id) un voltmètre dont la borne négative est connecté sur la deuxième électrode et la borne positive est connectée sur la première électrode ;
ii) faire circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la première électrode et une solution électrolytique de concentration C13 en un soluté
dans la deuxième électrode, CB étant supérieure à CA;
iii) mesurer la différence de potentiel entre les électrodes à l'aide du voltmètre et déterminer la sélectivité du textile de charbon actif comme suit :
- lorsqu'une différence de potentiel positive est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des anions, - lorsqu'une différence de potentiel négative est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des cations.
Membrane Au sens de la présente invention, on entend par membrane un matériau se présentant sous la forme d'une feuille perméable à au moins une partie des ions de la solution électrolytique. L'expression perméabilité sélective aux anions ou au cations signifie quant à elle que la membrane se laisse traverser majoritairement par les anions ou les cations, et inhibe ou retarde fortement le passage des ions de charge opposée.
ii) faire circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la première électrode et une solution électrolytique de concentration C13 en un soluté
dans la deuxième électrode, CB étant supérieure à CA;
iii) mesurer la différence de potentiel entre les électrodes à l'aide du voltmètre et déterminer la sélectivité du textile de charbon actif comme suit :
- lorsqu'une différence de potentiel positive est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des anions, - lorsqu'une différence de potentiel négative est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des cations.
Membrane Au sens de la présente invention, on entend par membrane un matériau se présentant sous la forme d'une feuille perméable à au moins une partie des ions de la solution électrolytique. L'expression perméabilité sélective aux anions ou au cations signifie quant à elle que la membrane se laisse traverser majoritairement par les anions ou les cations, et inhibe ou retarde fortement le passage des ions de charge opposée.
11 Avantageusement, la membrane est également perméable au solvant de la solution électrolytique, de préférence à l'eau.
Il est connu que dans les dispositifs d'électrolyse inverse, la présence d'un gradient de concentration en ions de part et d'autre d'une membrane ayant une perméabilité
sélective aux ions fait naitre une différence de potentiel électrochimique entre les deux faces de la membrane.
Dans l'invention, cette différence de potentiel est appelée différence de potentiel de membrane abrégée d.d.p. de membrane .
Tout type de membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations est compatible avec l'invention.
La membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations peut se présenter sous la forme d'une couche homogène d'un matériau ou bien d'un empilement de plusieurs couches formées de matériaux différents.
Avantageusement, la membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations de l'invention est une membrane échangeuse d'ions, c'est-à-dire une membrane formée d'au moins un matériau minéral ou organique portant des groupes ionogènes, également appelés groupes échangeurs d'ions, qui confèrent à la membrane sa propriété de perméabilité sélective aux ions. Au sens de l'invention, un groupe ionogène est un groupe chimique qui, placé dans un liquide, a la faculté de libérer un ion, appelé
contre-ion, et de fixer un ion de même charge contenu dans ce liquide.
Dans un mode de réalisation, la membrane comprend un polymère organique portant des groupes ionogènes, couramment désigné sous le terme résine échangeuse d'ions . La membrane de l'invention peut ainsi être formée d'une matrice d'un polymère insoluble dans laquelle a été inclus une résine échangeuse d'ions, ou bien d'une matrice d'un polymère insoluble sur lequel ont été greffés des groupes ionogènes.
Dans un mode de réalisation, le polymère insoluble est typiquement une matrice hydrocarbonée avantageusement choisie parmi une matrice polyosidique telle qu'une une matrice de cellulose ou de dextrane, une matrice de polystyrène, une matrice polytétrafluoroéthylène, ou une matrice d'un copolymère tel qu'un copolymère de styrène et de divinylbenzène.
Dans un mode de réalisation, la membrane perméable sélectivement aux cations comporte des groupes échangeurs de cations avantageusement choisis parmi le groupe époxyde, le groupe hydroxyle, le groupe carbonyle, le groupe carboxyle, le groupe sulfonate -S03- , le groupe carboxyalkylate R-002- avec R un alkyle en C1-04 et de préférence en Cl, le groupe aminodiacétate -N(0H2002-)2, le groupe phosphonate P032- ; le groupe amidoxine -C(=NH2)(NOH), le groupe aminophosphonate -CH2-NH-CH2-P032- , le groupe thiol -SH, et leurs mélanges.
Il est connu que dans les dispositifs d'électrolyse inverse, la présence d'un gradient de concentration en ions de part et d'autre d'une membrane ayant une perméabilité
sélective aux ions fait naitre une différence de potentiel électrochimique entre les deux faces de la membrane.
Dans l'invention, cette différence de potentiel est appelée différence de potentiel de membrane abrégée d.d.p. de membrane .
Tout type de membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations est compatible avec l'invention.
La membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations peut se présenter sous la forme d'une couche homogène d'un matériau ou bien d'un empilement de plusieurs couches formées de matériaux différents.
Avantageusement, la membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations de l'invention est une membrane échangeuse d'ions, c'est-à-dire une membrane formée d'au moins un matériau minéral ou organique portant des groupes ionogènes, également appelés groupes échangeurs d'ions, qui confèrent à la membrane sa propriété de perméabilité sélective aux ions. Au sens de l'invention, un groupe ionogène est un groupe chimique qui, placé dans un liquide, a la faculté de libérer un ion, appelé
contre-ion, et de fixer un ion de même charge contenu dans ce liquide.
Dans un mode de réalisation, la membrane comprend un polymère organique portant des groupes ionogènes, couramment désigné sous le terme résine échangeuse d'ions . La membrane de l'invention peut ainsi être formée d'une matrice d'un polymère insoluble dans laquelle a été inclus une résine échangeuse d'ions, ou bien d'une matrice d'un polymère insoluble sur lequel ont été greffés des groupes ionogènes.
Dans un mode de réalisation, le polymère insoluble est typiquement une matrice hydrocarbonée avantageusement choisie parmi une matrice polyosidique telle qu'une une matrice de cellulose ou de dextrane, une matrice de polystyrène, une matrice polytétrafluoroéthylène, ou une matrice d'un copolymère tel qu'un copolymère de styrène et de divinylbenzène.
Dans un mode de réalisation, la membrane perméable sélectivement aux cations comporte des groupes échangeurs de cations avantageusement choisis parmi le groupe époxyde, le groupe hydroxyle, le groupe carbonyle, le groupe carboxyle, le groupe sulfonate -S03- , le groupe carboxyalkylate R-002- avec R un alkyle en C1-04 et de préférence en Cl, le groupe aminodiacétate -N(0H2002-)2, le groupe phosphonate P032- ; le groupe amidoxine -C(=NH2)(NOH), le groupe aminophosphonate -CH2-NH-CH2-P032- , le groupe thiol -SH, et leurs mélanges.
12 Dans un mode de réalisation, la membrane perméable sélectivement aux anions comporte des groupes échangeurs de cations avantageusement choisis parmi le groupe ammonium quaternaire -N(R)3+ avec R un alkyl en C1-04, le groupe ammonium tertiaire -N(H)R)2+ avec R un alkyl en C1-04, de préférence un alkyl en Cl, le groupe diméthylhydroxyéthylammonium -N(C21-140H)CH3)2+, et leurs mélanges.
Avantageusement, l'épaisseur de la membrane est comprise entre 2 pm et 100 pm, de préférence entre 2 pm et 75 pm.
L'épaisseur de la membrane est avantageusement d'au moins 2,5 pm, et est de préférence comprise entre 2,5 pm et 100 pm, de préférence est comprise entre 2,5 pm et 100 pm.
Avantageusement, l'épaisseur totale de la première électrode (40A), de la membrane (50) et de la deuxième électrode (40B) est supérieure à 150 pm, de préférence est supérieure à 200 pm. Cette épaisseur totale est par exemple comprise entre 200 et 10 000 pm, de préférence est comprise entre 1000 et 10 000 pm, de préférence est comprise entre 2000 et 10 000 pm.
La membrane comprend avantageusement des canaux qui relient les deux faces de la membrane. Les canaux peuvent traverser de part en part la membrane ou former un réseau de canaux permettant d'assurer la circulation des ions et/ou du solvant entre les deux faces de la membrane.
Les canaux de la membrane de l'invention ont avantageusement un diamètre moyen compris entre 1 et 500 nm, de préférence entre 1 et 100 nm, de préférence encore entre 2 et 100 nm, de préférence encore entre 10 et 100 nm.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la membrane présente une densité
de canaux par unité de surface de membrane supérieure à 105 canaux par cm2 de membrane, de préférence supérieure à 108 canaux par cm2 de membrane.
Les canaux de la membrane de l'invention peuvent présenter tout type de morphologie, par exemple une morphologie tubulaire, asymétrique de type conique, ou en goulot.
Dans un mode de réalisation particulier, au moins une partie de la surface interne des canaux de la membrane est recouverte de nitrure de bore, d'un composé à base de carbone, de bore et d'azote, ou d'un oxyde de titane, de préférence de dioxyde de titane.
Ces revêtements ont pour effet d'augmenter la charge de surface de la surface interne des canaux et d'améliorer significativement la puissance électrique générée par les dispositifs comprenant de telles membranes nanofluidiques à forte densité de charges de surface, comme détaillé dans les demandes internationales WO
et WO 2017/037213. Dans ce mode de réalisation, les membranes présentent avantageusement des canaux ayant un diamètre moyen compris entre 2 et 100 nm.
Dans un mode de réalisation, la membrane de l'invention est autoportante. Au sens de
Avantageusement, l'épaisseur de la membrane est comprise entre 2 pm et 100 pm, de préférence entre 2 pm et 75 pm.
L'épaisseur de la membrane est avantageusement d'au moins 2,5 pm, et est de préférence comprise entre 2,5 pm et 100 pm, de préférence est comprise entre 2,5 pm et 100 pm.
Avantageusement, l'épaisseur totale de la première électrode (40A), de la membrane (50) et de la deuxième électrode (40B) est supérieure à 150 pm, de préférence est supérieure à 200 pm. Cette épaisseur totale est par exemple comprise entre 200 et 10 000 pm, de préférence est comprise entre 1000 et 10 000 pm, de préférence est comprise entre 2000 et 10 000 pm.
La membrane comprend avantageusement des canaux qui relient les deux faces de la membrane. Les canaux peuvent traverser de part en part la membrane ou former un réseau de canaux permettant d'assurer la circulation des ions et/ou du solvant entre les deux faces de la membrane.
Les canaux de la membrane de l'invention ont avantageusement un diamètre moyen compris entre 1 et 500 nm, de préférence entre 1 et 100 nm, de préférence encore entre 2 et 100 nm, de préférence encore entre 10 et 100 nm.
Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, la membrane présente une densité
de canaux par unité de surface de membrane supérieure à 105 canaux par cm2 de membrane, de préférence supérieure à 108 canaux par cm2 de membrane.
Les canaux de la membrane de l'invention peuvent présenter tout type de morphologie, par exemple une morphologie tubulaire, asymétrique de type conique, ou en goulot.
Dans un mode de réalisation particulier, au moins une partie de la surface interne des canaux de la membrane est recouverte de nitrure de bore, d'un composé à base de carbone, de bore et d'azote, ou d'un oxyde de titane, de préférence de dioxyde de titane.
Ces revêtements ont pour effet d'augmenter la charge de surface de la surface interne des canaux et d'améliorer significativement la puissance électrique générée par les dispositifs comprenant de telles membranes nanofluidiques à forte densité de charges de surface, comme détaillé dans les demandes internationales WO
et WO 2017/037213. Dans ce mode de réalisation, les membranes présentent avantageusement des canaux ayant un diamètre moyen compris entre 2 et 100 nm.
Dans un mode de réalisation, la membrane de l'invention est autoportante. Au sens de
13 la présente invention, on entend par membrane autoportante une membrane qui ne nécessite pas d'être supportée par un ou plusieurs supports rigides (par exemple des feuilles d'un matériau solide poreux) ou déformables (par exemple des feuilles d'un matériau polymère) pour assurer son intégrité mécanique.
Dans un mode de réalisation particulier, la présente invention exclut le mode de réalisation suivant :
- les éléments (a) et (b) sont constitués de charbon actif ;
- l'élément (c) est formé d'un matériau comprenant des nanoparticules lamellaires, de préférence des nanoparticules lamellaires d'un oxyde métallique, d'un dichalcogénure d'un métal de transition tel que le disulfure de molybdène, de carbone, ou un mélange de ceux-ci, de préférence encore des nanoparticules lamellaires d'oxyde de graphène ;
- les éléments (a) et (b) se présentent de part et d'autre de l'élément (c) sans espace entre (a) et (c) et entre (b) et (c).
De préférence, est particulièrement exclu de l'invention ce mode de réalisation particulier où l'ensemble des éléments (a), (b) et (c) présente une épaisseur comprise entre 4 pm et 100 pm.
De préférence, est particulièrement exclu de l'invention ce mode de réalisation particulier où l'élément (c) est formé d'un matériau présentant des pores de diamètre compris entre 1 et 100 nm.
Autres composants du dispositif Lorsqu'on fait circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la porosité de la première électrode (40A) et une solution électrolytique de concentration C13 dans la porosité de la deuxième électrode (40B), C13 étant supérieure à
CA, on fait apparaitre un gradient de concentration entre les deux faces de la membrane (50).
Ce gradient de concentration provoque un flux ionique osmotique entre les deux électrodes.
Dans un mode de réalisation particulier, le gradient de concentration peut être obtenu et/ou modulé par l'intermédiaire d'un gradient de température entre les deux solutions électrolytiques, qui influe sur la solubilité du sel en fonction de la température.
Dans le cadre de la présente invention, le ratio de concentrations Rc désigne le rapport de la concentration de la solution la plus concentrée sur la concentration de la solution la moins concentrée, c'est-à-dire le ratio CB/CA.
De préférence, le ratio de concentration CB/CA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à
109, avantageusement supérieur à 10 et inférieur ou égal à 105.
Dans un mode de réalisation particulier, la présente invention exclut le mode de réalisation suivant :
- les éléments (a) et (b) sont constitués de charbon actif ;
- l'élément (c) est formé d'un matériau comprenant des nanoparticules lamellaires, de préférence des nanoparticules lamellaires d'un oxyde métallique, d'un dichalcogénure d'un métal de transition tel que le disulfure de molybdène, de carbone, ou un mélange de ceux-ci, de préférence encore des nanoparticules lamellaires d'oxyde de graphène ;
- les éléments (a) et (b) se présentent de part et d'autre de l'élément (c) sans espace entre (a) et (c) et entre (b) et (c).
De préférence, est particulièrement exclu de l'invention ce mode de réalisation particulier où l'ensemble des éléments (a), (b) et (c) présente une épaisseur comprise entre 4 pm et 100 pm.
De préférence, est particulièrement exclu de l'invention ce mode de réalisation particulier où l'élément (c) est formé d'un matériau présentant des pores de diamètre compris entre 1 et 100 nm.
Autres composants du dispositif Lorsqu'on fait circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la porosité de la première électrode (40A) et une solution électrolytique de concentration C13 dans la porosité de la deuxième électrode (40B), C13 étant supérieure à
CA, on fait apparaitre un gradient de concentration entre les deux faces de la membrane (50).
Ce gradient de concentration provoque un flux ionique osmotique entre les deux électrodes.
Dans un mode de réalisation particulier, le gradient de concentration peut être obtenu et/ou modulé par l'intermédiaire d'un gradient de température entre les deux solutions électrolytiques, qui influe sur la solubilité du sel en fonction de la température.
Dans le cadre de la présente invention, le ratio de concentrations Rc désigne le rapport de la concentration de la solution la plus concentrée sur la concentration de la solution la moins concentrée, c'est-à-dire le ratio CB/CA.
De préférence, le ratio de concentration CB/CA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à
109, avantageusement supérieur à 10 et inférieur ou égal à 105.
14 Le ratio de concentration CB/CA est par exemple compris entre 1 et 1000, de préférence entre 1 et 100, de préférence encore entre 2 et 100.
Les solutions électrolytiques sont des solutions aqueuses comprenant des électrolytes.
Les électrolytes pourront être de toute nature chimique dans la mesure où ils se dissolvent dans la solution sous forme d'ions. Préférentiellement, ces ions proviennent de sels dissous tels que LiCI, NaCI, KCI, CaCl2 et MgCl2. Les solutions électrolytiques peuvent être :
- des solutions synthétiques ;
- des solutions naturelles, telles que des eaux douces provenant des lacs ou des rivières, des eaux sous-terraines, des eaux saumâtres, de l'eau de mer;
- des eaux de production industrielle, des eaux de production pétrolière ou des solutions biologiques.
Les solutions proviennent avantageusement de réservoirs 10A et 10B, chaque réservoir pouvant être tout dispositif ou environnement naturel, ouvert ou fermé, pouvant contenir un liquide.
Les électrodes formées d'un textile de charbon sont reliées ensemble à un dispositif (80) permettant de récolter, c'est à-dire de faire circuler et de capter l'énergie électrique spontanément générée par le différentiel de potentiel existant entre elles. Ce dispositif (80) forme un circuit électrique extérieur comprenant avantageusement un câble électrique, une batterie, une ampoule ou toute autre forme de consommateur électrique.
Le textile de charbon actif des première et deuxième électrode sont avantageusement chacune en contact avec un collecteur de courant (60A, 60B), lesquels sont reliés au dispositif (80). Le collecteur de courant est formé d'un matériau très bon conducteur d'électricité, tel qu'un matériau à base de carbone ou de métal.
.. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens pour commuter l'écoulement des solutions électrolytiques de concentration CA et CB, lesquels sont réalisés de telle manière que le dispositif peut être commuté entre un mode dans lequel la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la première électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à
CA, s'écoule .. dans la deuxième électrode, et un mode dans lequel la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la deuxième électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à CA, s'écoule dans la première électrode.
Dans un mode particulier de l'invention, le dispositif peut comprendre N-1 membranes .. (50) disposées entre N électrodes (40), N étant un nombre entier, notamment compris entre 3 et 1000, de préférence compris entre 3 et 250, par exemple compris entre 3 et 100.
Dans ce mode de réalisation du dispositif, les électrodes et les membranes sont tels que définis ci-dessus, et le dispositif peut également N collecteurs de courant (60) et avantageusement N-1 dispositifs (80) permettant de faire circuler et de capter l'énergie électrique, lesdits dispositifs (80) étant préférentiellement connectés entres eux en série.
5 Dans ce mode de réalisation, le dispositif est donc constitué d'une alternance d'électrodes dans lesquelles on fait circuler alternativement une solution électrolytique concentrée et une solution électrolytique moins concentrée, séparées par des membranes.
10 Procédé de production d'énergie électrique Un deuxième objet de l'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique utilisant un dispositif conforme au premier objet de l'invention comprenant les étapes suivantes :
i) alimenter la première électrode (40A) en une solution électrolytique (20A) de
Les solutions électrolytiques sont des solutions aqueuses comprenant des électrolytes.
Les électrolytes pourront être de toute nature chimique dans la mesure où ils se dissolvent dans la solution sous forme d'ions. Préférentiellement, ces ions proviennent de sels dissous tels que LiCI, NaCI, KCI, CaCl2 et MgCl2. Les solutions électrolytiques peuvent être :
- des solutions synthétiques ;
- des solutions naturelles, telles que des eaux douces provenant des lacs ou des rivières, des eaux sous-terraines, des eaux saumâtres, de l'eau de mer;
- des eaux de production industrielle, des eaux de production pétrolière ou des solutions biologiques.
Les solutions proviennent avantageusement de réservoirs 10A et 10B, chaque réservoir pouvant être tout dispositif ou environnement naturel, ouvert ou fermé, pouvant contenir un liquide.
Les électrodes formées d'un textile de charbon sont reliées ensemble à un dispositif (80) permettant de récolter, c'est à-dire de faire circuler et de capter l'énergie électrique spontanément générée par le différentiel de potentiel existant entre elles. Ce dispositif (80) forme un circuit électrique extérieur comprenant avantageusement un câble électrique, une batterie, une ampoule ou toute autre forme de consommateur électrique.
Le textile de charbon actif des première et deuxième électrode sont avantageusement chacune en contact avec un collecteur de courant (60A, 60B), lesquels sont reliés au dispositif (80). Le collecteur de courant est formé d'un matériau très bon conducteur d'électricité, tel qu'un matériau à base de carbone ou de métal.
.. Avantageusement, le dispositif comprend des moyens pour commuter l'écoulement des solutions électrolytiques de concentration CA et CB, lesquels sont réalisés de telle manière que le dispositif peut être commuté entre un mode dans lequel la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la première électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à
CA, s'écoule .. dans la deuxième électrode, et un mode dans lequel la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la deuxième électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à CA, s'écoule dans la première électrode.
Dans un mode particulier de l'invention, le dispositif peut comprendre N-1 membranes .. (50) disposées entre N électrodes (40), N étant un nombre entier, notamment compris entre 3 et 1000, de préférence compris entre 3 et 250, par exemple compris entre 3 et 100.
Dans ce mode de réalisation du dispositif, les électrodes et les membranes sont tels que définis ci-dessus, et le dispositif peut également N collecteurs de courant (60) et avantageusement N-1 dispositifs (80) permettant de faire circuler et de capter l'énergie électrique, lesdits dispositifs (80) étant préférentiellement connectés entres eux en série.
5 Dans ce mode de réalisation, le dispositif est donc constitué d'une alternance d'électrodes dans lesquelles on fait circuler alternativement une solution électrolytique concentrée et une solution électrolytique moins concentrée, séparées par des membranes.
10 Procédé de production d'énergie électrique Un deuxième objet de l'invention concerne un procédé de production d'énergie électrique utilisant un dispositif conforme au premier objet de l'invention comprenant les étapes suivantes :
i) alimenter la première électrode (40A) en une solution électrolytique (20A) de
15 concentration CA en soluté, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la première électrode ;
ii) alimenter la seconde électrode (40B) en une solution électrolytique (20B) de concentration C13 en un même soluté, CB étant supérieure à CA, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la seconde électrode ;
iii) laisser diffuser les électrolytes de la première électrode vers la seconde électrode à travers la membrane (50) ;
iv) capter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, à l'aide du dispositif (80).
Les étapes i) et ii) sont préférentiellement mises en oeuvre en fournissant la solution électrolytique de concentration CA et la solution électrolytique de concentration C13 sous forme d'un écoulement continu.
Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape vi) consistant à
commuter l'alimentation des solutions électrolytiques de concentration CA et CB, de sorte à ce que la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la seconde électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à CA, s'écoule dans la première électrode, et une étape v2) consistant à
commuter à
nouveau l'alimentation en sens inverse. Cette commutation a pour objectif de charger puis de décharger alternativement la surface réactive des électrodes, et de créer ainsi un courant alternatif de manière continue.
.. Ces différentes étapes seront facilement réalisables par l'homme du métier, en utilisant ses connaissances générales.
ii) alimenter la seconde électrode (40B) en une solution électrolytique (20B) de concentration C13 en un même soluté, CB étant supérieure à CA, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la seconde électrode ;
iii) laisser diffuser les électrolytes de la première électrode vers la seconde électrode à travers la membrane (50) ;
iv) capter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, à l'aide du dispositif (80).
Les étapes i) et ii) sont préférentiellement mises en oeuvre en fournissant la solution électrolytique de concentration CA et la solution électrolytique de concentration C13 sous forme d'un écoulement continu.
Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape vi) consistant à
commuter l'alimentation des solutions électrolytiques de concentration CA et CB, de sorte à ce que la solution électrolytique de concentration CA en un soluté s'écoule dans la seconde électrode et la solution électrolytique de concentration C13 en un soluté, avec CB supérieur à CA, s'écoule dans la première électrode, et une étape v2) consistant à
commuter à
nouveau l'alimentation en sens inverse. Cette commutation a pour objectif de charger puis de décharger alternativement la surface réactive des électrodes, et de créer ainsi un courant alternatif de manière continue.
.. Ces différentes étapes seront facilement réalisables par l'homme du métier, en utilisant ses connaissances générales.
16 De manière préférée, lesdites solutions électrolytiques sont des solutions aqueuses comprenant un soluté choisi parmi les halogénures alcalins ou les halogénures alcalino-terreux, de préférence choisi parmi LiCI, NaCI, KCI, CaCl2 et MgCl2.
De préférences, le soluté des solutions électrolytiques est le NaCI.
Pour améliorer le flux osmotique généré de part et d'autre de la membrane selon l'invention le pH des solutions peut être ajusté en fonction du point isoélectrique du ou des matériaux constituant la membrane.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par pHiso, le pH du point isoélectrique du ou des matériaux constituant la membrane. Le pH,s0 se mesure par des méthodes connues de l'homme du métier, notamment par la méthode de titration potentiométrique acide/base Plus favorablement encore, pour accroître l'asymétrie du dispositif et amplifier la quantité
d'énergie électrique produite par le dispositif, un gradient de pH pourra également être établi entre les deux réservoirs, la différence de pH entre les deux solutions sera supérieure à 1, préférentiellement supérieure à 2.
Avantageusement, le ratio de concentration CB/CA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à 109, de préférence supérieur à 1 et inférieur ou égal à 105.
DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif de production d'énergie électrique selon la présente invention, connecté à deux réservoirs 10A et 10B.
Le réservoir A contient une solution électrolytique de concentration CA en un soluté 20A
et le réservoir 10B contient une solution électrolytique C13 en un même soluté
20B.
Les solutions de concentration CA et CB sont conduites dans des entrées du dispositif 30A et 30B. Les solutions électrolytiques 20A et 20B circulent respectivement à travers la porosité de la première électrode d'un textile de charbon actif 40A et de la deuxième électrode d'un textile de charbon actif 40B, entre lesquelles est disposée une membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations (50). Dans le cadre de l'invention, la membrane (50) contient des canaux non représentés permettant la diffusion sélective des anions ou des cations contenus dans les solutions électrolytiques 20A et 20B selon le gradient de concentration s'exerçant de part et d'autre de la membrane (50).
Dans l'exemple illustré, la solution électrolytique 10A entrant dans la porosité de l'électrode 20A présente une concentration CA inférieure à la concentration du C13 de la solution électrolytique 10B entrant dans la porosité de l'électrode 20B. Selon la sélectivité de la membrane, des anions ou de cations de la solution électrolytique 20B
traversent la membrane vers la solution électrolytique 20A.
De préférences, le soluté des solutions électrolytiques est le NaCI.
Pour améliorer le flux osmotique généré de part et d'autre de la membrane selon l'invention le pH des solutions peut être ajusté en fonction du point isoélectrique du ou des matériaux constituant la membrane.
Dans le cadre de la présente invention, on entend par pHiso, le pH du point isoélectrique du ou des matériaux constituant la membrane. Le pH,s0 se mesure par des méthodes connues de l'homme du métier, notamment par la méthode de titration potentiométrique acide/base Plus favorablement encore, pour accroître l'asymétrie du dispositif et amplifier la quantité
d'énergie électrique produite par le dispositif, un gradient de pH pourra également être établi entre les deux réservoirs, la différence de pH entre les deux solutions sera supérieure à 1, préférentiellement supérieure à 2.
Avantageusement, le ratio de concentration CB/CA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à 109, de préférence supérieur à 1 et inférieur ou égal à 105.
DESCRIPTION DES FIGURES
La Figure 1 représente schématiquement un exemple de dispositif de production d'énergie électrique selon la présente invention, connecté à deux réservoirs 10A et 10B.
Le réservoir A contient une solution électrolytique de concentration CA en un soluté 20A
et le réservoir 10B contient une solution électrolytique C13 en un même soluté
20B.
Les solutions de concentration CA et CB sont conduites dans des entrées du dispositif 30A et 30B. Les solutions électrolytiques 20A et 20B circulent respectivement à travers la porosité de la première électrode d'un textile de charbon actif 40A et de la deuxième électrode d'un textile de charbon actif 40B, entre lesquelles est disposée une membrane perméable sélectivement aux anions ou aux cations (50). Dans le cadre de l'invention, la membrane (50) contient des canaux non représentés permettant la diffusion sélective des anions ou des cations contenus dans les solutions électrolytiques 20A et 20B selon le gradient de concentration s'exerçant de part et d'autre de la membrane (50).
Dans l'exemple illustré, la solution électrolytique 10A entrant dans la porosité de l'électrode 20A présente une concentration CA inférieure à la concentration du C13 de la solution électrolytique 10B entrant dans la porosité de l'électrode 20B. Selon la sélectivité de la membrane, des anions ou de cations de la solution électrolytique 20B
traversent la membrane vers la solution électrolytique 20A.
17 Les deux électrodes 40A et 40B sont reliées à un circuit électrique extérieur permettant de faire circuler un courant électrique entre les électrodes 40A et 40B par l'intermédiaire de collecteurs de courant 60A et 60B, le circuit électrique extérieur comprenant un dispositif 80 tel qu'une ampoule, une batterie ou tout autre consommateur électrique captant l'énergie électrique générée par le dispositif de l'invention.
La Figure 2 représente schématiquement un dispositif expérimental mettant en évidence la génération d'une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p.
de membrane. Une membrane perméable aux ions quelle que soit le signe de leur charge est disposée entre des électrodes formées d'un même textile de charbon actif de type A, c'est-à-dire un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions. Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration Cg.
Les solutions électrolytiques de concentration CA et CB, CB étant supérieure à
CA sont des solutions de chlorure de sodium. Le sens du courant et du potentiel observé ne peut s'expliquer que par une réaction sélective du textile de charbon actif pour les anions, dans cet exemple le chlore.
La Figure 3 représente schématiquement un dispositif expérimental mettant en évidence la génération d'une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p.
de membrane. Une membrane perméable aux ions quelle que soit le signe de leur charge est disposée entre des électrodes formées d'un même textile de charbon actif de type B, c'est-à-dire un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations.
Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration Cg. Les solutions électrolytiques de concentration CA et CB, avec CB supérieure à CA sont des solutions de chlorure de sodium. Le sens du courant et du potentiel observé ne peut s'expliquer que par une réaction sélective du textile de charbon actif pour les cations, dans cet exemple le sodium.
EXEMPLES
La présente invention se comprendra mieux à la lecture des exemples suivants qui illustrent non-limitativement l'invention.
Matériel et matières premières Les matières premières utilisées dans les exemples sont listées ci-après :
La Figure 2 représente schématiquement un dispositif expérimental mettant en évidence la génération d'une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p.
de membrane. Une membrane perméable aux ions quelle que soit le signe de leur charge est disposée entre des électrodes formées d'un même textile de charbon actif de type A, c'est-à-dire un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions. Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration Cg.
Les solutions électrolytiques de concentration CA et CB, CB étant supérieure à
CA sont des solutions de chlorure de sodium. Le sens du courant et du potentiel observé ne peut s'expliquer que par une réaction sélective du textile de charbon actif pour les anions, dans cet exemple le chlore.
La Figure 3 représente schématiquement un dispositif expérimental mettant en évidence la génération d'une d.d.p. d'électrodes indépendante et distincte de la d.d.p.
de membrane. Une membrane perméable aux ions quelle que soit le signe de leur charge est disposée entre des électrodes formées d'un même textile de charbon actif de type B, c'est-à-dire un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations.
Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration Cg. Les solutions électrolytiques de concentration CA et CB, avec CB supérieure à CA sont des solutions de chlorure de sodium. Le sens du courant et du potentiel observé ne peut s'expliquer que par une réaction sélective du textile de charbon actif pour les cations, dans cet exemple le sodium.
EXEMPLES
La présente invention se comprendra mieux à la lecture des exemples suivants qui illustrent non-limitativement l'invention.
Matériel et matières premières Les matières premières utilisées dans les exemples sont listées ci-après :
18 Membranes :
- Membrane échangeuse de cations commercialisée par Fumasep sous la référence FKS, ci-après désignée MEC ;
- Membrane échangeuse d'anions commercialisée par Fumasep sous la référence FAS, ci-après désignée MEA ;
- Membrane perméable aux ions quel que soit le signe de leur charge (membrane non sélective) de type Track Etched Membrane présentant environ 6.108 canaux par cm2 de membrane commercialisée par la société Millipore, ci-après désignée MNS
.
Electrodes :
- Feutre de graphite commercialisé par la société CETEC sous la référence GF 020, ci-après désignée GF ;
- Tissu de charbon actif commercialisé par la société Kynol sous la référence ACC 5092 20, ci-après désignée A ;
- Feutre de charbon actif commercialisé par la société SIGRACELL sous la référence GFA5, ci-après désignée B ;
Solutions Des solutions de concentration CA=0.01 M et CB=1 M de chlorure de sodium NaCI
sont préparées.
Exemple 1 : Préparation de dispositifs D1, D2, D3 et D4 conformes à
l'invention et comparaison avec des dispositifs D1', D2', D3', D4', D5' non conformes à
l'invention.
Les essais ont été réalisés avec un dispositif comprenant deux électrodes d'un textile de graphite ou de charbon actif plaquées de part et d'autre d'une membrane, les électrodes étant respectivement traversées par des solutions de concentration CA et CB en chlorure de sodium (NaCI).
Selon les expériences, les électrodes sont des électrodes GF, A ou B séparées par une membrane MEC, MEA ou MNS.
Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration C13.
- Membrane échangeuse de cations commercialisée par Fumasep sous la référence FKS, ci-après désignée MEC ;
- Membrane échangeuse d'anions commercialisée par Fumasep sous la référence FAS, ci-après désignée MEA ;
- Membrane perméable aux ions quel que soit le signe de leur charge (membrane non sélective) de type Track Etched Membrane présentant environ 6.108 canaux par cm2 de membrane commercialisée par la société Millipore, ci-après désignée MNS
.
Electrodes :
- Feutre de graphite commercialisé par la société CETEC sous la référence GF 020, ci-après désignée GF ;
- Tissu de charbon actif commercialisé par la société Kynol sous la référence ACC 5092 20, ci-après désignée A ;
- Feutre de charbon actif commercialisé par la société SIGRACELL sous la référence GFA5, ci-après désignée B ;
Solutions Des solutions de concentration CA=0.01 M et CB=1 M de chlorure de sodium NaCI
sont préparées.
Exemple 1 : Préparation de dispositifs D1, D2, D3 et D4 conformes à
l'invention et comparaison avec des dispositifs D1', D2', D3', D4', D5' non conformes à
l'invention.
Les essais ont été réalisés avec un dispositif comprenant deux électrodes d'un textile de graphite ou de charbon actif plaquées de part et d'autre d'une membrane, les électrodes étant respectivement traversées par des solutions de concentration CA et CB en chlorure de sodium (NaCI).
Selon les expériences, les électrodes sont des électrodes GF, A ou B séparées par une membrane MEC, MEA ou MNS.
Les électrodes sont connectées par un circuit électrique extérieur comprenant un voltmètre dont la borne positive est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration CA et la borne négative est connectée sur l'électrode dans laquelle circule la solution de concentration C13.
19 Les mesures sont réalisées avec un dispositif comprenant une membrane ayant une surface de 5 cm2.
Les résultats sont présentés en Tableau 1.
AV Rs Pmax CA Cg Membrane Electrodes I (mA) (mV) (Ohm.cm2) (W/m2) D1' 0,01 1 MEC GF 105,00 74,00 7,095 .. 3,89 D2' 0,01 1 MEA GF -103,00 -72,00 7,153 .. 3,71 D1 0,01 1 MEC A 162,00 117,00 6,923 .. 9,48 D2 0,01 1 MEA A -46,00 -32,00 7,188 0,74 D3 0,01 1 MEC B 32,00 22,00 7,273 .. 0,35 D4 0,01 1 MEA B -180,00 -128,00 7,031 11,52 D3' 0,01 1 MNS GF 0,00 0,00 0,00 0,00 D4' 0,01 1 MNS A 59,00 16,00 18,438 0,47 D5' 0,01 1 MNS B -75,00 -19,00 19,737 0,71 avec :
- CA et C13 les concentrations de NaCI exprimés en mol/L ;
- AV le potentiel mesuré par le voltmètre lorsque le circuit extérieur est ouvert ;
- I le courant est mesuré par un ampèremètre à la fermeture du circuit extérieur ;
- Rs, la résistance surfacique du dispositif est calculé par la loi d'Ohm : Rs = U/I.S ;
- Pmax = V2/4R
Lecture des résultats des dispositifs D1' et D2' Le Tableau 1 montre qu'en utilisant du graphite pour la préparation des électrodes, les puissances électriques générées par les dispositifs D1' et D2' sont similaires que la membrane soit anionique ou cationique. Lorsqu'ils sont lus en combinaison avec les résultats du dispositif D3', les résultats des dispositifs D1' et D2' montrent que, comme attendu, les électrodes à base de graphite sont purement capacitives, les d.d.p mesurées correspondant aux d.d.p de la membrane MEC (D1') ou MEA (D2').
Lecture des résultats des dispositifs D1, D2, D3 et D4 En revanche, la comparaison des résultats obtenus avec les dispositifs D1, D2, D3 et D4 montrent que lorsqu'on utilise du charbon actif pour la préparation des électrodes, les puissances électriques générées diffèrent selon le type de textile de charbon actif (A
ou B) et de la perméabilité sélective de la membrane aux anions (MEA) ou aux cations (MEC).
En particulier, les résultats montrent que les puissances les plus élevées sont obtenues avec les dispositifs Dl et D4, c'est-à-dire en combinant des électrodes charbon actif de type A (ayant une réactivité sélective aux anions) avec une membrane MEC, ou des électrodes de charbon actif de type B (ayant une réactivité sélective aux cations) avec 5 une membrane MEA.
Lecture des résultats des dispositifs D3', D4', et D5' Les résultats obtenus avec le dispositif D3', qui comprend une membrane non sélective et des électrodes de graphite montrent que, comme attendu dans un système purement capacitif, les électrodes à base de graphite ne génèrent aucune différence de potentiel.
10 Au contraire, les résultats obtenus avec les dispositifs D4' et D5' comprenant une membrane non sélective et respectivement des électrodes de charbon actif de type A ou B montrent que, de manière étonnante, les électrodes de charbon actif peuvent produire une différence de potentiel positif ou négatif selon le type de charbon actif utilisé.
En outre, le sens du courant et du potentiel observés avec le dispositif D4' peuvent 15 s'expliquer par une réaction sélective de l'électrode en textile de charbon actif de type A
avec le chlore, les réactions à la cathode et à l'anode pouvant être formalisées comme suit :
Réaction cathodique : Réaction anodique :
(Electrode + + CI-)sohde + + Na+(ac) (Electrode - e-) solide + C1-(aq) Na+(aq) (Electrode)solide C1-(aq) Na+(aq) (Electrode + + Cl-) solide - Na+(eq) De la même manière le sens du courant et du potentiel observés avec le dispositif D5'
Les résultats sont présentés en Tableau 1.
AV Rs Pmax CA Cg Membrane Electrodes I (mA) (mV) (Ohm.cm2) (W/m2) D1' 0,01 1 MEC GF 105,00 74,00 7,095 .. 3,89 D2' 0,01 1 MEA GF -103,00 -72,00 7,153 .. 3,71 D1 0,01 1 MEC A 162,00 117,00 6,923 .. 9,48 D2 0,01 1 MEA A -46,00 -32,00 7,188 0,74 D3 0,01 1 MEC B 32,00 22,00 7,273 .. 0,35 D4 0,01 1 MEA B -180,00 -128,00 7,031 11,52 D3' 0,01 1 MNS GF 0,00 0,00 0,00 0,00 D4' 0,01 1 MNS A 59,00 16,00 18,438 0,47 D5' 0,01 1 MNS B -75,00 -19,00 19,737 0,71 avec :
- CA et C13 les concentrations de NaCI exprimés en mol/L ;
- AV le potentiel mesuré par le voltmètre lorsque le circuit extérieur est ouvert ;
- I le courant est mesuré par un ampèremètre à la fermeture du circuit extérieur ;
- Rs, la résistance surfacique du dispositif est calculé par la loi d'Ohm : Rs = U/I.S ;
- Pmax = V2/4R
Lecture des résultats des dispositifs D1' et D2' Le Tableau 1 montre qu'en utilisant du graphite pour la préparation des électrodes, les puissances électriques générées par les dispositifs D1' et D2' sont similaires que la membrane soit anionique ou cationique. Lorsqu'ils sont lus en combinaison avec les résultats du dispositif D3', les résultats des dispositifs D1' et D2' montrent que, comme attendu, les électrodes à base de graphite sont purement capacitives, les d.d.p mesurées correspondant aux d.d.p de la membrane MEC (D1') ou MEA (D2').
Lecture des résultats des dispositifs D1, D2, D3 et D4 En revanche, la comparaison des résultats obtenus avec les dispositifs D1, D2, D3 et D4 montrent que lorsqu'on utilise du charbon actif pour la préparation des électrodes, les puissances électriques générées diffèrent selon le type de textile de charbon actif (A
ou B) et de la perméabilité sélective de la membrane aux anions (MEA) ou aux cations (MEC).
En particulier, les résultats montrent que les puissances les plus élevées sont obtenues avec les dispositifs Dl et D4, c'est-à-dire en combinant des électrodes charbon actif de type A (ayant une réactivité sélective aux anions) avec une membrane MEC, ou des électrodes de charbon actif de type B (ayant une réactivité sélective aux cations) avec 5 une membrane MEA.
Lecture des résultats des dispositifs D3', D4', et D5' Les résultats obtenus avec le dispositif D3', qui comprend une membrane non sélective et des électrodes de graphite montrent que, comme attendu dans un système purement capacitif, les électrodes à base de graphite ne génèrent aucune différence de potentiel.
10 Au contraire, les résultats obtenus avec les dispositifs D4' et D5' comprenant une membrane non sélective et respectivement des électrodes de charbon actif de type A ou B montrent que, de manière étonnante, les électrodes de charbon actif peuvent produire une différence de potentiel positif ou négatif selon le type de charbon actif utilisé.
En outre, le sens du courant et du potentiel observés avec le dispositif D4' peuvent 15 s'expliquer par une réaction sélective de l'électrode en textile de charbon actif de type A
avec le chlore, les réactions à la cathode et à l'anode pouvant être formalisées comme suit :
Réaction cathodique : Réaction anodique :
(Electrode + + CI-)sohde + + Na+(ac) (Electrode - e-) solide + C1-(aq) Na+(aq) (Electrode)solide C1-(aq) Na+(aq) (Electrode + + Cl-) solide - Na+(eq) De la même manière le sens du courant et du potentiel observés avec le dispositif D5'
20 peut s'expliquer par une réaction sélective de l'électrode en textile de charbon actif de type B avec le sodium, les réactions à l'anode et à la cathode pouvant être formalisées comme suit :
Réaction anodique : Réaction cathodique :
(Electrode- + Na)sohde + C1-(ac)- (Electrode + solide + Na+(aq) C1-(aq) (Electrode)solide Na+(aq) C1-(aq) (Electrode- + Na) solide - CI-(eq) Exemple 2 : Effet de la configuration de la circulation des fluides sur la résistance totale du dispositif.
Dans cet Exemple, on montre que faire circuler les fluides dans la porosité
d'électrodes disposées en contact de la membrane, comme c'est le cas des dispositifs de l'Exemple 1, a pour effet d'obtenir des dispositifs présentant une résistance plus faible
Réaction anodique : Réaction cathodique :
(Electrode- + Na)sohde + C1-(ac)- (Electrode + solide + Na+(aq) C1-(aq) (Electrode)solide Na+(aq) C1-(aq) (Electrode- + Na) solide - CI-(eq) Exemple 2 : Effet de la configuration de la circulation des fluides sur la résistance totale du dispositif.
Dans cet Exemple, on montre que faire circuler les fluides dans la porosité
d'électrodes disposées en contact de la membrane, comme c'est le cas des dispositifs de l'Exemple 1, a pour effet d'obtenir des dispositifs présentant une résistance plus faible
21 que celle des dispositifs RED de l'art antérieur, dans lesquels ont fait circuler les solutions électrolytiques dans des espaces intermembranaires de plusieurs centaines de micromètres d'épaisseur.
Comme l'illustre la Figure 1, le dispositif de l'invention est configuré de telle sorte que les ions passant à travers la membrane sélective aux ions de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA (avec CB
supérieur à CA) rencontrent immédiatement la première électrode dans lequel circule la solution électrolytique de concentration CA.
Par contraste, et comme mentionné ci-dessus, dans les dispositifs RED de l'art antérieur, les solutions électrolytiques circulent dans des espaces intermembranaires, et l'épaisseurs de ces solutions constitue des résistances à la circulation des ions, dites résistances de Bulk. En particulier, les solutions électrolytiques de faible concentration en soluté présentent une faible conductivité ionique et donc une résistance de bulk importante.
La résistance des dispositifs RED de l'art antérieur peut être modélisée comme étant composée de 5 résistances en série qui s'additionnent selon la formule :
RTotale = Rmelc + RbulkCA + RM+ RbulkCB + Rmelc avec - Rmelc la résistance du matériau composant l'électrode, - RbulkCA la résistance de la solution électrolytique de concentration CA, - RM la résistance de la membrane, - RbulkCB la résistance de la solution électrolytique de concentration CB, CB étant supérieure à CA.
Les collecteurs étant formés de très bons conducteurs, leur participation à la résistance surfacique des dispositifs RED de l'art antérieur est ici négligée.
On considère une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI, ce qui correspond à une solution électrolytique de concentration CA de l'Exemple 1.
La conductivité ionique G d'une telle solution est de 0,126 S/m.
On considère que dans le dispositif RED de l'art antérieur, la solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI circule dans un espace intermembranaire de 2mm d'épaisseur. Une telle épaisseur correspond typiquement à celle du textile de graphite GF utilisé dans les dispositifs D1' et D2' de l'Exemple 1.
La conductance G d'une portion de solution de surface S et d'épaisseur L est donnée par la formule : G = G . SIL. Or la résistance R est l'inverse de la conductance G, c'est-à-dire R = 1/G, d'où il vient que R.S = Ucy.
Ainsi, si on considère une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI
circulant dans un espace intermembranaire de 2 mm d'épaisseur, on peut calculer que pour une
Comme l'illustre la Figure 1, le dispositif de l'invention est configuré de telle sorte que les ions passant à travers la membrane sélective aux ions de la solution électrolytique de concentration CB vers la solution électrolytique de concentration CA (avec CB
supérieur à CA) rencontrent immédiatement la première électrode dans lequel circule la solution électrolytique de concentration CA.
Par contraste, et comme mentionné ci-dessus, dans les dispositifs RED de l'art antérieur, les solutions électrolytiques circulent dans des espaces intermembranaires, et l'épaisseurs de ces solutions constitue des résistances à la circulation des ions, dites résistances de Bulk. En particulier, les solutions électrolytiques de faible concentration en soluté présentent une faible conductivité ionique et donc une résistance de bulk importante.
La résistance des dispositifs RED de l'art antérieur peut être modélisée comme étant composée de 5 résistances en série qui s'additionnent selon la formule :
RTotale = Rmelc + RbulkCA + RM+ RbulkCB + Rmelc avec - Rmelc la résistance du matériau composant l'électrode, - RbulkCA la résistance de la solution électrolytique de concentration CA, - RM la résistance de la membrane, - RbulkCB la résistance de la solution électrolytique de concentration CB, CB étant supérieure à CA.
Les collecteurs étant formés de très bons conducteurs, leur participation à la résistance surfacique des dispositifs RED de l'art antérieur est ici négligée.
On considère une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI, ce qui correspond à une solution électrolytique de concentration CA de l'Exemple 1.
La conductivité ionique G d'une telle solution est de 0,126 S/m.
On considère que dans le dispositif RED de l'art antérieur, la solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI circule dans un espace intermembranaire de 2mm d'épaisseur. Une telle épaisseur correspond typiquement à celle du textile de graphite GF utilisé dans les dispositifs D1' et D2' de l'Exemple 1.
La conductance G d'une portion de solution de surface S et d'épaisseur L est donnée par la formule : G = G . SIL. Or la résistance R est l'inverse de la conductance G, c'est-à-dire R = 1/G, d'où il vient que R.S = Ucy.
Ainsi, si on considère une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI
circulant dans un espace intermembranaire de 2 mm d'épaisseur, on peut calculer que pour une
22 portion de solution de 1 crn2 de surface et de 2 mm d'épaisseur, la résistance est de 158 Ohm. Autrement dit, la résistance surfacique d'une couche de 2 mm de solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI circulant dans les espaces intermembranaires des dispositifs de l'art antérieur est de 158 Ohm.cm2.
Ainsi, la résistance de bulk associée à l'épaisseur d'une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI circulant dans les espaces intermembranaires d'un dispositif RED de l'art antérieur constitue à elle seule une résistance plus de 20 fois supérieure à la résistance surfacique totale observée dans les dispositifs de l'Exemple 1, notamment les dispositifs D1' et D2'. Faire circuler le fluide dans la porosité des électrodes diminue donc significativement la résistance du système.
Ainsi, la résistance de bulk associée à l'épaisseur d'une solution électrolytique comprenant 0,01 M de NaCI circulant dans les espaces intermembranaires d'un dispositif RED de l'art antérieur constitue à elle seule une résistance plus de 20 fois supérieure à la résistance surfacique totale observée dans les dispositifs de l'Exemple 1, notamment les dispositifs D1' et D2'. Faire circuler le fluide dans la porosité des électrodes diminue donc significativement la résistance du système.
Claims (10)
1. Dispositif pour la production d'énergie électrique comprenant :
a) une première électrode (40A) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20A) de concentration CA en un soluté ;
b) une deuxième électrode (40B) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20B) de concentration Cg en un soluté, Cg étant supérieure à CA ;
c) une membrane (50) ayant une perméabilité sélective aux anions ou aux cations, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes et comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration Cg vers la solution électrolytique de concentration CA à travers le ou lesdits canaux ; et d) un dispositif (80) permettant de récolter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, dans lequel les deux électrodes (40A, 40B) sont formées d'un textile de charbon actif.
a) une première électrode (40A) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20A) de concentration CA en un soluté ;
b) une deuxième électrode (40B) ayant une porosité permettant l'écoulement d'une solution électrolytique (20B) de concentration Cg en un soluté, Cg étant supérieure à CA ;
c) une membrane (50) ayant une perméabilité sélective aux anions ou aux cations, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes et comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration Cg vers la solution électrolytique de concentration CA à travers le ou lesdits canaux ; et d) un dispositif (80) permettant de récolter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, dans lequel les deux électrodes (40A, 40B) sont formées d'un textile de charbon actif.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le textile de charbon actif a une épaisseur inférieure à 5000 pm.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le textile de charbon actif présente une surface spécifique SBET d'au moins 500 m2/g.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'épaisseur de la membrane (50) est comprise entre 2 pm et 100 pm, de préférence entre 2 pm et 75 pm.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le textile de charbon actif présente une réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations.
6. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel :
- lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux anions, les électrodes sont formées d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations, et - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux cations, les électrodes sont formées d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions.
- lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux anions, les électrodes sont formées d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux cations, et - lorsque la membrane a une perméabilité sélective aux cations, les électrodes sont formées d'un charbon actif ayant une réactivité sélective aux anions.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la réactivité sélective vis-à-vis des anions ou des cations du textile de charbon actif est déterminée de la manière suivante :
i) préparer un dispositif comprenant :
ia) une première électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité
permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CA en un soluté, ib) une deuxième électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité
permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration Cg en un soluté, Cg étant supérieure à CA, ic) une membrane perméable aux ions quel que soit le signe de leur charge, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes, ladite membrane comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration Cg vers la solution électrolytique de concentration CA à
travers le ou lesdits canaux, et id) un voltmètre dont la borne négative est connecté sur la deuxième électrode et la borne positive est connectée sur la première électrode ;
ii) faire circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la première électrode et une solution électrolytique de concentration Cg en un soluté
dans la deuxième électrode, CB étant supérieure à CA ;
iii) mesurer la différence de potentiel entre les électrodes à l'aide du voltmètre et déterminer la sélectivité du textile de charbon actif comme suit :
- lorsqu'une différence de potentiel positive est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des anions, - lorsqu'une différence de potentiel négative est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des cations.
i) préparer un dispositif comprenant :
ia) une première électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité
permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration CA en un soluté, ib) une deuxième électrode sous la forme d'un textile de charbon actif ayant une porosité
permettant l'écoulement d'une solution électrolytique de concentration Cg en un soluté, Cg étant supérieure à CA, ic) une membrane perméable aux ions quel que soit le signe de leur charge, ladite membrane étant disposée entre les deux électrodes, ladite membrane comprenant au moins un canal agencé pour permettre la diffusion d'électrolytes de la solution électrolytique de concentration Cg vers la solution électrolytique de concentration CA à
travers le ou lesdits canaux, et id) un voltmètre dont la borne négative est connecté sur la deuxième électrode et la borne positive est connectée sur la première électrode ;
ii) faire circuler une solution électrolytique de concentration CA en un soluté dans la première électrode et une solution électrolytique de concentration Cg en un soluté
dans la deuxième électrode, CB étant supérieure à CA ;
iii) mesurer la différence de potentiel entre les électrodes à l'aide du voltmètre et déterminer la sélectivité du textile de charbon actif comme suit :
- lorsqu'une différence de potentiel positive est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des anions, - lorsqu'une différence de potentiel négative est mesurée, ledit textile est réactif sélectivement vis-à-vis des cations.
8. Procédé de production d'énergie électrique utilisant un dispositif tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes :
i) alimenter la première électrode (40A) en une solution électrolytique (20A) de concentration CA en soluté, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la première électrode ;
ii) alimenter la seconde électrode (40B) en une solution électrolytique (20B) de concentration Cg en un même soluté, CB étant supérieure à CA, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la seconde électrode ;
iii) laisser diffuser les électrolytes de la première électrode vers la seconde électrode à
travers la membrane (50) ;
iv) capter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, à l'aide du dispositif (80).
i) alimenter la première électrode (40A) en une solution électrolytique (20A) de concentration CA en soluté, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la première électrode ;
ii) alimenter la seconde électrode (40B) en une solution électrolytique (20B) de concentration Cg en un même soluté, CB étant supérieure à CA, de manière à ce que ladite solution circule au sein de la seconde électrode ;
iii) laisser diffuser les électrolytes de la première électrode vers la seconde électrode à
travers la membrane (50) ;
iv) capter l'énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, à l'aide du dispositif (80).
9. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites 5 solutions électrolytiques sont des solutions aqueuses comprenant un soluté choisi parmi les halogénures alcalins ou les halogénures alcalino-terreux, de préférence choisi parmi LiCI, NaCI, KCI, CaCl2 et MgCl2, de préférence encore NaCI.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé
en ce que 10 le ratio de concentration CBICA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à
109, de préférence supérieur à 1 et inférieur ou égal à 105.
en ce que 10 le ratio de concentration CBICA est supérieur à 1 et inférieur ou égal à
109, de préférence supérieur à 1 et inférieur ou égal à 105.
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