FR3129297A1 - Dispositif de production d’energie par gradient de salinite à travers une membrane à base de fibres de chitosan reticulées - Google Patents

Dispositif de production d’energie par gradient de salinite à travers une membrane à base de fibres de chitosan reticulées Download PDF

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif pour la production d’énergie électrique comprenant : a) un premier réservoir A (20A) destiné à recevoir une solution électrolytique (22A) de concentration CA en un soluté et comprenant une électrode (30A) en contact avec la solution électrolytique de concentration CA ; b) un deuxième réservoir B (20B) destiné à recevoir une solution électrolytique (22B) de concentration CB en un même soluté, CB étant inférieure à CA, et comprenant une électrode (30B) en contact avec la solution électrolytique de concentration CB ; c) une membrane (10) séparant les deux réservoirs, ladite membrane comprenant des pores permettant la diffusion des électrolytes du réservoir A vers le réservoir B à travers le ou lesdits pores ; et d) un dispositif (32) permettant de capter puis fournir l’énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, caractérisé en ce que la membrane comprend au moins une couche formée d’un matériau à base de chitosan comprenant un réseau de nanofibres et/ou de microfibres réticulées de chitosan.

Description

DISPOSITIF DE PRODUCTION D’ENERGIE PAR GRADIENT DE SALINITE À TRAVERS UNE MEMBRANE À BASE DE FIBRES DE CHITOSAN RETICULÉES
ETAT DE LA TECHNIQUE
La production d’énergie 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 l’utilisation de membranes dont la propriété de base est le transport sélectif d’ions selon le signe de leur charge. Un dispositif RED est typiquement constitué d'une alternance de membranes échangeuses d’ions entre lesquelles on fait circuler alternativement de l’eau salée et de l’eau douce. La circulation d’une alternance d’eau salée et d’eau douce entre ces membranes échangeuses d’ions (MEIs) permet d’établir au niveau de chacune des MEI du dispositif un flux ionique. Aux extrémités de cet empilement de membranes, des électrodes viennent récolter le courant électrique généré par le flux ionique global.
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 capacité de production d’électricité très faible, en raison du fait que les membranes actuelles développent des puissances électriques par unité de surface de membrane (i.e.des puissances membranaires) de seulement quelques W/m2de membrane.
En particulier, les MEIs conduisent faiblement les courants ioniques et constituent une contribution ohmique importante aux systèmes d’électrodialyse inverse. En outre, la préparation de ces membranes s’avère très coûteuse, c’est pourquoi la majeure partie des investissements de maintenance des procédés membranaires est consacrée au remplacement de ces membranes.
Une approche par rapport à ce problème est exposée dans la demande internationale publiée le 24 avril 2014 sous le numéro WO 2014/060690. Dans cette approche, il a été proposé 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, il a également été 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 à base de nitrure de bore ou d’oxyde de titane, dont la préparation à plus grande échelle que celle du laboratoire est complexe et extrêmement couteuse compte-tenu des matériaux nécessaires. Par ailleurs, les matériaux utilisés dans ces membranes sont potentiellement nocifs, et présentent un risque s’ils sont relargués dans l’environnement.
Il existe donc, au regard de ce qui précède, un besoin pour un dispositif permettant la production d’énergie électrique non polluant, économique et qui permet d’obtenir une production d’énergie par mètre carré de membrane qui soit de l’ordre du kW/m2.
Les inventeurs ont découvert qu’un dispositif de production d’énergie électrique à partir d’un gradient de salinité comportant une membrane comprenant une couche formée d’un réseau de nanofibres et/ou de microfibres de chitosan permet d’obtenir une production d’énergie par mètre carré de membrane qui soit de l’ordre du kW/m2.
L’utilisation de telles membranes permet également de faciliter le développement à plus grande échelle d’un dispositif de production d’énergie par gradient de salinité et d’en réduire le coût.
Ainsi, un but de l’invention est de fournir un dispositif de production d’énergie par gradient de salinité capable de développer une puissance membranaire élevée, et utilisant des membranes économiques et faciles à préparer, qui présente de surcroit un risque limité pour l’environnement.
DESCRIPTION DES FIGURES
représente schématiquement un exemple de dispositif de production d’énergie électrique selon la présente invention, comprenant deux réservoirs 20A et 20B, respectivement réservoir A et réservoir B, séparés par une membrane 10. Chacun des deux réservoirs contient une solution électrolytique 22A et 22B de concentration respective CAet CBen un même soluté, dans laquelle trempe une électrode 30A et 30B. Les deux électrodes 30A et 30B sont reliées à un dispositif permettant de capter puis fournir l’énergie électrique générée. Chaque réservoir A et B peut être tout dispositif ou environnement naturel, ouvert ou fermé, pouvant contenir un liquide. Afin de générer un flux d’ions à travers la membrane, les concentrations CAet CBen un même soluté des solutions électrolytiques 22A et 22B sont nécessairement différentes. Dans le cadre de la présente invention, on considère arbitrairement que CBest inférieure à CA, ce qui entraine une circulation des ions du soluté du réservoir A vers le réservoir B. La membrane 10, séparant les deux réservoirs A et B comprend des pores permettant la diffusion des électrolytes du réservoir A vers le réservoir B à travers les pores. La diffusion se fera du réservoir A au réservoir B. Les pores ont une section moyenne permettant de laisser circuler tant les molécules d’eau que les ions du soluté. Les électrodes 30A et 30B peuvent être partiellement ou entièrement plongées dans les solutions 22A et 22B. Il est également possible de prévoir que les électrodes se présentent sous la forme d’au moins une partie d’une paroi des réservoirs. Le dispositif (32) permet de capter puis fournir l’énergie électrique spontanément générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes 30A et 30B. Il peut être constitué de simples câbles reliant une batterie, une ampoule ou toute autre forme de consommateur électrique.
représente schématiquement un exemple de membrane (10) selon l’invention comportant une unique couche (101) formée d’un matériau à base de chitosan comprenant des nanofibres et/ou des microfibres de chitosan réticulées.
représente schématiquement un exemple de membrane (10) selon l’invention, dans lequel la membrane est une membrane composite comprenant deux couches externes (101,103) chacune formées d’un matériau à base de chitosan comprenant des nanofibres et/ou des microfibres de chitosan réticulées entre lesquelles est disposée une couche interne (102) formée d’un matériau comprenant des nanoparticules fonctionnalisées en surface par des groupes chargés et/ou qui deviennent chargés en présence d’eau.

Claims (12)

  1. Dispositif pour la production d’énergie électrique comprenant :
    a) un premier réservoir A (20A) destiné à recevoir une solution électrolytique (22A) de concentration CAen un soluté et comprenant une électrode (30A) en contact avec la solution électrolytique de concentration CA;
    b) un deuxième réservoir B (20B) destiné à recevoir une solution électrolytique (22B) de concentration CBen un même soluté, CBétant inférieure à CA, et comprenant une électrode (30B) en contact avec la solution électrolytique de concentration CB;
    c) une membrane (10) séparant les deux réservoirs, ladite membrane comprenant des pores permettant la diffusion des électrolytes du réservoir A vers le réservoir B à travers le ou lesdits pores ; et
    d) un dispositif (32) permettant de capter puis fournir l’énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, caractérisé en ce que la membrane comprend au moins une couche formée d’un matériau à base de chitosan comprenant un réseau de nanofibres et/ou de microfibres réticulées de chitosan.
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur de la membrane est comprise entre 2 μm et 100 μm, de préférence entre 2 μm et 75 μm.
  3. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la membrane comprend de 5 g à 30 g de matériau à base de chitosan par m2de membrane, de préférence 10 à 20 g de matériau à base de chitosan par m2de membrane, de préférence 15 à 20 g de matériau à base de chitosan par m2de membrane.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les nanofibres et/ou les microfibres réticulées de chitosan sont fonctionnalisées par des groupes chargés positivement et/ou qui deviennent chargés positivement en présence d’eau, de préférence des groupes choisis parmi le groupe ammonium quaternaire −N(R)3 +avec R un alkyl en C1-C4, le groupe ammonium tertiaire −N(H)R)2 +avec R un alkyl en C1-C4, de préférence un alkyl en C1, le groupe diméthylhydroxyéthylammonium -N(C2H4OH)CH3)2 +, et leurs mélanges.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les nanofibres et/ou les microfibres réticulées de chitosan sont fonctionnalisées par des groupes chargés négativement et/ou qui deviennent chargés négativement en présence d’eau, de préférence des groupes choisis parmi le groupe sulfonate −SO3 -, le groupe carboxylate −CO2 -, le groupe carboxyalkyl R−CO2 -avec R un alkyle en C1-C4 et de préférence en C1, le groupe aminodiacétate −N(CH2CO2 -)2, le groupe phosphonate PO2 3-; le groupe amidoxine −C(=NH2)(NOH), le groupe aminophosphonate −CH2−NH−CH2−PO3 2-, le groupe thiol −SH, et leurs mélanges.
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la membrane comprend une unique couche (101) formée d’un matériau à base de chitosan comprenant un réseau de nanofibres et/ou de microfibres réticulées de chitosan.
  7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel la membrane est une membrane composite comprenant deux couches externes (101,103) chacune formées d’un matériau à base de chitosan comprenant un réseau de nanofibres et/ou de microfibres réticulées dechitosan, entre lesquelles est disposée une couche interne (102) formée d’un second matériau comprenant des nanoparticules fonctionnalisées par des groupes chargés et/ou qui deviennent chargés en présence d’eau.
  8. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l’épaisseur de chacune des couches externes (101,103) est comprise entre 2 μm et 25 μm, et l’épaisseur de la couche interne (102) est comprise entre 10 nm et 2 μm.
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 7 à 8, dans lequel les nanoparticules sont 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 fonctionnalisées en surface par des groupes chargés positivement ou qui deviennent chargés positivementen présence d’eau.
  10. Procédé de production d’énergie électrique utilisant un dispositif tel que décrit dans l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant les étapes suivantes :
    i) fournir une solution électrolytique (22A) de concentration CAen soluté dans le réservoir A (20A), de manière à ce que l’électrode (30A) dont il est équipé soit en contact avec ladite solution (22A),
    ii) fournir une solution électrolytique (22B) de concentration CBen un même soluté, CBétant inférieure à CA, dans le réservoir B (20B), de manière à ce que l’électrode (30B) dont il est équipé soit en contact avec ladite solution (22B),
    iii) laisser diffuser les électrolytes du réservoir A vers le réservoir B à travers le la membrane (10),
    iv) capter l’énergie électrique générée par le différentiel de potentiel existant entre les deux électrodes, à l’aide du dispositif (32).
  11. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdites solutions électrolytiques sont des solutions aqueuses comprenant un soluté choisi parmi les halogénures alcalins ou les halogénures alcalino-terreux, de préférence choisi parmi LiCl, NaCl, KCl, CaCl2et MgCl2.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisé en ce que le ratio de concentration CA/CBest supérieur à 1 et inférieur ou égal à 109, de préférence supérieur à 10 et inférieur ou égal à 105.
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