Dessalement : surmonter la zone morte
Les ingénieurs ont développé une solution pour éliminer les “zones mortes” dans l’écoulement des fluides des électrodes utilisées pour la dessalination de l’eau de mer par batterie. En intégrant une conception de canal d’écoulement conique basée sur la physique au sein des électrodes, cette avancée permet un mouvement plus efficace des fluides, consommant potentiellement moins d’énergie que les méthodes classiques d’osmose inverse.
La technologie de dessalination a longtemps rencontré des défis à son adoption à grande échelle. L’osmose inverse, la méthode la plus courante, est gourmande en énergie et coûteuse, car elle force l’eau à travers une membrane pour filtrer le sel. En revanche, la technique de dessalination par batterie utilise l’électricité pour éliminer les ions de sel chargés, mais nécessitait auparavant de l’énergie pour pousser l’eau à travers des électrodes avec des pores irréguliers, ce qui limitait son efficacité, jusqu’à présent.
Une nouvelle approche : Canaux d’écoulement structurés
« Les électrodes traditionnelles nécessitent de l’énergie pour pomper les fluides, car elles manquent de canaux d’écoulement structurés », a expliqué Kyle Smith, professeur de sciences mécaniques et d’ingénierie à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, qui a dirigé l’étude. « En créant des canaux structurés, cette technique réduit l’énergie nécessaire et pourrait éventuellement surpasser l’osmose inverse en termes d’efficacité. »
L’équipe de recherche de Smith s’est appuyée sur des années de modélisation et d’expérimentation pour développer des électrodes avec des microcanaux appelés champs d’écoulement interdigitalisés (IDFF). Leur dernière étude, publiée dans Electrochimica Acta, va plus loin en coniques les canaux d’écoulement, ce qui a amélioré l’écoulement du fluide — appelé perméabilité — de deux à trois fois par rapport aux canaux droits.
Résoudre les zones mortes : Optimiser l’écoulement avec une conception de canal conique
« Notre travail initial a révélé des zones mortes à l’intérieur des canaux droits, provoquant des chutes de pression et un écoulement irrégulier », a déclaré l’étudiant diplômé Habib Rahman. « Pour y remédier, nous avons testé 28 conceptions différentes de canaux droits pour optimiser l’écoulement, avant d’implémenter la technique du canal conique. »
Défis et applications futures
Bien que l’équipe ait rencontré des défis de fabrication, notamment avec le processus long de fraisage des canaux coniques, Smith estime que ces obstacles peuvent être surmontés lors de la production à grande échelle.
« Au-delà de la dessalination, notre conception de canal conique peut être appliquée à tout dispositif électrochimique utilisant des fluides en écoulement, tels que les systèmes de stockage d’énergie, les piles à combustible et les dispositifs de capture du carbone », a ajouté Smith. « Contrairement aux conceptions précédentes de canaux coniques improvisées, notre méthode offre des directives basées sur la physique pour obtenir un écoulement uniforme et réduire simultanément les chutes de pression. »
Cette étude, soutenue par le Bureau de la recherche navale, représente une avancée prometteuse tant pour la technologie de dessalination que pour les applications électrochimiques plus larges. Smith, Rahman et leurs coauteurs ont des brevets en attente sous les demandes de brevets américains 17/980,017, 17/980,023 et 63/743,995.
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