Optimisation des propriétés structurales et de diffusion d'eau liquide de carbones architecturés par impression 3D de résines biosourcées pour le développement d'évaporateurs solaires

Mots clés

Résines biosourcées, Fabrication additive, Evaporation solaire, Carbones poreux, Architectures 3D, Diffusion d'eau liquide

Détail de l'offre

Les pays du bassin méditerranéen produisent environ 97 % des olives mondiales, ce qui représente jusqu'à 3 millions de tonnes d'huile d'olive par an. Les différents processus d'extraction de l'huile d'olive génèrent d'énormes quantités de déchets solides et liquides. On estime que le traitement d'une tonne d'olives génère en moyenne 1 m3 d'eaux usées de moulin à huile (OMWW). La réglementation actuelle n'autorise l'épandage direct de ces matières que dans une faible proportion des volumes générés, et les industriels cherchent d'autres moyens de gérer ces déchets liquides toxiques. Ce projet vise donc à traiter et à valoriser les OMWW selon les principes de la chimie verte et durable pour une économie circulaire.
La solution proposée consiste à utiliser la distillation solaire, de faible impact environnemental, pour traiter les effluents de la production d'huile d'olive et accélérer leur évaporation/séchage pour mieux les transformer et les valoriser. Le distillateur solaire développé pour ce projet sera composé une cellule d'évaporation et d'une cellule de condensation. La proposition de thèse est de développer la cellule d'évaporation, qui utilisera une matrice poreuse en carbone produite par impression 3D (stéréolithographie) de résines biosourcées. Son rôle est d'intensifier les performances d'évaporation en (i) augmentant la surface d'échange entre l'eau à purifier et l'air environnant et (ii) captant le flux solaire grâce à la haute capacité d'absorption du rayonnement solaire du carbone.
De premiers essais prometteurs d'évaporation ont été effectués avec ces matrices évaporatives 3D mais des limitations en termes de diffusion de l'eau liquide au sein de la structure poreuse ont été identifiés, notamment la faible taille des pores à la surface (0.7 nm contre environ 10 µm pour le cœur).
L'objectif de la thèse portera sur l'optimisation des propriétés structurales et de diffusion de l'eau liquide des matrices 3D en carbone pour le développement d'évaporateurs solaires. Le travail consistera à développer des solutions à plusieurs échelles :
(i) A l'échelle microscopique, l'objectif sera de développer des résines biosourcées permettant de contrôler les propriétés texturales (porosité, taille des pores etc.) de la matrice poreuse. Ces propriétés étant directement corrélées avec les performances de diffusion de l'eau liquide, il faudra augmenter la taille des pores à la surface et la diminuer au cœur. Pour atteindre cet objectif, des formulations de résines innovantes pourront être proposées avec notamment l'ajout de porogènes. Une autre piste envisagée consistera à améliorer le caractère hydrophile des structures par un post-traitement en phase gaz (au CO2 ou à la vapeur) ou liquide (oxydation).
(ii) A l'échelle macroscopique, le design de la matrice 3D sera étudié. Une approche méthodologique de type plan d'expériences est envisagée pour quantifier l'impact de certains paramètres sur les performances comme la hauteur de la cellule, l'épaisseur des brins permettant le transfert de l'eau et l'espace entre les brins.
Une fois les propriétés optimisées, les matrices 3D seront intégrées dans un prototype afin d'étudier les performances de la cellule d'évaporation en laboratoire. Le système sera étudié grâce à notre banc d'essai expérimental. Dans un premier temps, les performances d'évaporation seront étudiées avec de l'eau pure, puis avec de l'eau chargée en nutriments et en sels pour se rapprocher du contexte des OMWW.
Lors de précédents travaux, un modèle numérique permettant de simuler les transferts de masse et chaleur au sein de la cellule d'évaporation a été développé. La prise en main et le développement de ce modèle sera nécessaire comme outil d'optimisation des performances d'évaporation. Ainsi des aller-retours entre le modèle et le prototype expérimental permettront d'optimiser le design et de maximiser les performances.