Le colmatage à la surface et dans la masse d’une membrane échangeuse d’ions est un obstacle majeur à son utilisation en électrodialyse. En bloquant les voies conductrices d’ions à travers la membrane, le dépôt réduit la surface active de la membrane et conduit à une résistance au transfert de matière supplémentaire.Trois membranes échangeuses de cations ont été utilisées lors de ce travail: une membrane commerciale hétérogène MK-40 et deux de ses modifications (une membrane MK-40/Nafion obtenue par revêtement de la surface de MK-40 avec un film de Nafion® homogène conducteur d’ions, et une membrane MK-40/PANI obtenue par synthèse de polyaniline sur la surface de la MK-40). Les solutions utilisées sont des solutions de CaCl2 et MgCl2 aux concentrations 0,02 et 0,04 mol/L, ainsi qu’une solution modélisant la composition minérale du lait, concentrée 3 fois. La visualisation de la surface de la membrane est réalisée par microscopie optique et microscopie électronique à balayage. L’analyse élémentaire des dépôts sur la surface de la membrane est réalisée par l’analyse aux rayons X. Le caractère hydrophobe-hydrophile de la surface de la membrane est estimé par la mesure de l’angle de contact. La chronopotentiométrie et la voltamétrie ont été utilisées pour caractériser la vitesse de transport des cations à travers les membranes et la dissociation d’eau à la surface ; la mesure du pH de la solution dessalée a été effectuée en parallèle.Il est démontré que l’hydrophobicité relativement élevée de la surface de la membrane, son hétérogénéité électrique et géométrique créent les conditions favorables au développement de l’électroconvection. L’intensité de l’électroconvection par rapport à la membrane non modifiée est significativement plus élevée dans le cas de la MK-40/Nafion mais plus faible dans le cas de la MK-40/PANI. L’électroconvection provoque le mélange de la solution à la surface de la membrane dans une couche d’environ 10 µm d’épaisseur. Cet effet augmente de manière significative le transfert de matière en mode de courant intensif, empêche ou réduit le colmatage et réduit aussi le taux de dissociation de l’eau sur la surface de la membrane. L’intensité de l’électroconvection dépend essentiellement du degré d’hydratation du contre-ion ; elle augmente avec son rayon de Stokes. Le taux de croissance des dépôts minéraux Mg(OH)2, Ca(OH)2 et CaCO3 sur la surface de la membrane échangeuse d’ions est déterminé par la pente du chronopotentiogramme. On établit expérimentalement que, par rapport à la vitesse de colmatage sur la membrane MK-40 non modifiée, celle sur la surface de MK-40/Nafion devient plus petite mais celle sur la surface de la MK-40/PANI, devient plus grande.Le taux du colmatage est considérablement réduit lorsqu’un mode de courant électrique pulsé est appliqué. Un tel mode permet de réduire de moitié la différence de potentiel et d’atteindre un état quasi-stable du fait que le précipité devient instable / Scaling on the surface and in the bulk of ion-exchange membranes is a considerable locker for electrodialysis. The scale reduces the effective surface area of the membrane and leads to additional resistance to the mass transfer and solution flow.Three cation-exchange membranes are used in this study: a heterogeneous commercial MK-40 membrane and two of its modifications. The MK-40/Nafion membrane is obtained by mechanical coating the MK-40 membrane surface with a homogeneous ion-conductive Nafion® film. Modification of the MK-40/PANI membrane is carried out by polyaniline synthesis on the membrane surface. The solutions used in the study are 0.02 and 0.04 mol/L CaCl2 and MgCl2 solutions, as well as the solution, imitating the mineral composition of milk, concentrated 3 times. The visualization of the membrane surface is made using optical and scanning electron microscopy. The elemental analysis of the scale on the membrane surface is made by X-ray analysis. The hydrophobic-hydrophilic balance of the membrane surface is estimated by the contact angle measurements. To characterize the cation transport through and the water splitting rate, chronopotentiometry and voltammetry methods are used, pH measurement of the diluate solution is conducted at the same time.It is shown that the relatively high hydrophobicity of the membrane surface, its electrical and geometric heterogeneity, create conditions for the development of electroconvection. The electroconvection intensity in the case of MK-40/Nafion is significantly higher, and in the case of MK-40/PANI is lower in comparison with that of the unmodified membrane. Electroconvection vortexes cause the mixing of the solution at the membrane surface in a 10 µm thick layer. This effect significantly increases mass transfer in intensive current modes and prevents or reduces the scaling process, as well as reduces the water splitting rate at the membrane surface. The rate of electroconvection essentially depends on the counterion hydration degree, it increases with increasing the counterion Stokes radius. The rate of the scale formation on the membrane surface is determined by the slope of the chronopotentiogramme. The formation of Mg(OH)2, Ca(OH)2 and CaCO3 scales is observed. It is experimentally established that the scaling rate on the surface of MK-40/Nafion is smaller, and on the surface of the MK-40/PANI is larger in comparison with the MK-40 membrane. The scaling rate is significantly reduced when the pulsed electric current mode is applied. Such mode allows the reduction of the potential drop more than twice and achievement of a quasi steady-state because an unstable periodically crumbling scale occurs

We consider three different phenomena governing the fluid flow in the presence of charged particles: electroconvection in fluids, electroconvection in porous media, and electrodiffusion. Electroconvecton in fluids is mathematically represented by a nonlinear drift-diffusion partial differential equation describing the time evolution of a surface charge density in a two-dimensional incompressible fluid. The velocity of the fluid evolves according to Navier-Stokes equations forced nonlinearly by the electrical forces due to the presence of the charge density. The resulting model is reminiscent of the quasi-geostrophic equation, where the main difference resides in the dependence of the drift velocity on the charge density. When the fluid flows through a porous medium, the velocity and the electrical forces are related according to Darcy’s law, which yields a challenging doubly nonlinear and doubly nonlocal model describing electroconvection in porous media. A different type of particle-fluid interaction, called electrodiffusion, is also considered. This latter phenomenon is described by nonlinearly advected and nonlinearly forced continuity equations tracking the time evolution of the concentrations of many ionic species having different valences and diffusivities and interacting with an incompressible fluid. This work is based on [1, 2, 3] and addresses the global well-posedness, long-time dynamics, and other features associated with the aforementioned three models. REFERENCES:[1] E. Abdo, M. Ignatova, Long time dynamics of a model of electroconvection, Trans. Amer. Math. Soc. 374 (2021), 5849–5875. [2] E. Abdo, M. Ignatova, Long Time Finite Dimensionality in Charged Fluids, Nonlinearity 34 (9) (2021), 6173–6209. [3] E. Abdo, M. Ignatova, On Electroconvection in Porous Media, to appear in Indiana University Mathematics Journal (2023). / Mathematics

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Plusieurs types d’applications industrielles complexes, relèvent du domaine multidisciplinaire de l’Electro-Hydro-Dynamique (EHD) où les interactions entre des particules chargées et des particules neutres sont étudiées dans le contexte couplé de la dynamique des fluides et de l’électrostatique. Dans cette thèse, nous avons étudié par voie de simulation numérique certains phénomènes Electro-Hydro-Dynamiques comme l’injection unipolaire, le phénomène de conduction dans les liquides peu conducteurs et le contrôle d’écoulement avec des actionneurs plasma à barrières diélectriques (DBD). La résolution de tels systèmes physiques complexes exige des ressources de calculs importantes ainsi que des solveurs CFD parallèles dans la mesure où ces modèles EHD sont mathématiquement raides et très consommateurs en temps de calculs en raison des gammes d’échelles de temps et d’espace impliquées. Cette thèse vise à accroitre les capacités de simulations numériques du groupe Electro-Fluido-Dynamique de l’Institut Pprime en développant un solveur parallèle haute performance basé sur des modèles EHD avancés. Dans une première partie de cette thèse, la parallélisation de notre solveur EHD a été réalisée avec des protocoles MPI avancés comme la topologie Cartésienne et les Inter-communicateurs. En particulier, une stratégie spécifique a été conçue pour prendre en compte la caractéristique multi-blocs structurés du code. La nouvelle version parallèle du code a été entièrement validée au travers de plusieurs benchmarks. Les tests de scalabilité menés sur notre cluster de 1200 cœurs ont montré d’excellentes performances. La deuxième partie de cette thèse est consacrée à la simulation numérique de plusieurs écoulements EHD typiques. Nous nous sommes intéressés entre autres à l’électroconvection induite par l'injection unipolaire entre deux électrodes plates parallèles, à l’étude des panaches électroconvectifs dans une configuration d'électrodes lame-plan, au mécanisme de conduction basé sur la dissociation de molécules neutres d'un liquide faiblement conducteur. Certains de ces nouveaux résultats ont été validés avec des simulations numériques entreprises avec le code commercial Comsol. Enfin, le contrôle d’écoulements grâce à un actionneur DBD a été simulé à l’aide du modèle Suzen-Huang dans diverses configurations. Les effets de l’épaisseur du diélectrique, de l’espacement inter-électrodes, de la fréquence de la tension appliquée et sa forme d’onde, sur la vitesse maximale du vent ionique induit ainsi que sur la force électrique moyenne ont été étudiés. / Several intricately coupled applications of modern industries fall under the multi-disciplinary domain of Electrohydrodynamics (EHD), where the interactions among charged and neutral particles are studied in context of both fluid dynamics and electrostatics together. The charge particles in fluids are generated with various physical mechanisms, and they move under the influence of external electric field and the fluid velocity. Generally, with sufficient electric force magnitudes, momentum transfer occurs from the charged species to the neutral particles also. This coupled system is solved with the Maxwell equations, charge transport equations and Navier-Stokes equations simulated sequentially in a common time loop. The charge transport is solved considering convection, diffusion, source terms and other relevant mechanisms for species. Then, the bulk fluid motion is simulated considering the induced electric force as a source term in the Navier-Stokes equations, thus, coupling the electrostatic system with the fluid. In this thesis, we numerically investigated some EHD phenomena like unipolar injection, conduction phenomenon in weakly conducting liquids and flow control with dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators.Solving such complex physical systems numerically requires high-end computing resources and parallel CFD solvers, as these large EHD models are mathematically stiff and highly time consuming due to the range of time and length scales involved. This thesis contributes towards advancing the capability of numerical simulations carried out within the EFD group at Institut Pprime by developing a high performance parallel solver with advanced EHD models. Being the most popular and specific technology, developed for the distributed memory platforms, Message Passing Interface (MPI) was used to parallelize our multi-block structured EHD solver. In the first part the parallelization of our numerical EHD solver with advanced MPI protocols such as Cartesian topology and Inter-Communicators is undertaken. In particular a specific strategy has been designed and detailed to account for the multi-block structured grids feature of the code. The parallel code has been fully validated through several benchmarks, and scalability tests carried out on up to 1200 cores on our local cluster showed excellent parallel speed-ups with our approach. A trustworthy database containing all these validation tests carried out on multiple cores is provided to assist in future developments. The second part of this thesis deals with the numerical simulations of several typical EHD flows. We have examined three-dimensional electroconvection induced by unipolar injection between two planar-parallel electrodes. Unsteady hexagonal cells were observed in our study. 3D flow phenomenon with electro-convective plumes was also studied in the blade-plane electrode configuration considering both autonomous and non-autonomous injection laws. Conduction mechanism based on the dissociation of neutral molecules of a weakly conductive liquid has been successfully simulated. Our results have been validated with some numerical computations undertaken with the commercial code Comsol. Physical implications of Robin boundary condition and Onsager effect on the charge species were highlighted in electro-conduction in a rectangular channel. Finally, flow control using Dielectric Barrier Discharge plasma actuator has been simulated using the Suzen-Huang model. Impacts of dielectric thickness, gap between the electrodes, frequency and waveform of applied voltage etc. were investigated in terms of their effect on the induced maximum ionic wind velocity and average body force. Flow control simulations with backward facing step showed that a laminar flow separation could be drastically controlled by placing the actuator at the tip of the step with both electrodes perpendicular to each other.

La presente Tesis Doctoral consiste en la determinación de las propiedades de transporte de diferentes especies catiónicas a través de membranas de intercambio catiónico. Las membranas de intercambio iónico son un componente clave de los reactores electroquímicos y de los sistemas de electrodiálisis, puesto que determinan el consumo energético y la eficiencia del proceso. La utilización de este tipo de membranas para el tratamiento de efluentes industriales no es muy extendida debido a los requisitos de elevada resistencia química y durabilidad que deben cumplir las membranas. Otro asunto importante radica en la eficiencia en el transporte de los iones que se quieren eliminar a través de la membrana. Normalmente, existe una competencia por el paso a través de las membranas entre diferentes especies debido al carácter multicomponente de los efluentes a tratar. Sin embargo, una mejora en las propiedades de las membranas de intercambio iónico permitiría la implantación del tratamiento mediante reactores electroquímicos de efluentes industriales con un contenido importante en compuestos metálicos, tales como los baños agotados de las industrias de cromado. La utilización de una tecnología limpia como la electrodiálisis conllevaría diferentes ventajas, entre las cuales destacan la recuperación de los efluentes para su reutilización en el proceso industrial, el ahorro en el consumo de agua y la disminución de la descarga de contaminantes al medio ambiente. La determinación de las condiciones de operación óptimas así como la mejora de las propiedades de transporte de las membranas constituye el principal tema de la presente investigación. Para ello, se emplearán diferentes tipos de membrana. En primer lugar, se estudiará el comportamiento de las membranas poliméricas comerciales que poseen unas propiedades de resistencia química elevadas, las cuales se tomarán como referencia. De forma paralela, se producirán membranas conductoras de iones a partir de materiales cerámicos económicos, ya que la resistencia de los materiales cerámicos a sustancias oxidantes y muy ácidas es mayor que la de los materiales poliméricos. Este punto constituye la parte más innovadora de la investigación, puesto que la mayoría de las membranas de intercambio iónico comerciales están basadas en materiales poliméricos que no pueden resistir las condiciones específicas de los efluentes industriales. Una vez determinadas las condiciones de operación óptimas, se realizarán ensayos en plantas piloto con el fin de confirmar los resultados obtenidos mediante las técnicas de caracterización y determinar el grado de recuperación y coste energético asociado a los procesos electrodialíticos de tratamiento de efluentes industriales. / Martí Calatayud, MC. (2014). STUDY OF THE TRANSPORT OF HEAVY METAL IONS THROUGH CATION-EXCHANGE MEMBRANES APPLIED TO THE TREATMENT OF INDUSTRIAL EFFLUENTS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/46004 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales