OSMOSE


16/02/23

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L’OSMOSE POUR LA PRODUCTION D’ENERGIE

 

Le sujet de l’osmose est un peu comparable à celui de la mécanique quantique .

Les équations fonctionnent parfaitement (quoique un peu moins bien dans le cas de l’osmose…)

Mais on est encore aujourd’hui à la recherche d’une explication qui serait  au minimum intuitivement convaincante !!!

Une  preuve  en est le titre de cet article de 2012

« Five popular misconceptions about Osmosis »

Alors que l’osmose était déjà mise en équation  en 1887 par le chimiste néerlandais van’t Hoff !


Dans ce qui suit, après une description du phénomène osmotique, puis des différentes techniques mises en œuvre,  nous reviendrons sur ce débat  en Annexe.

Description du phénomène

D’après Wikipedia 

 

« L'osmose est le phénomène de diffusion de la matière, caractérisé par le passage de molécules de solvant d'une solution vers une autre à travers la membrane semi-perméable qui sépare ces deux solutions dont les concentrations en soluté sont différentes ; le transfert global de solvant se fait alors de la solution la moins concentrée (milieu hypotonique) vers la solution la plus concentrée (milieu hypertonique) jusqu'à l'équilibre (milieux isotoniques). Ce phénomène concerne uniquement les échanges entre deux solutions liquides qui ont des concentrations de solutés différentes, séparées par une paroi semi-perméable.

Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie, à la fin du xixe siècle ; mais elle est aussi particulièrement utile en physiologie et en biologie cellulaire pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants. »





Pour simplifier, nous nous placerons  dans le cas où seule la partie gauche contient du soluté (chlorure de sodium NaCl , eau de mer par exemple) et la partie droite de l’eau pure comme solvant.

La membrane semi-perméable bloque totalement les molécules de sel ( on verra plus tard sa dissociation en ions) représentées en rouge.

Avec le temps, on assiste donc à une montée du coté salé et bien entendu à une  descente du côté de l’eau.

Si l’on obture le tube à gauche, une « pression  osmotique »se développe dont la valeur est étonnamment forte, supérieure à  25 bar avec de l’eau de mer salée à 35 g/litre.

Cette pression est directement proportionnelle  la concentration en sel et à la température absolue, exprimée en Kelvin.

On verra que cette énergie chimique transformée en énergie mécanique et liée au mouvement Brownien des molécules de soluté.

L’énergie potentiellement récupérable est considérable.

Certains projets-pilotes  sont en cours, notamment dans le delta du Rhône.

La pression obtenue fait tourner une turbine/alternateur générant ainsi une puissance électrique.




Source

 

Calcul de la pression osmotique


La pression osmotique peut se calculer en assimilant les molécules de soluté dilué dans le solvant à un gaz parfait.  Ceci est valable dans la mesure où la concentration en soluté reste relativement faible.


                                                                                                                                                                                          P = i(n/V)RT

P bar

I facteur de dissociation 1, 2, 3 typiquement

 V  l (litres)

R constante des gaz parfaits   0.08206 l.bar/mol. K          K température  en  Kelvins

n nombres de moles de soluté



Une mole est une quantité de matière formée d’éléments microscopiques : atome, molécule, ions…

Une mole comprend NA unités, avec NA = 6.02 10**23 le nombre d’Avogadro.

Pour  calculer une masse molaire d'une molécule on utilise sa formule chimique et la masse atomique de chaque élément convertie en grammes. Son unité est la « mol ».

Par exemple 12 pour le carbone C, 1 pour l’hydrogène H, 16 pour l’oxygène O, 23 pour le sodium Na, 35.5 pour le chlore Cl.

Ces chiffres correspondent approximativement à la quantité de protons + neutrons de chaque atome.

L'existence d'isotopes (neutrons additionels) en proportions variables peut donner une  valeur non entière: 35.5 pour le chlore.


EXEMPLE du sucrose

Dans le cas du sucrose   de formule  C12  H22 O11

C=12 donc 12x12 = 144

H=1 donc 22x1 = 22

O=16 donc 16x11 = 176

Une mole de sucrose soit 6.02 10**23 molécules pèsera donc

144  + 22 + 176 = 342g = 1mol

Le sucrose dissout reste sous forme d’une seule molécule, donc le facteur de dissociation i = 1.


A la concentration de 1 mol/litre, soit 342g/litre d’eau, à la température de 25° C, soit 273+25 = 298 K, la pression osmotique  du sucrose est


P= 1(1)x0.08206x298 = 24.4 bar


EXEMPLE de l’eau de mer

Une mole de chlorure de sodium NaCl pèse 23 + 35.5 = 58.5g

L’eau de mer moyenne est à 35 g/l, donc le nombre de moles par litre est de

35/58.5 ~ 0.6 mol/l

Contrairement au sucrose, le sel  se dissocie dans l’eau en deux ions, Na+ et Cl-.

L'asymétrie des charges electriques  de la molécule d'eau avec ses deux atomes H+ et un atome O-  crée une attraction vers les ions Na+ et Cl- du sel dissout.



Source

Dans la formule   P = i(n/V)RT  en théorie on devrait  prendre i = 2, car c’est le nombre de particules de soluté qui determine la pression osmotique.

L’expérience  prouve que  1.8 est plus proche de la réalité : en cause l’appairage aléatoire de certains ions qui réduit donc le nombre de particules.

P = 1.8 x0.6 x0.08206x298 = 26.4 bar

 

Dans la vraie vie, c’est la membrane semi-perméable qui plafonne  le rendement des procédés osmotique de génération d’énergie : la taille très réduite de ses pores  limite considérablement le débit .

C’est la découverte  des capacités de débit surprenantes des nanotubes de carbone qui a relancé l’intérêt dans ces potentielles sources d’énergie considérable.

 

Les différentes techniques de génération

 

--PRO Pressure Retarded Osmosis

Cette technique est la plus classique.

Un sérieux  problème est la limitation du débit par l’utilisation de membranes classiques


--RED Reverse Electro Dyalisis

L’ électrodialyse inverse (RED)  suppose que la membrane ne permette le passage qu’un seul type des ions du sel (ou chlorure de sodium) dissous dans l’eau. Ceux de sodium, chargés positivement en électricité, se concentrent dans le premier compartiment tandis que le second s’enrichit en ions de chlore chargés négativement, créant ainsi une pile électrique génératrice de courant.

Cette technique est potentiellement séduisante car elle  produit directement de l'energie electrique sans  intermédiaire mécanique.

 

--Membranes basées sur la nano fluidique

C'est le chercheur Lydéric Bocquet (CNRS) qui est à l'origine  de nombreuses découvertes dans le domaine.

« Au-delà de ces résultats en laboratoire, ce qui rend la nanofluidique unique, c’est le chemin court que ce domaine offre entre la science fondamentale et les applications. La nanofluidique est en train de révolutionner le domaine des membranes avec des matériaux et des concepts nouveaux pour le traitement des eaux polluées, le dessalement de l’eau de mer ou la production d’énergie. Les propriétés émergentes des fluides aux nanoéchelles, couplées aux plus récents nanomatériaux, sont autant d’atouts pour développer de nouvelles technologies. Ainsi, au vu du comportement unique du carbone comme canal fluidique, les matériaux à base de cet élément ont un rôle clé à jouer dans ce contexte. Par exemple, les membranes en graphène intègrent déjà des dispositifs de dessalement de l’eau. De même, les membranes dites « d’oxyde de graphène », qui sont des millefeuilles de flocons de graphène, réalisent une combinaison quasi idéale : elles sont faciles à fabriquer à grande échelle et combinent la nature 2D des feuilles de carbone, une perméabilité élevée et une excellente capacité de tamisage et de sélectivité due à l’espacement subnanométrique entre les flocons de graphène. »



 

"  En 2006, Olgica Bakajin, du laboratoire américain Lawrence-Livermore, et ses collègues ont fait une découverte très intrigante : les écoulements de l’eau au travers de membranes constituées d’un assemblage de milliards de nanotubes de carbone de 2 nanomètres de diamètre étaient jusqu’à 10 000 fois plus forts et rapides que ce qui était anticipé sur la base des prédictions usuelles de l’hydrodynamique. Ce résultat inattendu a suscité un débat considérable dans la communauté. Fallait-il remettre en cause l’équation maîtresse de l’hydrodynamique (l’équation de Navier-Stokes) ? Ou bien était-ce la démonstration d’un nouveau phénomène, en l’occurrence un frottement anormalement faible de l’eau sur les parois des nanotubes ?"


Et plus loin:


"Avec cette théorie de frottement quantique, nous expliquons pour la première fois pourquoi l’eau frotte beaucoup dans les gros nanotubes multiparois, qui ressemblent à du graphite légèrement courbé, tandis que le frottement disparaît vite dans les nanotubes plus petits, où la courbure plus importante de la paroi conduit à un découplage des différentes couches et la disparition du mode plasmon.

Le freinage quantique disparaît dans les petits tubes et les écoulements deviennent ultrarapides ! Ces couplages quantiques, restés largement inaperçus jusqu’ici, donnent enfin une explication aux résultats expérimentaux déroutants sur le frottement dans les nanotubes de carbone."

Ces extraits  proviennent  de l’article «   Au-cœur des étonnants flots moléculaires » publié dans Pour la Science


« La Start-Up bretonne Sweetch Energy s’est associée à la Compagnie Nationale du Rhône (CNR), premier producteur français d’électricité 100 % renouvelable, pour lancer un projet ambitieux. Il s’agit de construire la première usine pilote de production à grande échelle d’électricité osmotique en France. Le site sera établi dans le delta du Rhône d’ici 2023. C’est le premier partenariat industriel français dans ce secteur.

Le but d’une telle installation est d’utiliser le potentiel incroyable de ce que l’on nomme l’« énergie bleue ». D’après Sweetch Energy, la production mondiale que l’on peut attendre de cette énergie est de l’ordre de 27 000 TWh par an, ce qui correspond à la consommation d’électricité de toute l’humanité. »

Source

Cette technologie baptisée INOD utilise ce nouveau type de membrane nano fluidique.



                                                

ANNEXE

 

Cette interprétation de l’origine de la pression osmotique provient de l’article ci joint en pdf.

« Five popular misconceptions about Osmosis »

Après van’t Hoff  (assimilation à un gaz parfait) , Gibbs en 1897 construisit la théorie thermodynamique correcte de l’osmose.

Basée sur l’énergie libre et l’entropie, elle est rigoureuse, mais  complexe et n’éclairant  pas l’origine physique du phénomène.

Il n’est donc pas surprenant qu’au cours du temps d’autres explications plus intuitives furent développées en particulier visant le monde de la biologie, particulièrement concerné  par l’étude des membranes cellulaires.

Hélas ces théories, encore répandues de nos jours, sont démontrées fausses dans l’article.

Les auteurs en revanche proposent ce modèle :

Les particules de solutés s’agitent selon les règles du mouvement Brownien :

chocs de valeur et de direction aléatoire,  dépendant de la température (voir la vidéo et l'explication ci dessous)


Quand une particule heurte la membrane celle-ci est renvoyée dans une direction momentanément  fixe:

la membrane oriente momentanément le mouvement Brownien et lui soutire de l'energie.


Durant ce déplacement, la molécule de soluté entraine par interaction visqueuse des molécules de solvant à proximité de la membrane .

Ceci correspond à alors une action répulsive de la membrane sur l’ensemble soluté + solvant situé à sa gauche.

Ce mouvement de liquide crée un appel pour les molécules de solvant qui traversent la membrane sans aucune résistance de la droite vers la gauche.

Ce flux à sens unique explique  l’augmentation du niveau à gauche, donc de la pression hydrostatique.

P.Nelson   

compare cette action de la membrane qui «  sélectionne »  une direction dans un ensemble de valeur moyenne nulle, au rôle d’une diode « rectifieuse » en électronique.

Alimentée par un  courant alternatif de valeur moyenne nulle, la diode ne laisse passer que la partie positive du signal, donc extrait/génère  un signal  moyen non nul.



********************Le mouvement Brownien*******************







Source





Source


**************************Références************************

https://www.chemteam.info/Solutions/Osmosis-Equation.html

https://www.chemteam.info/Solutions/Osmosis.html

https://www.academia.edu/26990894/Five_popular_misconceptions_about_osmosis

https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/advan.00015.2002?rfr_dat=cr_pub++0pubmed&url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org

https://www.pourlascience.fr/sd/physique/au-coeur-des-etonnants-flots-moleculaires-24128.php

https://www.sweetch.energy/who-we-are

https://www.revolution-energetique.com/une-centrale-electrique-revolutionnaire-sinstallera-dans-le-delta-du-rhone/

https://www.agence-france-electricite.fr/actualites/nouvelle-centrale-osmotique-rhone/

https://www.francebleu.fr/infos/economie-social/la-start-rennaise-sweetch-energy-mise-sur-l-energie-osmotique-pour-revolutionner-la-transition-1646141497

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/pressure-retarded-osmosis        PRO

https://fr.science-questions.org/questions_de_science/166/Qu_est-ce_que_le_mouvement_brownien/#:~:text=L'%22amplitude%22%20du%20mouvement%20Brownien%20augmente%20donc%20avec%20la,les%20mol%C3%A9cules%20sont%20plus%20nombreuses.fr.science-questi