Modélisation multi-échelle des mécanismes de transfert à travers des membranes de nanofiltration

Multiscale modelling of transfer mechanisms through nanofiltration membranes

• Auteur / Autrice : Haochen Zhu
• Direction : Anthony Szymczyk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanofiltration

Modèles mathématiques

Dynamique moléculaire

Charge et distribution électriques

Diélectriques

Transfert de masse

Résumé

Malgré l'intérêt croissant porté ces dernières années à la nanofiltration (NF), ses applications industrielles restent limitées par rapport aux potentialités de ce procédé propre. La principale raison est que les phénomènes physiques impliqués dans des séparations à l’échelle nanométriques restent mal compris et le succès relatif des modèles actuels de NF tient en grande partie au fait que des grandeurs essentielles des membranes (comme leur densité de charge de surface) et des fluides confinés (comme la constante diélectrique de la solution à l'intérieur des pores de la membrane) sont le plus souvent des paramètres d'ajustement ne correspondant que très approximativement à la réalité. Cette thèse a eu pour objectif d’améliorer la compréhension des mécanismes de transfert d'ions à travers des membranes de NF. Pour cela, une modélisation couplant l'hydrodynamique du système et les interactions fluide / matériau a été développée. Il a été montré que la distribution hétérogène des charges de surface dans la couche active d’une membrane affecte profondément le transport des ions et les capacités de rétention matériau membranaire. Afin d’étudier l’effet du confinement sur les propriétés physiques de solutions aqueuses, des simulations de dynamique moléculaire de solutions d’électrolytes confinés dans un nanopore modèle de silice ont également été réalisées. Celles-ci ont montré une structuration du fluide au voisinage de la surface du pore, une diminution significative des coefficients de diffusion et une modification importante des propriétés diélectriques des solutions ioniques pouvant entraîner des effets de Born répulsifs ou attractifs selon la nature des ions.

Although nanofiltration (NF) has attracted increasing attention over the recent years, its current industrial applications are still limited compared to the great potentialities of this clean process. The major reason is that the physical phenomena involved in separation at the nanoscale are still poorly understood and the relative success of current NF models can be attributed in large part to the fact that key properties of membranes (like their surface charge density) and confined fluids (like the dielectric constant of the solution in the membrane pores) are most often fitting parameters that have only limited correspondence to reality. The aim of this thesis work was to improve the understanding of ion-transfer mechanisms through NF membranes. A model coupling the hydrodynamics of the system with fluid / material interactions was developed. It was shown that the inhomogeneous distribution of the surface charges inside the skin layer of a membrane significantly affects the transport of ions and the rejection capacities of the membrane material. In order to investigate the effect of confinement on the physical properties of aqueous solutions, molecular dynamics simulations of electrolyte solutions confined in a model silica nanopore were performed. The simulations revealed a structuration of the fluid in the neighbourhood of the pore surface, a significant decrease in diffusion coefficients and a strong modification of the dielectric properties of ionic solutions that can lead to either repulsive or attractive Born effects depending on the nature of ions.