Modélisation moléculaire du transport de solutions d'électrolytes à travers des membranes nanoporeuses

par Richard Renou

Thèse de doctorat en Chimie

Sous la direction de Anthony Szymczyk et de Aziz Ghoufi.

Soutenue le 19-12-2014

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Université européenne de Bretagne (PRES) et de Institut des Sciences Chimiques de Rennes (laboratoire) .


  • Résumé

    Les procédés de séparation membranaires sont des techniques particulièrement adaptées aux exigences écologiques et industrielles en matière de traitement de l'eau. Parmi les différentes techniques de séparation existantes, la nanofiltration est un procédé économique permettant le dessalement et l'adoucissement de l'eau. En dépit du nombre croissant de travaux académiques ou industriels portant sur la nanofiltration ces dernières années, les phénomènes physiques impliqués dans le transport de solutés (en particuliers les sels) à travers les matériaux nanoporeux restent mal compris. En effet, les matériaux sont des membranes de polymère dont la structure est complexe et méconnue. Les propriétés des liquides en milieu confiné présentent de plus des propriétés inattendues. L'utilisation d'outils numériques permet d'explorer et d'améliorer la compréhension des mécanismes de transport à travers des membranes. Parmi les différentes approches existantes, les simulations de type dynamique moléculaire permettent de sonder les propriétés des liquides confinées à l'échelle moléculaire. L'objectif de cette thèse est d'analyser les propriétés de solutions aqueuses d'électrolytes confinées dans un nanopore modèle par simulation de dynamique moléculaire. Les systèmes étudiés sont constitués d'un pore de silice connecté à deux réservoirs contenant de l'eau salée. Deux types de simulations ont été réalisés. Au cours d'une simulation dite « à l'équilibre », les propriétés structurales, diélectriques et dynamiques des liquides ont été étudiées. Au cours des simulations ''hors-équilibre'', une différence de pression est appliquée entre les réservoirs afin de générer un écoulement. Les propriétés de transport de l'eau et des sels à travers le nanopore ont été étudiées. Ce travail s'inscrit dans le cadre du projet MUTINA financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR 2011 BS09 002) portant sur la modélisation multi-échelle du transport d'ions en nanofiltration.

  • Titre traduit

    Molecular Modelling of electrolytes transport across nanoporous membranes


  • Résumé

    Membrane processes are very powerful techniques in term of water treatment. Nanofiltration is a recent membrane process mainly used for water desalination and water softening. Although nanofiltration has attracted increasing attention over the recent years, physical phenomenon related to species (especially aqueous salts) inside the membranes are still poorly understood at the nanoscale. The membranes used in a nanofiltration process (polymeric membranes) are indeed very complex and little is known about their structure. Moreover, liquids in a confined phase exhibit very different behaviour with respect from a bulk phase. In order to investigate the transport mechanisms, modelling tools are often used to reproduce the liquids and membranes behaviour. Molecular dynamic simulations are very useful in that case to gain insight into the liquid properties at the molecular scale. The aim of this thesis is to improve the understanding of the electrolytes transport inside a model nanopore. For this purpose, molecular simulations were carried out to simulate two kind of systems composed of pore connected to reservoirs filled of water and salts. On one hand, we performed equilibrium simulations to analyse the structural, dielectric and dynamic properties of confined liquids. On the other hand, non-equilibrium simulations were performed to generate a pressure-driven fluid flow to investigate water and ions transport. This work is part of the MUTINA project founded by the French National Research Agency for Research (ANR 2011 BS09 002) about multi-scale modelling of ion transport in nanofiltration.


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