Développement de canaux d'eau artificiels hautement efficaces pour le désalinisation de l'eau

Development of highly efficient artificial water channels for water desalination

• Auteur / Autrice : Dmytro Strilets
• Direction : Mihai Barboiu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie et Physico-Chimie des Matériaux
• Date : Soutenance le 24/11/2021
• Etablissement(s) : Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Chimiques (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Européen des membranes (Montpellier) - Institut Européen des membranes / IEM
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Vincent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mihai Barboiu, Stéphane Vincent, Nicolas Giuseppone, Narcis Avarvari, Sébastien Ulrich, Sophie Cerneaux, Andreea Pasc
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Giuseppone, Narcis Avarvari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Autoassemblage

Eau salée -- Dessalement

Chimie biomimétique

Membranes (technologie)

Mots clés libres

Auto-Assemblage

Canaux d'eau artificiels

Membranes biomimétiques

Pilier[5]arène

I-Quatuors

Désalinisation de l'eau

Biomimetic membranes

Artificial water cannels

Self-Assembly

Pillar[5]arene

I-Quartets

Water desalination

Résumé

L’objectif de ce travail est la conception des nouveaux types de canaux d'eau artificiels (AWC) auto-assemblés à haute efficacité, l’étude de leur permsélectivité vers l'eau et leur mécanisme de transport envisageant la transition de l'échelle nanométrique à l'échelle macroscopique. Pour celle-là on a évalué la possibilité de fabrication de membranes incorporent à l'AWC. Le point de départ s’est concentrée sur l'étude des capacités de transport eau/ion et, de la nature du mécanisme de transport des dimères tubulaires discrets auto-assemblés de peralkyl-carboxylate-pilier [5]arènes (PAD). L'objectif était l'évaluation du transport et de la sélectivité du procès, la description du fonctionnement et de l'existence/stabilité structurelle des PAD dans les systèmes lipidiques comme potentiels canaux d'eau artificiel. En utilisant des méthodes avancées telles que la cristallographie aux rayons X et la simulation MD combinées à des techniques d'investigation du transport des ions d'eau comme la méthode Stopped Flow et la spectroscopie de fluorescence, on a montré que ces canaux sont capables à former des pores toroïdaux à l'intérieur de la bicouche lipidique. Ceux-ci ont pu transporter sélectivement les molécules d'eau jusqu’à 5,21 ×∙107 H2O/s/canal.Inspirés par ces résultats, nous avons essayé, avec success, d'incorporer du pillier[5]arène dans des matrices polymères pour obtenir des matériaux fonctionnels pour des expériences de désalinisation de l'eau. La méthode utilisé est l’agrégation et de polymérisation interfaciale in situ - isAGRIP. Nous avons réussi à incorporer d’une manière homogène des canaux d'eau artificiels en PA[5], ce qui a conduit à une augmentation de ~ 40 % de la perméance de l'eau avec une excellente productivité de 50 L m−2h−1 sous 17,5 bar de pression appliquée, tout en maintenant une sélectivité élevée de 99,4 %. .Dernièrement, on a réalisé l'expansion de la famille des canaux d'eau artificiels par la synthèse de nouveaux dérivés uréido hydrophobes. Par leur mélange avec des I-quartets hautement un nouveau canal d'eau supramoléculaire hybride auto-assemblé a été construit. Les études sur le transport de l'eau et des ions ont montré que les systèmes bi-composants ont multiplié quelques fois la perméabilité à un seul canal par rapport aux systèmes monocomposé, alors qu'aucun transport d'ions significatif n'a été détecté. La meilleure performance a été montrée par le système HC8/S8-8 formé entre les dérivés d'imidazole et de benzsulfonamine avec une perméabilité de près de 8,2 × ∙107 H2O/s/canal.En conclusion ce travail a décrit plusieurs systèmes AWC qui fonctionnent comme filtres à eau de haute sélectivité à l’échelle nano bien que a l’échelle macro.

The objective of this work is the design new types of highly efficient self-assembled artificial water channels (AWC) and the investigation of their water permselectivity and transport mechanism aiming for the transition from nanoscale to macroscale by showing of possibility of AWC-incorporated membrane fabrication. The starting point focused on the investigation of water/ion transport abilities and nature of transport mechanism of self-assembled discrete tubular dimers of rim-differentiated peralkyl-carboxylate-pillar[5]arenes (PADs). The objective was the assessment of water transport and selectivity of the transport, by describing the functioning and structural existence/stability of PADs in lipidic systems as perspective artificial water channels. By using advanced methods as X-Ray crystallography and MD simulation combined with water and ion transport investigation techniques such as Stopped-flow methods and fluorescence spectroscopy, it was proven that those channels able to form toroidal pores inside lipide bilayer, which could selectively transport water molecules up to 5.21 ×∙107 H2O/s/channel.Inspired by those results, an attempt was made to incorporate pillar[5]arenes into polymeric matrices to obtain functional materials for water desalination experiments using in-situ aggregation-interfacial polymerization method – isAGRIP. We succeeded to incorporate homogeneously PA[5] artificial water channels, which led to a ~40 % increase in water permeance with an excellent productivity of 50 L m−2h−1 under 17.5 bar of applied pressure, while maintaining high selectivity of 99.4 %.Finally, this work focused on expanding the artificial water channel family by synthesising new hydrophobic ureido derivative. These were combined with highly efficient I-quartets in order to construct novel hybrid supramolecular self-assembled water channels. Water and ion transport investigations showed that bi-component systems presents a multiple time increase single channel permeability compared to single compound systems, while no significant ion transport was detected. The highest performance was shown by the system HC8/S8-8 formed by combination of imidazol and benzsulfonamine derivatives with a permeability of almost 8.2 ×∙107 H2O/s/channel.In conclusion, this work has described several AWC systems that function as selective water filters both on a molecular as well as on macro-level.