Modélisation mUlti-échelle du Transport d'Ions en NAnofiltration – MUTINA

Malgré l'intérêt croissant porté ces dernières années à la nanofiltration (NF), ses applications industrielles sont encore limitées par rapport aux fortes potentialités de ce procédé de séparation. La raison principale est que les phénomènes physiques impliqués dans le processus de séparation par des membranes nanoporeuses comme celles utilisées en NF restent encore mal compris. En effet, la plupart des modèles actuels de NF sont principalement des outils empiriques dont le succès tient en grande partie au fait que des propriétés essentielles des membranes (comme leur densité de charge de surface) et des fluides confinés (comme la constante diélectrique de la solution se trouvant à l'intérieur des pores de la membrane) sont le plus souvent des paramètres d'ajustement ne correspondant que très approximativement à la réalité.
Un développement optimal du procédé de NF nécessite donc d'élaborer des outils de modélisation pertinents reliant les propriétés du matériau membranaire et celles du fluide confiné dans les pores de la membrane à l'efficacité de la séparation. Un travail théorique faisant apparaître les liens entre la structure de la membrane et les propriétés de transfert est donc essentiel mais la complexité des phénomènes de transport dans des voies nanométriques rend cette tâche difficile.
Ce projet vise à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert d'ions à travers des membranes de NF. Afin d’appréhender l’ensemble des processus impliqués dans une séparation à l’échelle nanométrique, une modélisation multi-physique couplant l'hydrodynamique du système et les interactions fluide / matériau (gêne stérique, interactions électrostatiques, phénomènes diélectriques...) sera développée et combinée à des simulations de dynamique moléculaire dans lesquelles la polarisabilité électronique des ions sera prise en compte à l'aide d'un modèle core-shell. En effet, les simulations moléculaires offrent des possibilités uniques de relier certaines propriétés macroscopiques à une description microscopique des phénomènes physiques mis en jeu dans des phases nanoconfinées. Cette approche originale sera tout d’abord validée avec des nanopores modèles de silice puis elle sera appliquée à des membranes de polyamide, lesquelles constituent actuellement la classe principale de membranes de NF disponibles sur le marché.
Des mesures expérimentales de densité de charge de surface (déduites d'expériences de courant d'écoulement tangentiel) et de taux de rejet de membranes commerciales de polyamide seront réalisées avec des solutions aqueuses de sels simples et de mélanges d’électrolytes afin de tester les capacités prédictives de l'approche multi-échelle développée dans le cadre de ce projet.