Modélisation moléculaire du procédé de nanofiltration en milieux non aqueux : mieux comprendre pour mieux appliquer – MANIAC

Simulations moléculaires

Des modèles atomistiques de membranes polymériques (PIM-1, polyamide, polyimide) ont été développés selon le protocole suivant. Les unités de répétition du polymère sont insérées aléatoirement dans une boite de simulation. Le système est ensuite équilibré dans l’ensemble NPzT à 300 K et 1 bar jusqu’à l’obtention d’une densité constante. La polymérisation est ensuite réalisée à l’aide du code Polymatic. Les chaînes de taille inférieure à 10-15 monomères sont éliminées à l’issue de la polymérisation (lavage du polymère).
Un protocole de compression relaxation est utilisé afin de ramener la densité du polymère à une valeur proche de la valeur expérimentale. Ce protocole comprend 21 étapes et intègre des simulations NVT et NPT à des températures élevées, ainsi qu'une compression graduelle jusqu’à une pression maximale Pmax et une décompression graduelle jusqu’à 1 bar. Nous avons réalisé différentes simulations en considérant 5 valeurs différentes de Pmax (10, 20, 30, 40, et 50 kbar). Nos résultats ont montré que la densité finale du polymère est constante à partir de Pmax = 30 kbar. L’analyse structurale (densité, surface spécifique accessible et distribution de taille de pores) des membranes montre un bon accord avec les quelques résultats expérimentaux rapportés dans la littérature.
Des modèles de solvants pertinents avec les applications en OSN (méthanol, éthanol, acétone, dichlorométhane, toluène) ont été développés et implémentés dans le code LAMMPS. Afin de mettre les solvants en contact avec la membrane polymérique, deux réservoirs de solvant sont connectés de part et d’autre de la membrane dans une même boite de simulation. On applique ensuite un protocole de chauffage-compression afin de faire pénétrer les molécules de solvants dans le polymère. La séquence de taux de remplissage des différents solvants est conforme à l’expérience, même si les valeurs obtenues par la simulation ont tendance à être légèrement inférieures aux valeurs expérimentales.

Une étude spécifique a été lancée sur la membrane PIM-1 et des mélanges mélange méthanol-toluène de différentes compositions. Dans cette étude, on introduit aléatoirement des mélanges de molécules de méthanol-toluène avec des proportions allant de 0 à 100 % en méthanol et des quantités similaires aux taux de remplissages rapportés dans la littérature. Cette étude va nous permettre d’étudier le comportement de mélange de solvants sous confinement extrême, notamment l’impact de ce dernier sur la structure des solvants, leur dynamique translationnelle et rotationnelle, les interactions solvant-membrane, etc.
A la suite de ce travail, nous aborderons l’étude du transport des différents solvants à travers les membranes polymères par le biais de simulations de dynamique moléculaire hors équilibre. Pour cela, des murs rigides seront introduits dans la boite de simulation afin d’agir comme des pistons et ainsi simuler le transport sous pression des différents solvants.

Le premier article en lien avec le projet MANIAC sera soumis en Novembre 2020.

L'épuisement des ressources énergétiques et les contraintes environnementales obligent les industriels à recourir à des procédés de séparation et de purification plus durables. Dans ce contexte, la nanofiltration en milieu organique reçoit de plus en plus d'attention comme procédé peu énergivore, alternatif aux techniques de purification consommatrices de solvants et adapté au traitement de volumes importants ainsi qu’aux produits thermosensibles. Son développement à l’échelle industrielle reste cependant encore limité en raison du manque de compréhension des mécanismes de séparation moléculaires en milieux non aqueux. MANIAC est un programme de recherche fondamentale visant à lever ce verrou en rationalisant les mécanismes moléculaires contrôlant ce type de séparations à partir de simulations moléculaires réalisées avec des membranes polymères et des membranes à matrice mixte polymère/MOF.