Modélisation moléculaire du transfert membranaire

• Auteur / Autrice : Jalal Dweik
• Direction : John Palmeri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Membranes (technologie)

Nanofiltration

Mots clés libres

Nanofiltration

Membranes

Modélisation Moléculaire

Dynamique Moléculaire

Potentiel Electrique

Nanopore

Transport

Ions

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse est de mieux comprendre les forces physico-chimiques fondamentales qui régissent les interactions soluté-interface et soluté-soluté en milieu aqueux à l'intérieur des nanopores. Tout d'abord, nous étudions le transport des ions à travers les pores membranaires par une approche portant sur la physique méso- et macroscopique des fluides et en utilisant le « modèle de la charge d'espace ». Ce modèle, basé sur l'équation non-linéaire de Poisson-Boltzmann, est une théorie du champ moyenne qui ne tient compte que des interactions électrostatiques entre la membrane et les ions en solution. La compréhension à cette échelle du transport et de la sélectivité ionique à travers les membranes de nanofiltration n'est que partielle. Ensuite, donc, nous complétons l'approche méso et macroscopique par la méthode de « Dynamique moléculaire classique », particulièrement bien adaptée à l'échelle nanoscopique. Il s'agit de simuler l'interface « eau/vapeur » et le système « eau/nanopore », plus particulièrement les effets dus aux caractéristiques spécifiques des molécules et des ions : taille, charge, polarisabilité. Nous étudions les distributions moyennes des ions et des molécules et leurs corrélations/fluctuations. Nos simulations mettent en évidence le rôle important de la polarisabilité atomique et ionique sur la distribution des ions en milieux aqueux proches des interfaces et dans des nanopores. Cet effet pourrait être à l'origine de la sélectivité du transfert membranaire des ions de même valence et doit être mieux compris avant d'être intégré dans les théories mésoscopique du transport membranaire

The aim of this thesis is to better understand the physical and physicochemical phenomena involved in nano-confined aqueous solutions, especially the role of ''solute-solute'' and ''solute-interface'' interactions within nanopores. By a fundamental approach based on the meso- macroscopic physics of fluids, we study the ionic transport across the membrane pores using the “space charge model”. This model based on the nonlinear Poisson-Boltzmann “mean field theory”, takes into account the electrostatic interactions between the membrane and ions in solution. Understanding of Ionic transport and selectivity across nanofiltration membranes is only partial at this level of description. We therefore go beyond the meso and macroscopic approaches by performing ''Molecular Dynamics'' simulations, a method particularly well adapted to the nanoscale. We focus on a study of “Water/vapour” interfaces and “Water/nanopore” systems, more particularly effects due to the specific characteristics of molecules and ions: size, charge, polarizability. We study the distribution of the ions and molecules and their correlations/fluctuations. Our simulations reveal the important role played by atomic and ionic polarizability on the distribution of ions in aqueous solutions near interfaces and in nanopores. This effect may be at the origin of the filtration selectivity of nanoporous membranes for ions of the same charge valence and therefore must be better understood before being reliably integrated into mesoscopic theories of membrane transport