Molecular simulations of reverse osmosis membranes / Minxia Ding ; sous la direction de Anthony Szymczyk

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : anglais / English

Catalogue Worldcat

Eau salée -- Dessalement -- Osmose inverse

Dynamique moléculaire

Polyamides

Szymczyk, Anthony (Directeur de thèse / thesis advisor)

Université de Rennes 1 (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Sciences de la matière (Rennes) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Institut des Sciences Chimiques de Rennes (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Université européenne de Bretagne (Autre partenaire associé à la thèse / thesis associated third party)

Résumé / Abstract : L'osmose inverse (OI) est actuellement le procédé le plus utilisé mondialement pour le dessalement des eaux saumâtres et de l’eau de mer. Cette thèse s'est intéressée à la simulation moléculaire de membranes d'OI afin d'améliorer la compréhension des propriétés structurales, dynamiques et de transport de l'eau et d'ions à l'intérieur de ces matériaux. La membrane d'OI étudiée dans ce travail est une membrane de polyamide aromatique, matériau le plus utilisé actuellement en OI. Dans la première partie de ce travail, une méthodologie a été développée pour construire un modèle atomique en trois dimensions d'une membrane polyamide fortement réticulé. Des simulations de dynamique moléculaire à l’équilibre (EMD) et hors-équilibre (NEMD) ont été réalisées pour étudier le comportement de l'eau et des ions Na+ et Cl- à travers la membrane. Les simulations EMD ont montré que les caractéristiques structurales de la membrane modèle étaient en bon accord avec celles d'une membrane typique d'OI. Les propriétés dynamiques et diélectriques de l'eau confinée dans la membrane ont également été étudiées et il a été montré que celles-ci étaient fortement modifiées par rapport à une phase volumique. Deux types de techniques NEMD ont été utilisés pour étudier le transport baromembranaire à travers la membrane modèle. La perméabilité à l'eau pure a été trouvée en très bon accord avec les données expérimentales rapportées dans la littérature et les deux méthodes NEMD ont révélé une très forte rétention saline, confirmant ainsi la pertinence du modèle de membrane d'OI développé dans ce travail.

Résumé / Abstract : Reverse osmosis (RO) is currently the leading process used worldwide for both brackish and seawater desalination. This thesis focuses on the molecular simulation of RO membranes in order to improve the understanding of structure, dynamics and transport of water and ions inside these materials. The RO membrane studied in this work is a typical polyamide RO membrane. In the first step of this work, a methodology for building a fully atomic and three-dimensional model of a highly cross-linked polyamide membrane was developed. Both equilibrium molecular dynamics (EMD) and non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulations were further performed to investigate the behavior of water and ions (Na+ and Cl-) through the membrane. EMD simulations showed that the structural characteristics of the model polyamide membrane were in good agreement with those of a typical RO membrane. The dynamics and dielectric properties of water confined in the RO membrane were also studied and have shown to be dramatically modified with respect to the bulk phase. Two types of NEMD techniques were employed to investigate pressure-driven transport through the model membrane. Pure water permeability was found to be in very good agreement with experimental data reported in the literature for similar membrane materials and both NEMD methods highlighted very high salt rejection properties, thus confirming the relevance of the model membrane developed in this work.