• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2025ULILN010
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 13/06/2025

Résumé en langue originale

D'ici 2050, plus de la moitié de la population mondiale sera touchée par des pénuries d'eau, posant de graves problèmes pour la santé humaine, l'économie et l'écologie. La réutilisation des eaux usées et le dessalement de l'eau de mer sont deux solutions efficaces pour pallier le déficit d'approvisionnement en eau dans les décennies à venir. L'adsorption physique et la nanofiltration sont des techniques de purification de l'eau omniprésentes et évolutives, nécessitant urgemment l'étude de matériaux durables avancés pour améliorer leur efficacité. Les minéraux argileux, notamment la montmorillonite (MMT), sont prometteurs grâce à leur abondance naturelle, leur forte capacité d'échange cationique et leur structure en couches ajustable. Cependant, leur faible efficacité d'adsorption des polluants anioniques et les compromis entre perméabilité et sélectivité dans les applications membranaires limitent leur adoption. Cette thèse comble ces lacunes en développant des composites MMT modifiés organiquement, des membranes polymériques remplies de MMT et des membranes bioinspirées pour une adsorption et une nanofiltration optimisées. Des simulations de dynamique moléculaire (MD) explorent les mécanismes d'adsorption, la stabilité des composites et la dynamique de diffusion. Les principaux travaux incluent :1) Étude de l'adsorption interlaminaire de la MMT modifiée par le surfactant HDTMA pour les colorants cationiques comme le bleu de méthylène (MB).2) Analyse des mécanismes de revêtement du biopolymère chitosan (CHT) sur la MMT et évaluation de la stabilité thermique du composite.3) Examen de l'adsorption de surface de CHT-MMT pour le MB sous diverses conditions de pH.4) Étude des mécanismes d'adsorption et de désorption du colorant anionique orange de méthyle (MO) sur HDTMA-MMT et CHT-MMT.5) Évaluation du rôle des nanosheets de MMT exfoliées comme charges dans les membranes en polyamide (PA).6) Conception de membranes bioinspirées assistées par des nanotubes de carbone (CNT) pour une filtration adsorbante.Les résultats MD montrent que la modification par HDTMA améliore l'adsorption du MB par la MMT uniquement à w > 50 %, les faibles valeurs (w < 50 %) provoquant un blocage des sites. En revanche, CHT-MMT surmonte cette limite, atteignant une adsorption multicouche stable du MB à pH élevé avec une efficacité d'immobilisation de 80 % (158.79 mg/g) grâce à ses groupes amide et hydroxyle. Pour le MO, CHT-MMT exploite les liaisons hydrogène, tandis que HDTMA-MMT repose sur des interactions hydrophobes et la rugosité de surface. Ces organoargiles améliorent l'adsorption des colorants cationiques et pallient les limites des argiles naturelles pour les colorants anioniques.Pour les membranes, les nanofillers MMT augmentent l'efficacité de réticulation et l'hydrophilie des membranes PA, la modification par dopamine améliorant la dispersion de la MMT. Pour surmonter le compromis perméabilité-sélectivité, une membrane bioinspirée à structure en fougère est conçue, les CNT stabilisant l'espacement interlaminaire de la MMT. Cette membrane innovante, combinant adsorption et structure hiérarchique, crée des canaux intralamellaires (< 2 nm) pour un flux élevé (180-300 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹) et un rejet du MB supérieur à 97 %.Cette recherche offre des insights fondamentaux sur la conception de matériaux organoargileux avancés, élucidant les mécanismes d'adsorption et de filtration membranaire au niveau moléculaire, et propose une solution pour des membranes de nouvelle génération face à la pénurie d'eau mondiale.

Résumé traduit

By 2050, over half of the global population will be affected by water shortages, leading to serious concerns in human health, economic and ecological sectors. Reuse of wastewater and desalination of seawater are two effective ways to overcome the water supply deficit in the coming decades. Physical adsorption and nanofiltration are ubiquitous and scalable water purification techniques, and advanced sustainable materials for these methods are urgently needed to be investigated to improve efficiency. Clay minerals, particularly montmorillonite (MMT), are promising candidates due to their natural abundance, high cation exchange capacity, and tunable layered structure. However, their limited adsorption efficiency for anionic pollutants and inherent permeability-selectivity trade-offs in membrane applications hinder their broader adoption. This thesis addresses these gaps by developing organic-modified MMT composites, MMT-filled polymeric membranes, and bioinspired MMT membranes for enhanced adsorption and nanofiltration efficiency. Molecular dynamics (MD) simulations are employed to investigate adsorption mechanisms, composite stability, and diffusion dynamics. The main work of this thesis includes:1) Investigation of interlayer adsorption of surfactant hexadecyltrimethylammonium (HDTMA) modified MMT for cationic methylene blue (MB) dyes.2) Study of coating mechanisms of biopolymer chitosan (CHT) on MMT and evaluation of the thermal stability of the composite.3) Examination of surface adsorption of CHT-MMT for MB under various pH conditions;4) Study of adsorption mechanisms and desorption process of anionic methyl orange (MO) dye on HDTMA-MMT and CHT-MMT;5) Evaluation of the role of exfoliated MMT nanosheets as fillers in polyamide (PA) membrane;6) Design of novel bioinspired MMT membranes assisted by carbon nanotubes (CNT) for adsorptive filtration.For adsorption properties, MD results show that HDTMA modification enhances MB adsorption of MMT only at w > 50%, as low w (< 50%) causes site-blocking effects. In contrast, CHT-MMT overcomes this limitation and achieves stable multilayer adsorption of MB at high pH with an immobilization efficiency of 80% (158.79 mg/g) owing to its functional amide and hydroxyl groups. For MO adsorption, CHT-MMT utilizes hydrogen bonding, while HDTMA-MMT relies on hydrophobic interactions and surface roughness to stabilize dye molecules. The two organoclays effectively enhance cationic dye adsorption and address the limitations of natural clays in capturing anionic dyes from water.For membrane applications, MMT nanofillers help to enhance crosslinking efficiency and hydrophilicity of PA membranes, while dopamine modification contributes to a better dispersion of MMT in PA. To further overcome the selectivity-permeability, a bioinspired MMT membrane with a fern-like structure is designed, where CNTs act as an axis to stabilize the interlayer spacing of MMT. This innovative membrane, combining adsorption function and hierarchical structure, creates intralayer channels (< 2 nm) for high water flux (180-300 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹) and excellent MB rejection (> 97%).This research provides fundamental insights into the design of advanced organoclay materials by elucidating molecular-level adsorption and membrane filtration mechanisms, suggesting a new solution for the design of next-generation organoclay-based membranes to address global water scarcity.