Le but de cette thèse était de créer des modèles pour deux applications qui apparaissent couramment en chimie séparative, à savoir la séparation solide-liquide et la séparation liquide-liquide. L'avantage de la modélisation est manifeste dans les deux cas. L'étude fondamentale des propriétés des ions et de leur solvatation dans les milieux complexes, en tenant compte de façon simplifié des différents effets mis en jeu, nous a permis de construire un cadre qui utile aussi bien aux chimistes en laboratoire qu’aux ingénieurs lors de la conception des procédés. Nous avons adapté cette stratégie sur deux systèmes différents, qui peuvent tous deux être considérés comme complexes. Le premier système modèle pour étudier la séparation solide-liquide était des nanotubes de TiO2 dispersés dans une solution aqueuse. Ce système a été étudié au moyen de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité Classique couplée à une méthode de régulation de charge, au sein de l'ensemble Grand-Canonique. La méthode s'est avérée efficace pour établir la description complète des propriétés de charge des nanotubes de TiO2. Dans ce cas, nous nous sommes intéressés à obtenir la description de l'ion à l'intérieur des nanotubes chargés sous l'influence du champ électrique (créé par les nanotubes). Les calculs ont prédit des effets tels que la différence de charge de surface entre la surface externe et la surface interne, ou la violation de l'électroneutralité à l'intérieur des nanotubes. Il a été démontré que le modèle était en accord avec les données expérimentales. De plus, la méthode peut être utilisée directement pour prédire diverses techniques de titrage. Une simple généralisation de l'approche proposée permettra d'étudier l'efficacité d'adsorption réelle du procédé de séparation solide-liquide. Le second système modèle concerne l'étude du procédé d'extraction liquide-liquide et il comprend trois parties distinctes. Les trois parties ont été consacrées aux cas des extractants non ioniques, puis acides (échangeurs d'ions), et enfin aux mélanges synergiques d'extractants. Un modèle simple de thermodynamique statistique, dans lequel nous avons incorporé certains des concepts bien établis en chimie colloïdale, a fourni une approche de type matière molle pour calculer le processus à l'échelle de l'ingénieur. Nous avons développé une approche classique d'équilibres simples pour une compréhension plus large et plus intuitive de la formation des agrégats polydisperses dans l'extraction liquide-liquide. La principale conclusion présentée est que l’on doit proposer un nouveau paradigme pour la chimie : à l'équilibre, de nombreux agrégats de composition très différente mais similaires en énergie libre, coexistent. Avec la polydispersité obtenue, nous avons ainsi proposé un outil pour étudier un comportement plus "global" de l'extraction liquide-liquide. Cela nous a poussés à passer des considérations classiques d'isothermes d'extraction à celles plus précises des " cartes " d’extraction. Un grand soin a été apporté à l'étude de la synergie puisqu'il s'agit d'une important question depuis 60 ans dans la communauté scientifique et industrielle de la séparation. A notre connaissance, la première rationalisation quantitative de la synergie d’extraction a été proposée dans le cadre de cette thèse. Les effets sous-jacents des contrôles enthalpique et entropique sur la structuration des phases organiques ont été découplés et étudiés en détail. Nous espérons que cette thèse a démontré l'importance de la modélisation mésoscopique sur des exemples pratiques utilisés à la fois par les chimistes et les ingénieurs.