Les résines échangeuses d'ions

Les résines échangeuses d'ions sont utilisées depuis 60 ans pour l'adoucissement et la déminéralisation de l'eau destinée à alimenter les chaudières de production de vapeur ou certains procédés chimiques.
Elles sont également utilisées dans des applications variées en milieu aqueux ou non tels que:
- la catalyse acide ou basique
- la séparation de produits de synthèse
- la récupération de composés dilués dans des effluents
- la chromatographie analytique ou préparative

Description

L'échange d'ions est une technique qui consiste à remplacer dans une solution, des ions indésirables ou valorisables par d'autres en quantité équivalente.
Cette opération est réversible; c'est la régénération.
L'échangeur d'ions est généralement une résine synthétique (copolymères de styrène et divinylbenzène ou acryliques) portant des fonctions acides ou basiques.
On distingue:
- les échangeurs de cations (H⁺, Na⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, ...)
- les échangeurs d'anions (OH^-, Cl^-, SO4^{- -}, ...)
Les résines échangeuses d'ions sont généralement utilisées dans des lits fixes sur lesquels on fait percoler les solutions à traiter.
Lorsqu'elles sont saturées, on fait percoler de la même manière la solution régénérante.
Le fonctionnement est donc discontinu.

Les échangeurs de cations

- Les échangeurs cationiques fortement acides (billes de polystyrène à groupements fonctionnels sulfoniques) sont utilisés pour fixer des cations (Na+, Ca++, Mg++) qu'ils remplacent par des ions H⁺
- Les échangeurs faiblement acides (résine polyacrylique hydrolysée) fixent les alcalino-terreux (CA⁺⁺, Mg⁺⁺) liés aux bicarbonates qu'ils remplacent par du sodium (Na+) ou des ions hydrogènes (H⁺).

Les échangeurs d'anions

- Les échangeurs anioniques fortement basiques (billes de polystyrène chlorométhylées à groupement fonctionnel ammonium quaternaire) fixent tous les acides et notamment les acides très faibles tels que les acides carboniques et siliciques. Ils libèrent en échange les ions hydroxydes (OH^-) correspondants.
- Les échangeurs faiblement basiques ne fixent que les acides forts.

Régénération

Les résines sont généralement régénérables:
- les résines cationiques sont régénérées par une solution d'acide fort (acide chlorhydrique ou sulfurique) qui libérera les cations fixés et les remplacera par des H⁺.
- les résines cationiques destinée à l'adoucissement de l'eau sont régénérées par une solution de chlorure de sodium (NaCl)
- les résines anioniques sont traitées par une solution de soude qui libère les anions fixés.
La solution résultante est un concentré des ions fixés précédemment.
La régénération est une opération essentielle pour l'efficacité de l'extraction.
La concentration de la solution régénérante doit être la plus élevée possible pour ne laisser persister qu'un minimum d'ion fixé, et pour récupérer les espèces extraites dans une solution la plus concentrée possible. Cependant, certains phénomènes indésirables limitent ces concentrations:
- la solubilité limitée des ions extraits dans la solution régénérante (par exemple solubilité limitée du Calcium dans une solution concentrée d'acide sulfurique)
- le risque d'éclatement des grains de résine en raison d'une pression osmotique excessive
- l'agressivité chimique de certaines solutions régénérantes concentrées (risque d'oxydation par l'acide nitrique par exemple)
- le volume de la solution régénérante doit être suffisant pour correctement mouiller et drainer le lit
- dégagement d'une importante chaleur lors du mélange d'une solution concentrée d'acide avec l'eau imbibant le lit
- la masse volumique élevée des solutions concentrées peut provoquer la flottation de la résine et nuire à l'efficacité de la régénération
Pour les solutions régénérantes mettant en oeuvre des acides, une concentration de 10% est le maximum recommandé.
La régénération doit être suivie d'un rinçage destiné à éliminer la solution régénérante imprégnant le lit de résine.

Mise en oeuvre

On trouve 5 modes d'utilisation:
- en batch
- en colonne simple
- en double lit
- en lit multiple
- en lits mélangés

Batch

C'est le mode d'utilisation le plus simple. La résine est dispersée dans le liquide à traiter.
Une partie des composants pouvant être absorbés par la résine sont extraits de la solution au cours de ce contact jusqu'à une situation d'équilibre qui dépend de la concentration de la solution et de la quantité de résine mise en jeux.
La résine est ensuite séparée de la solution par filtration pour être régénérée et recyclée.
Si le traitement de la solution est insuffisant, une opération supplémentaire doit être faite avec une charge de résine régénérée, au cours de laquelle un nouvel équilibre sera atteint pour concentrations inférieures.
Le traitement peut ainsi être poursuivi tant que nécessaire.
Ce mode est généralement utilisé lorsqu'il est nécessaire de filtrer la solution pour une autre raison. Sinon on préférera un traitement sur colonne.

Colonne simple

C'est le mode le plus simple après le mode batch.
La résine est fixe, disposée en un lit au travers duquel la solution à traiter percole traversant successivement plusieurs couches.
Le lit peut être représenté comme une succession de couches traversées par le liquide, avec pour chacune d'elles un équilibre de concentration qui s'établit, allant des concentrations les plus élevées au début du lit vers les plus faibles à la fin.
La résine accumulant progressivement les composés extraits de la solution jusqu'à se saturer, le front de concentrations élevées se déplace progressivement du début du lit vers la fin. La concentration dans la solution sortant du lit de résine s'accroît progressivement jusqu'à ce que taux de traitement du liquide devienne insuffisant. Il est alors temps de régénérer la résine.

Système à deux lits

Dans un système à deux lits, l'un est constitué d'une résine cationique tandis que l'autre est constitué d'une résine anionique. Cela permet ainsi d'éliminer tous les ions présents.
Le principe est le même que pour une colonne simple à la différence que la solution à traiter passe successivement dans une colonne puis dans l'autre.

Lits multiples

Une configuration en lits multiples permet une combinaison de résines anioniques et cationiques ainsi que des combinaisons de résines de différentes forces dans le même équipement.

Lits mélangés

Alors que dans la configuration à lits multiples les résines sont séparées, dans un lit mélangé, les résines anioniques et cationiques sont intimement mélangées.
Cette configuration permet un taux d'extraction supérieur des ions présents, ainsi qu'un meilleur contrôle du pH.
Les résines doivent par contre être séparées pour la régénération.

Adoussissement d'eau

Les composants solubilisés dans l'eau les plus banals mais aussi souvent les moins tolérables sont les sel de Calcium et Magnésium, responsables de la dureté de l'eau.
La méthode la plus usuelle pour réduire la dureté d'une eau est de la faire passer sur une résine cationique fortement acide mais sous sa forme sodium. Ainsi les ions Calcium et Magnésium présents dans l'eau sont remplacés par des ions Sodium.
La résine est régénérée par une solution de chlorure de sodium (sel de mer ou sel gemme).

Déminéralisation de l'eau

Tous les ions minéraux présents dans l'eau peuvent être éliminés et remplacés par des ions hydrogène (H⁺) et des ions hydroxyl (OH^-) grâce à un traitement sur deux lits:
- l'un garni de résine cationique fortement acide sous la forme hydrogène
- l'autre garni de résine anionique fortement basique sous la forme hydroxyde
La teneur en dioxyde de carbone peut être amenée à zéro, et la teneur en silice peut être réduite à moins de 0,1ppm. La résistivité de l'eau peut être aussi élevée que 250.000 ohm.cm.
Le travail du lit de résine anionique qui a la tâche de retenir entre autres les ions carbonates, peut être réduit en procédant à un dégazage du dioxyde de carbone après le premier lit de résine cationique. La quantité de résine ainsi que la quantité de régénérant consommé peut ainsi être réduite.
Les traces de soude (hydroxyde de sodium) qui peuvent se trouver en sortie du lit de résine anionique peuvent aisément éliminée par passage sur un lit de résine cationique faiblement acide servant de finisseur. La régénération de cette résine est très facile et peut utiliser une partie de l'effluent acide de régénération de la résine cationique fortement acide incomplètement consommé.
La production d'eau de très haute qualité chimique peut être obtenue par traitement sur un lit mélangé. Celui-ci agit comme une succession de lits cationiques et anioniques.

Extraction de substances dissoutes

La faculté qu'a un système à résine échangeuse d'ion d'extraire et concentrer des composants dissous le destine particulièrement à:
- la récupération d'une substance de valeur autrement perdue dans un effluent (Or ou Argent)
- l'extraction d'un contaminant pour prolonger la durée de vie d'un bain (Fer de bains acides)
- la récupération d'une substance de valeur d'une solution de rinçage
- ...

La table ci-dessous donne la sélectivité d'une résine pour la capture de différents ions métalliques relative à ce qu'elle est pour la capture de l'ion Calcium:

=======================================================
   pH = 2            pH = 4               pH = 9
                                    (200 g/L (NH4)2SO4)
---------------    -------------    -------------------
ion     KM/Ca      ion     KM/Ca      ion       KM/Ca
-----   -------    -----   -----    -------   ---------
Fe+++   325,000    Hg++    2,800      Ni++      30
Cu++    130,000    Cu++    2,300      Cd++      14
Hg+     >43,000    Pb++    1,200      Cu++      10
Au+++   >8,100     Ni++    57         Zn++       3
Ag+     4,600      Zn++    17         Ca++       1.0
Ni++    3,200      Cd++    15
Cd++    620        Co++    6.7
Fe++    190        Fe++    4.0
Mn++    120        Mn++    1.2
Zn++    120        Ca++    1.0
Al++    50
Mg++    20
Ca++    1.0
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Catalyse

Le caractère acide des résines en font des catalyseurs de choix pour certaines réactions chimiques telles que les estérifications, où elles peuvent remplacer les traditionnels acides liquides. Elles rendent plus facile la récupération du produit de réaction et réduisent fortement les problèmes de corrosion.

Mécanisme de dégradation

Les performances de la résine échangeuse d'ion utilisée pour le traitement de l'eau peuvent se dégrader avec le temps pour les raisons suivantes:
- fragmentation des billes sous l'action de turbulences excessives en opération, ou de températures trop basses
- enrobage des billes par des matières organiques
- précipitation de sulfate de Calcium en cas de fortes concentrations en Calcium et en acide sulfurique
- excès de Fer ou d'Aluminium dûs à des entraînements de coagulants utilisés en amont (chlorures ou sulfates ferriques, sulfates ou poly chlorures d'Aluminium)
Les contrôles de la résines comprennent:
- un contrôle visuel du taux de fragmentation des billes
- une analyse des contaminants minéraux (Calcium, Magnésium, Fer, Cuivre, Aluminium et Silice)
- une teneur en composés organiques totaux