Electrodialyse à membrane bipolaire

Principe du fonctionnement

L'électrodialyse est une méthode physique de séparation ou de concentration d'ions en solution, sous l'action d'un champ électrique, et à l'aide de membranes perméables aux anions ou aux cations, mais sans qu'il y ait réaction aux électrodes.

Les membranes bipolaires (MB) sont constituées d'une face perméable aux anions et d'une face perméable aux cations.

Sous l'effet d'un champ électrique, l'eau présente au coeur de la membrane est dissociée en ions H+ et OH- générés respectivement aux faces cationiques et anioniques.

Si on associe à la face cationique (qui génère des H+) une membrane anionique (MA) (par exemple qui laissera migrer Cl-), l'espace entre les deux forme un compartiment de production d'acide (HCl dans l'exemple).

Si on associe à la face anionique (qui génère des OH-) une membrane cationique (MC) (par exemple qui laissera migrer Na+), l'espace entre les deux forme un compartiment de production de base (NaOH dans l'exemple).

La densité de courant (intensité / surface), est proportionnelle à:
- la mobilité des ions
- la concentration des ions
- le carré de leur valence

Les ions sont d'autant plus mobiles que leur masse est faible: les ions organiques sont donc plus lents que les ions minéraux.

Mise en oeuvre

Différentes configurations sont possibles conduisant à des résultats différents:
 - pour produire des solutions d'acide pur et de base pure à partir d'une solution de sel, la cellule aura 3 compartiments avec l'assemblage:
+...MA/sel/MC/base/MB/acide/MA/sel...-

- pour produire une solution de base pure et de sel acidifié à partir d'une solution de sel, la cellule aura 2 compartiments avec l'assemblage:
+...MC/base/MB/sel/MC/base/MB/sel...-

- pour produire une solution d'acide pur et une solution de sel basifié à partir d'une solution de sel, la cellule aura 2 compartiments avec l'assemblage:
+...MA/sel/MB/acide/MA/sel/MB/acide...-

Ces assemblages peuvent être empilés un grand nombre de fois (jusqu'à 100).
Le bon fonctionnement des membranes bipolaires nécessite une densité de courant élevée (1000A/m2).

Les membranes

Le transfert sélectif des ions est obtenu grâce à des membranes échangeuses d'ions:
- les membranes anioniques, perméables aux anions et imperméables aux cations, contiennent des groupes fonctionnels chargés positivement (ammonium)
- les membranes cationiques, perméables aux cations et imperméables aux anions, contiennent des groupes fonctionnels chargés négativement (sulfoniques ou carboxyliques)

Une membrane bipolaire est l'assemblage de deux membranes, l'une cationique et l'autre anionique.

Les matériaux employés sont:
- les copolymères de cellulose
- les copolymères de styrène
- les polymères de divinylbenzène
- les copolymères fluorés

On distingue:
- les membranes homogènes
elles sont composées d'une matrice polymère sur laquelle sont fixés des groupes ioniques.
- les membranes hétérogènes
elles sont constituées d'un mélange d'une résine échangeuse d'ions et d'une solution de polymère.

Les membranes commerciales ont une épaisseur de 0,15 à 0,6mm et présentent une résistance électrique de 0,3 à 2miliohms.m2.

Quelques membranes peuvent séparer des ions monovalents (Na+) et multivalents (Mg++).
Les membranes ne sont pas rigoureusement imperméables aux co-ions (ion de signe opposé).
Une membrane de qualité doit être:
- perméable
- sélective
- offrir une faible résistance électrique
- être stable (ne pas gonfler)

Les membranes sont sensibles aux oxydants (chlore, acide sulfonique ou nitrique) et sont limitées à des températures <100°C.

Applications

- régénération de bains usés de décapage des aciers inoxydables (acide fluorhydrique et nitrique neutralisé par la potasse),(Aquatech de Allied Signal).
- régénération de solutions d'acide fluorosilicique en acide fluorhydrique.
- récupération d'acides organiques.