Electrodialyse

Principe de l'électrodialyse

Le terme dialyse désigne la diffusion d'un soluté au travers d'une membrane qui lui est perméable.
L'électrodialyse désigne le transfert d'ions à travers une membrane qui leur est perméable, sous l'effet d'un champ électrique.
On distingue:
- les membranes anioniques qui sont perméables aux anions (chlore, fluor, cyanure...)
- les membranes cationiques qui sont perméables aux cations (sodium, métaux,...)
Un électrodialyseur est généralement constitué par la répétition de compartiments séparés alternativement par des membranes anioniques et cationique.
Un champ électrique est appliqué perpendiculairement au plan des membranes.
Les ions ne peuvent migrer que dans un seul sens imposé par le champ électrique:
 - les anions (chargés négativement) en direction de l'anode (pôle positif)
 - les cations (chargés positivement) en direction de la cathode (pôle négatif) 

Après avoir traversé une membrane ils seront bloqués contre une membrane qu'ils ne peuvent traverser.
L'électrodialyseur est donc constitué d'une alternance:
- de compartiments d'où les ions disparaissent (compartiment de dilution)
- de compartiments où les ions se concentrent (compartiment de concentration)
Ce procédé permet donc d'obtenir, à partir d'une solution donnée, une solution plus concentrée, le concentrat, d'une part et une autre solution plus diluée, le diluat, d'autre part.

Electrodialyse à 3 compartiments

Dans ce type de configuration, on a 3 types de compartiments:
 - les compartiments de concentration et de dilution, comme pour la configuration à 2 compartiments,
 - un compartiment de conversion (qui peut être anionique si l'ion échangé est un anion ou cationique si c'est un cation).
Ce procédé permet de convertir un sel d'acide faible NaA en l'acide HA.

Electrodialyse à 4 compartiments

Dans cette configuration, on a deux compartiments de concentration et deux compartiments de dilution.
Ce procédé permet de réaliser des conversions chimiques appelées électrométathèses.

Les membranes

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

Du fait de la très faible taille des protons H+, les membranes anioniques peuvent les laisser passer en partie surtout en millieu fortement acide.

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

Les membranes peuvent être:
 - de type homogène obtenues par polymérisation et polycondensation de monomères, dont l'un d'eux doit contenir une fonction qui est ou peut être rendue échangeuse d'ions
 - de type hétérogènes, préparées à partir de particules échangeuses d'ions, mélangées à un liant inerte (ex : PVC, polyéthylène)

Mise en oeuvre

Dans les installations industrielles, les électrodialyseurs sont constitués d'empilements comportant plusieurs centaines de couples de cellule élémentaires.
L'empilement est de type filtre presse, avec deux blocs porte-électrode aux extrémités.
La distribution des fluides dans les espaces intermembranaires est assurée par des successions d'orifices aménagés à la périphérie des joints.
L'espace intermembranaire est délimité par des espaceurs dont l'épaisseur peut atteindre 0,4mm.
Ces espaceurs doivent aussi créer des turbulences qui contribuent à améliorer le rendement de la cellule.

Le transfert d'ions dans la membrane est limité par deux phénomènes appelés polarisation:
- Polarisation primaire
Elle s'apparente à la polarisation de concentration rencontrée dans d'autres procédés à membrane.
On l'évite en limitant l'intensité de courant.
- Polarisation secondaire
Elle est due à l'encrassement de la membrane par des dépots en surface, ou à la pénétration de poisons.
On l'évite en inversant périodiquement le courant électrique et la circularion des solutions.

Applications

Suivant l'applications de l'électrodialyse on peut:

• valoriser le concenrat:
• production de NaCl à partir de l'eau de mer.
• production de sucres de raisin à partir de jus de raisin ou de vin.
• récupération des électrolytes dans les solutions de pâte à papier ou dans des bains photographiques, de recouvrement métallique et de gravure.
• reconcentration d'acides.
• valoriser le diluat:
• production d'eau potable à partir d'eaux saumâtres (<5000ppm de sel)
• purification de colorants.
• déminéralisation de produits agro-alimentaires : lactosérum (élimination de sels et d'acides), vins (élimination de l'acide tartrique), sucre, jus de fruits, moûts de raisin.
• déminéralisation de produits organiques : pigments, plasma du sang, solutions d'aminoacides.
• déminéralisation d'eaux-mères de cristallisation, pour augmenter le rendement de cristallisation lorsqu'il est limité par une surconcentration d'électrolytes étrangers.
• déminéralisation d'eaux usées de papeterie (élimination des hypochlorites).
• déminéralisation d'eaux résiduaires radioactives.
• élimination des sels de dissolution contenant des composés actifs dans l'industrie pharmaceutique
• valoriser simultanément le concentrat et le diluat :
• récupération des sels métalliques entraînés dans les bains de rinçage de l'industrie des traitements de surface
• déminéralisation de ces bains et recyclage de l'eau ainsi purifiée dans le procédé.
• déminéralisation des jus de fermentation en biotechnologie et extraction des éléments de valeur de ces jus.