Echange d'ions

Principe

L'échange d'ions est un procédé dans lequel les ions d'une certaine charge contenus dans une solution (ex : cations) sont éliminés de cette solution par adsorption sur un matériau solide (l'échangeur d'ions), pour être remplacés par une quantité équivalente d'autres ions de même charge émis par le solide. Les ions de charge opposée ne sont pas affectés (TI).
Les réactions d'échange d'ions sont réversibles et sélectives : avec R le squelette de la résine

R-A⁺ + B⁺

R-B⁺ + A⁺

Les réactions d'échange d'ions sont régies par la loi des équilibres chimiques c'est à dire qu'elles se déroulent jusqu'à ce que les concentrations des divers ions atteignent certaines proportions précises (Lewatit 92).

Le cycle de traitement

Le cycle complet se déroule en 4 phases :

la saturation ou production : La solution passe à travers le lit de la résine jusqu'à saturer cette dernière. Au point de percement ou lorsque la valeur limite de la fuite est atteinte, on arrête la phase de production.
le soulèvement : Cette phase permet d'éliminer les particules qui ont pu se déposer à la surface du lit à l'aide d'un courant d'eau ascendant.
la régénération : Elle se fait par introduction de la solution régénérante par percolation (ascendante dans le cas d'un contre courant ; descendante dans le cas d'un co-courant). Les colonnes peuvent être utilisées pour des régénérations soit à co-courant soit à contre-courant. Dans le cas d'une régénération à co-courant, la solution régénérante est mise du même coté que la solution à traiter. Cette technique est la moins chère des deux en terme d'investissement initial. Mais la technique à contre courant utilise plus efficacement les produits chimiques régénérants, de plus les fuites sont plus importantes avec une technique à co-courant.
le rinçage : Pendant cette phase, on déplace le régénérant à l'eau, à faible débit, jusqu'à ce que la résine ne contienne plus que de faibles traces de régénérant : phase de rinçage lent. Puis il y a une étape de rinçage rapide à débit plus élevé de façon à éliminer les dernières traces de régénérant. (EPA)

Lorsque la résine est épuisée ou saturée, la capacité d'échange de la résine est alors nulle. Il convient de remettre l'échangeur d'ions sous forme ionique originelle afin qu'il puisse être réutilisé pour un nouveau cycle : c'est la séquence de régénération. Cette dernière consiste à faire rétrocéder les réactions d'équilibre chimique en apportant une concentration très importante de l'ion qui sera échangé au cycle suivant (Na⁺, OH^-, H⁺, Cl^-). On utilise pour ce faire un produit chimique porteur de cet ion. Il est appelé régénérant ou réactif de régénération (le chlorure de sodium pour Na⁺et Cl^-, un acide minéral pour H⁺, la soude caustique pour OH^-) (Lewatit 92).

Remarques :

La capacité d'échange (en équivalent par litre) est la caractéristique la plus importante d'un échangeur d'ions. Elle correspond au pouvoir de rétention des ions jusqu'à la saturation. Elle dépend du type d'échangeur ( pour les échangeurs d'ions fortement acides ou fortement basiques : du taux de régénération, de la composition de l'eau à traiter, de la vitesse de filtration...) (Lewatit 71).
La régénération

échangeurs cationiques : à l'aide d'un acide minéral tels que l'acide chlorhydrique ou l'acide sulfurique
échangeurs anioniques : généralement à l'aide de la soude

Constitution des échangeurs d'ions

Les échangeurs d'ions actuels sont essentiellement à base de polystyrène ou de polyacrylate réticulés, c'est-à-dire de matières synthétiques de polymérisation fabriquées sous forme de billes (diamètre de 0,3 à 1,2 mm) (Lewatit 1992).

Activation des polymères de base

Les principaux groupes actifs sont les radicaux sulfoniques (-SO₃^-) et carboxylique (-COO^-) pour les échangeurs de cations et des groupes azotés (-NR₂, -N⁺R₃, N⁺R₂R') pour les échangeurs d'anions. L'échangeur d'ions est électriquement neutre car chaque site actif est neutralisé par ce qu'on appelle un contre-ion en solution dans l'eau qui hydrate la résine. Ce sont ces contre-ions qui vont faire l'objet des réactions d'échange (Lewatit 1992).
Les échangeurs d'ions (Figure 1) sont utilisés comme masse filtrante pour le traitement de l'eau, d'eaux résiduaires et autres solutions aqueuses. Ces résines possèdent une importante réactivité chimique et sont aptes à l'échange d'ions de part les groupes chimiquement actifs disséminés sur toute la surface et à l'intérieur des billes (Lewatit 1971).

Classification des échangeurs d'ions (Lewatit 1971)

Echangeurs de cations : 1) faiblement acides (centres actifs : groupes carboxyliques) ont une préférence pour les cations à valence élevée et ont une très faible affinité pour les ions alcalins monovalents, 2) fortement acides (centres actifs : groupes sulfoniques)
Echangeurs d'anions : 1) faiblement basiques fixent de préférence tous les anions dits forts (chlorure, sulfates, nitrates, chromates...) mais ne fixent pas les borates, silicates, cyanures, acétates, 2) fortement basique

Figure 1 : colonne échangeuse d'ions

Applications de l'échange d'ions dans le traitement de surface

L'échange d'ions est un procédé de séparation très utilisé dans les ateliers du traitement de surface, d'une part pour le recyclage des matières premières et d'autres part pour contrôler la pollution aqueuse. Les techniques de l'échange d'ions sont connues et ont fait leurs preuves depuis très longtemps mais l'utilisation de celles-ci en industrie du traitement de surface est récente. Outre le recyclage de l'eau, le procédé d'échange d'ions permet de concentrer les métaux lourds de solutions dilués en une solution métallique concentrée plus apte à un recyclage que le sont les boues. La mise en place du procédé d'échange d'ions dans un système de recyclage et de purification de l'eau permet donc de réduire significativement la consommation en eau et le volume d'eau usée rejeté.

Les échangeurs d'ions utilisés pour la déminéralisation des eaux de rinçage des ateliers de galvanoplastie sont les types et dans l'ordre suivant :

échangeur cationique fortement acide à base de résine polystyrénique
échangeur anionique faiblement à moyennement basique à base de résine polystyrénique et de préférence de structure macroporeuse.

Les résines cationiques et anioniques sont fabriquées à partir des mêmes polymères organiques de base. Seul le groupe ionique actif diffère. C'est ce groupe fonctionnel qui détermine le comportement de la résine. L'échangeur cationique a pour but de retenir tous les cations des sels dissous et cède en échange les ions hydrogènes. L'échangeur basique, fixe et neutralise les acides forts élaborés par l'échangeur cationique comme, par exemple, l'acide sulfurique provenant des sulfates, l'acide chlorhydrique provenant du chromate de sodium. Pour l'élimination des acides faibles comme l'acide cyanhydrique, l'acide carbonique, la silice ou l'acide borique l'utilisation des échangeurs anionique fortement basique monté en aval est nécessaire.

Propriétés des échangeurs anioniques, cationiques et chélatantes (Lewatit 71)

Résines cationiques	Groupe actif échangeur	Réactifs de régénération	Domaine de pH de travail	Capacité d'échange (éq.g/l de résine) Gel Macroporeux		Sous forme H+ fixe
Fortement acides	-SO₃-H (groupes sulfoniques)	HCl ou H₂SO₄ excès : 1 à 2 fois la quantité stoéchiométrique	1 - 13	1,4 - 2,2	1,7 - 1,9	Tous les cations de métaux lourds. (ex : Na⁺, Cu²⁺)
Faiblement acides	-COO-H	HCl ou H₂SO₄ pas d'excès	4 - 13	3,5 - 4,2	2,7 - 4,8	Préférence pour les cations valences multiples

	Groupe actif échangeur	Réactifs de régénération	Domaine de pH de travail	Sélectivité
Résines chélatentes	R-EDTA-Na	HCl ou H₂SO₄ Dose d'acide supérieure à la dose stoéchiométrique		Haut degré de sélectivité pour les cations métalliques issus des métaux lourds

Résines anioniques	Groupe actif échangeur	Réactifs de régénération	Domaine de pH de travail	Capacité d'échange (éq.g/l de résine)		Sous forme OH- fixe
Fortement basiques	-N(CH₃)₃⁺ (groupes ammonium quaternaire)	Lessive de soude excès : 1 à 2 fois quantité stoéchiométrique	1 - 12	1,2 - 1,4 (type I) 1,3 - 1,5 (type II)	1,0 - 1,1 (type I) 1,1 - 1,2 (type II)	Tous les anions d'acides faibles (HCO₃^-, HSiO^-, H₂BO₃-, CH₃COO^-, CN^-) et forts
Faiblement basiques	N (amines tertiaires)	Lessive de soude excès : 0,5 fois quantité stoéchiométrique	1 - 4	1,4 - 2	1,2 - 1,5	Préférence pour les anions d'acides forts (Cl^-, NO₃^-, NO₂^-, F^-, SO₄^--, PO₄^--, CrO₄^--, CN- complexé)

Avantages et inconvénients des différentes résines

Type de résine	Avantages	Inconvénients
Résines cationiques fortement acide	- Convient pour tous les types d'eau - Elimination complète des cations - Capacité variable - bonne stabilité physique, - bonne stabilité a l'oxydation, - coût initial faible	- efficacité de fonctionnement
Résines cationiques faiblement acide	- Très grande capacité, - Très grande efficacité de fonctionnement	- Elimination partielle des cations, - Utilisable seulement avec des eaux spécifiques, - Capacité de fonctionnement fixe, - Faible stabilité physique, - Coût initial élevé, - Cinétiques faibles.
Résines anioniques fortement basique	- Elimination complète des anions (incluant la silice et CO₂), - Coût initial faible, - Efficacité et qualité variables, - Cinétiques excellentes, - Rinçages court.	- Résistance faible aux polluants organiques, - Vie limitée, - Instable thermodynamiquement,
Résines anioniques faiblement basiques	- Grande capacité d'élimination, - Grande efficacité de régénération, - Excellente résistance aux polluants organiques, - Bonne stabilité thermique, - Bonne stabilité à l'oxydation, - Peut-être régénérée avec : * excès de soude dela résine fortement basique, * sous-produits alcalins, * ammoniaque, * soude et autres bases faibles et effluents usés	- Elimination partielle des anions, - N'élimine ni la silice ni le CO₂, - Rinçage long, - Cinétiques faibles

Conclusion

Avantages	Inconvénients	contraintes
Opération continue Applicables aux rinçages courants Procédé automatique Composition de bain constant	Récupération de produits chimique impossible sans mise en place d'une autre technique de valorisation Mise en place impérative de rinçage statique en amont	Composition organique nuisible Concentration ioniques limite supérieure = 0,05 eq/l Milieu dilué

(Anred DITS)

Bibliographie :

(Anred DITS) : Agence Nationale pour le Récupération et l'Elimination des Déchets. Les déchets des industries du traitement de surface. 1988

(EPA) : "Control and treatment technology for the metal finishing industry, Ion exchange", Summary report, EPA 625/8-81-007, june 1981, 46p.

(Lewatit 71) : Dr Ch. Oehme, "Les échangeurs d'ions dans le recyclage des eaux de rinçage de galvanoplastie", Ed "Oberfläche-Surface", Lewatit, n°6, 1971, 18p.

(Lewatit 92) : "Echangeurs d'ions, résines absorbantes et catalyseurs destinés au traitement de l'eau et de solutions diverses, à l'épuration d'eaux résiduaires et à la chimie", Ed Bayer, Lewatit, n°10, 1992, 20p.

(TI) : T. V. ARDEN, F. de DARDEL, Opérations Chimiques Unitaires, Echanges d'ions, Extraits des cahiers techniques de l'ingénieur, ref. J 2 860, J 2861, J 2 862, J 2 +865

Dernière mise à jour : 26/05/1998.

Le contenu de cette page a été réalisé par