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 : 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 :

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). 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).  

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 :

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.
 
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