Les résines sont donc utilisées pour le traitement
deau industrielle et domestique, la production deau ultra
pure dans lindustrie électronique, dans les applications
alimentaires et pharmaceutiques, comme catalyseur dans
différents procédés industriels et pour le
traitement des effluents.
Cette technologie est présente dans les peintures, les
adhésifs, les produits dentretien ménager, les
ordinateurs, les matériaux de construction.
Ces résines se présentent sous forme de petites billes
:
Législation :
Résolution AP (97) du Conseil de lEurope
(Conseil des Ministres du 30 Septembre 1997)
:
Résolution sur les résines échangeuses
dions et adsorbantes utilisées dans le traitement des
denrées alimentaires.
Celle-ci comprend par ailleurs, une liste de substances
utilisées dans la fabrication des résines
échangeuses dions et adsorbantes servant au
conditionnement des denrées alimentaires.
Structure des résines.
Les résines synthétiques sont des édifices
macromoléculaires formés par la polymérisation
de certaines substances. L'ensemble forme un squelette sur lequel on
peut procéder à la réticulation de groupes
chimiques, puis greffer des molécules fonctionnelles
diverses.
Quelques substances évaluées par un organisme
international.
Monomères et autres substances de départ :
Adjuvants de polymérisation :
Quelques substances non évaluées complètement
par un organisme international.
Monomères et autres substances de départ
:
Exemple de fabrication de résine :
- le taux de réticulation,
> par exemple : DVB dans une résine polystyrène sulfoniques, de 4 à 16 %.- la porosité du squelette,
> existence de canaux, de pores de tailles définies variables suivant leur type.- la stabilité et longévité,
> qualité du squelette à rester stable durablement, en gardant sa CE.
(dégradation due à la chaleur, à la lumière, etc.)- la densité,
- la granulométrie,
> en général, de 0.3 à 1 mm (diamètre moyen : 0.6/07).- la rétention d'humidité,
> influe sur le gonflement de la résine lorsqu'elle est immergée.
la sélectivité,
> distingue les résines en fonction de leur propension à fixer certains ions- la capacité d'échange (CE),
>la quantité d'ions que peut fixer une masse ou un volume donné
(souvent exprimé en équivalent par litre de résine).- la perte de charge,
(la perte d'énergie en m d'eau/m de résine par passage au travers du lit)- l'expansion,
(en soulèvement du lit de résine, son % d'expansion est fonction de la vitesse d'écoulement)
Nota :
- la CE est fonction de plusieurs facteurs :
- du taux de régénération,
>exprimé en général en gramme de régénérant par litre de résine (g/l).- du type de régénérant et de sa concentration,
- du sens du flux de régénération à travers la résine,
- du temps de contact régénérant/ résine.
- Il existe des résines à caractères
chimiques faibles ou fortes, selon le type d'anion ou
cation fixé.
Réactions
d'échanges.
La structure moléculaire des résines comporte des
radicaux (R) acides ou basiques sur lesquels les ions
fixés,cations (C+) ou
anions (A-) sont susceptibles d'être
remplacés, par certains ions (B) de même charge
électrique, d'une solution aqueuse.
Echange cationique :
[R- - C+] ...... + ......
B+ <<<< >>>> [R+-
B+] ......+...... C+
...résine...........ions de l'eau
Echange anionique :
[R+- A-] ...... + ......
B- <<<< >>>> [R+-
B-] ...... + ...... A-
résine...........ions de l'eau
- Soit une résine saturée en chlorure : [R+- Cl-] ,
- Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-),
- Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ),
Nous avons :[R+- Cl-] ...... + ...... [B+- B-] >>>>>> [R+- B-] ...... + ...... Cl-- B+
résine...........................eau....................ions fixés.............. ions libérés
Exemple 2 :
- Soit une résine cationique saturée en sodium : [R-- Na+] ,
- Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ),
- Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-),
Nous avons :[R-- Na+] ...... + ...... [B+- B-] >>>>>> [R-- B+] ...... + ...... Na+- B-
résine...........................eau....................ions fixés.............. ions libérés
Exemple 3 :
- Soit une résine cationique carboxylique : [R-- CO2H] ,
(CO2H ou COOH : radical carboxyl, acide faible)
- Principaux cations présents dans l'eau : Ca2+, Mg2+, Na+, etc. (soit au total B+ ),
- Principaux anions présents dans l'eau : HCO3-, Cl-, SO42-, NO3- (soit au total B-),
Nous avons :[R-- CO2H] ... + ... [B+- B-] >>>>>> [R-- B+] ...... + ...... CO2H - B-
résine...........................eau....................ions fixés................ ions libérés
Sélectivité.
Propension à fixer certains ions
préférentiellement dépend du type de
résine (tableaux suivants) :
En général, les échangeurs d'ions usuels ne sont pas sélectifs vis à vis d'un seul ion et par exemple pour des mélanges contenants des ions métalliques et du calcium, ce dernier sera fixé de préférence aux métaux :
Cycle.
Un cycle complet comprend 4 phases :
Cinétiques.
Un échangeur fonctionne de façon similaire à
une colonne d'adsorption et après échange de
tous les ions potentiellement échangeables (tel que
prévu par l'équilibre chimique), il est
nécessaire de procéder à
unerégénération de l'échangeur
à l'aide d'une solution chimique, concentrée en ions
[A-] ou [C+] et
récupérer ainsi l'ion B.
La saturation des sites actifs dans un échangeur en forme de
colonne sous percolation, s'effectue donc selon un front de
saturation qui s'étend progressivement dans le sens du flux
:
Par ailleurs, selon que la régénération a été effectuée à co ou contre-courant du sens de saturation (sens du flux en phase de fixation des ions de l'eau), les fronts de saturation n'ont pas le même profil et la fuite ionique en sortie de colonne est différente.
Fuite ionique.
Celle-ci correspond aux teneurs des différents ions
à la sortie de la colonne d'échange en cours de
saturation (et non pas en cours de
régénération !), et elle est variable au cours
du temps.
Elle est fonction principalement du mode de
régénération :
Exemple (fuites ioniques en sortie d'échangeurs anioniques fonctionnant en fixation de nitrates) :
Nota : vol/vol signifie volume d'eau traitée par volume de résine.
Capacités.
On distingue plusieurs capacités d'échanges
ioniques selon l'usage :
1 - Capacité totale
C'est le nombre maximum d'ions que la résine peut fixer.
Elle est fonction du type de résine.
En général les capacités totales des cationiques
sont supérieures aux anioniques.
S'exprime, selon les cas, en :
- équivalents par litre (de résine), eq/l,
- milli-équivalents par litre (meq/l),
- équivalents par mètre-cube (eq/m3),
- degré français par litre ou m3 (°F/l ou °F/m3),
- gramme (d'un ion) par litre ou m3.
2 - Capacité utile de base
C'est le nombre d'ions qu'une résine peut fixer en fonction du
type de résine et du taux de
régénération.
Exemple :
3 - Capacité utile spécifique
C'est la quantité d'un ion donné qu'une
résine peut fixer, en fonction du type de résine et du
taux et du sens de régénération.
Exemple : capacité de fixation de dureté (Ca+Mg) en
fonction du régénérant NaCl en co-courant,
Chaînages.
Les chaînages ou liaisons des divers modules
d'échanges d'ions, sont fonctions :
Ainsi, l'obtention d'une eau déminéralisée ultra pure pour utilisation en industrie électronique, nécessitera un système de traitement différent, de l'obtention d'une eau adoucie dans un traitement de potabilisation.
Notes :
- R = squelette de la résine,
- H, OH, Na, Cl, ... = ion échangeable fixé sur la résine régénérée,
- CM= résine pour échangeur de cations dits faibles (Ag,, K, NH4,...),
- CF = cations forts (Ba, Pb, Ca, Mg, Na,...),
- AM = anions faibles (HCO3, SiO3, CH3CO2, IO3,...),
- AF = anions forts (SO4, Cl, NO3,...).
Exemples de chaînage.
Déminéralisation totale :
Principe général :
R-H : échangeur de cations, résine forme acide fort - D
: dégazeur CO2 - R-OH : échangeur d'anions,
résine forme basique forte.
Chaînage déminé amélioré
(élimination de silice SiO2) :
R-H : cations forts, forme acide - D : dégazeur CO2 - R-OH,
(CM) : anions faible, forme basique, - R-OH, AF: anions fort, forme
basique.
Adoucissement :
Principe général :
R-Na : échangeur de cations, forme sodique.
Adoucissement et décarbonatation :
(mais eau qui n'est pas déminéralisée
complétement)
Diagramme récapitulatif :
Mise en oeuvre.
Type d'appareil industriel pour échange d'ions -
Equipements internes, soit :
A = entrée d'eau brute et sortie d'eau de soulévement,
B = entrée du régénérant,
C = sortie de l'eau traitée et entrée de l'eau de
soulévement, G = purge d'air, D = résine,
E = trou d'homme, F = hublot, K = plancher crépiné, L =
bride ou flasque d'accouplement.
A - Echangeur d'anions.
Nota : VRa (volume de résine anionique), en
litres.
- Résine faiblement basique (AM) :
- V = Q x TF,
- VRa = [V x SAF] / CE
Exemple.
Données :
Débit horaire (Q) = 100 m3/h,
Temps de fonctionnement (TF) = 20 heures,
SAF = 50°F/l,
Capacité d'échange de la résine (CE) =
3250°F/litre R (0.65 eq/l).
Résultat :
Volume total d'eau à traiter (V) = (100 x 20) = 2000
m3,
Volume de résine anionique(VRa) = [2000 x 50] / 3250 =
30,769 m3 ou 30769 litres.
Remarque : le nombre total d'ions (SAF) à fixer est de
(2000 x 50) = 100000 °F.
- Résine fortement basique (AF) :
- V = Q x TF,
- VRa = [V x (SAF + TAC + SiO2)] / CE
Exemple.
Données :
Débit horaire (Q) = 100 m3/h,
Temps de fonctionnement (TF) = 20 heures,
SAF = 50°F/l,
TAC = 25°F/,
Teneur en silice (SiO2) = 0,2°F/l,
Capacité d'échange de la résine (CE) =
4600°F/litre R (0.92 eq/l).
Résultat :
Volume total d'eau à traiter (V) = (100 x 20) = 2000
m3,
Volume de résine (VRa) = [2000 x (50+25+0,2)] / 4600 =
32,695 m3 ou 32695 litres.
Remarque : le nombre total d'ions (SAF) à fixer est de (2000 x (50+25+0,2)) = 150400 °F.
B - Echangeur de cations.
Nota :
- la salinité totale de référence s'obtient en
additionnant TAC et SAF,
- VRc : volume de résine cationique, en litres.
- Résine fortement acide (CF) :
- V = Q x TF,
- VRc = [ (V + (0,02xVRa)) x (TAC+SAF) ] / CE
Exemple.
Données :
Débit horaire (Q) = 100 m3/h,
Temps de fonctionnement (TF) = 20 heures,
SAF = 50°F/l,
TAC = 25°F/,
Capacité d'échange de la résine (CE) =
9000°F/litre R (1.8 eq/l),
VRa (AF) = 32,695 m3 de résine anionique forte.
Résultat :
Volume total d'eau à traiter (V) = (100 x 20) = 2000
m3,
Volume de résine (VRc) = [ (2000 +(0,02x32,695)) x
(50+25)] / 9000 = 16,672 m3 ou 16672 litres.
Remarque : le nombre total d'ions (SAF) à fixer est de
[(2000 + 0,02x32,695) x (50+25)] =
150049 °F.
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