Les résines sont donc utilisées pour le traitement d’eau industrielle et domestique, la production d’eau ultra pure dans l’industrie 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 d’entretien ménager, les ordinateurs, les matériaux de construction.
Ces résines se présentent sous forme de petites billes :

Législation :
Résolution AP (97) du Conseil de l’Europe (Conseil des Ministres du 30 Septembre 1997) :
Résolution sur les résines échangeuses d’ions 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 d’ions et adsorbantes servant au conditionnement des denrées alimentaires.

suite: voir Composition & structure

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 :

• styrène
• acide acrylique, n-butyl ester
• acide acrylique, ester de d'éthyle
• acide acrylique, ester de méthyle
• acrylonitrile
• formaldéhyde
• acide méthacrylique, ester de méthyle
• méthanol

Modificateurs chimiques :

• acide anhydride
• acide sulfurique
• acide carbonique, sels
• diméthylamine
• oxyde d'éthylène
• formaldéhyde
• hexaméthylènediamine
• acide chlorhydrique

Adjuvants de polymérisation :

• toluène
• acides naphtalènesulfoniques
• alcoylés
• acides naphtalènesulfoniques
• hydroxyde d'ammonium
• méthanol
• carboxyméthylcellulose
• acide formique..............................................

Quelques substances non évaluées complètement par un organisme international.
Monomères et autres substances de départ :

• divinylbenzène (1,3- et 1,4-isomères)
• acide méthacrylique,
• diester avec éthylèneglycol
• acide méthacrylique, 2,3-époxypropyl
• ester (comme l'époxy)
• acide méthacrylique, triester...

Exemple de fabrication de résine :

Polymérisation du styrène et réticulation par du divinylbenzène (fig.1)


Action de l'acide sulfurique : greffe de groupes sulfonés
(structure du sulfonate de polystyrène réticulé)

suite: voir Propriétés

• 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.

suite: voir Réactions d'échanges

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

Exemple 1 :

- Soit une résine saturée en chlorure : [R⁺- Cl^-] ,
- Principaux anions présents dans l'eau : HCO₃^-, Cl^-, SO₄^2-, 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^-, SO₄^2-, 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^-, SO₄^2-, NO₃^- (soit au total B^-),

Nous avons :

[R^-- CO₂H] ... + ... [B⁺- B^-] >>>>>> [R^-- B⁺] ...... + ...... CO₂H - B^-

résine...........................eau....................ions fixés................ ions libérés

•  
• le radical [SO₃H], comme acide fort (cation fort),
• le radical [COOH], comme acide faible (cation faible),
• les ammonium quaternaires [-R3N⁺OH^-], comme base forte (anion fort),
• les amines [-RNH], comme base faible (anion faible).

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 :

suite: voir Cinétiques

Cycle.
Un cycle complet comprend 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 [countercurrent], descendante dans le cas d'un co-courant [cocurrent ou co-flow]).
  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.
  

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.

suite: voir Capacités

Capacités.
On distingue plusieurs capacités d'échanges ioniques selon l'usage :

1. la Capacité totale (quelquefois appelée pouvoir d'échange),
2. la Capacité utile de base,
3. la Capacité utile spécifique.

• 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,

 

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suite: voir Chaînages

Chaînages.
Les chaînages ou liaisons des divers modules d'échanges d'ions, sont fonctions :

• du type et éléments chimiques des eaux à traiter,
• des objectifs du traitement,
• du contexte.

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 :

 

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suite: voir Mise en oeuvre

 
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.

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 Calculs d'une installation de déminéralisation (volumes de résine).
Les éléments suivants sont, en principe, nécessaires et suffisants au calcul des volumes de résine (cation & anion) :

• Débit horaire (Q, m3),
• Temps de fonctionnement, 1 cycle (TF, en heures),
• Volume total d'eau à traiter (V, en m3),
• SAF (sels d'acides forts, définitions) de l'eau "brute" , en °F/litre d'eau, par exemple,
• TAC de l'eau "brute" , en °F/litre, par exemple,
• Teneur en silice (SiO2), en °F/litre, par exemple,
• Capacité d'échange de la résine (CE, en °F/litre de résine, par exemple).

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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(début de page)................................................ (traitements spécifiques)

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Fin du chapitre Echange d'ions