Bien que beaucoup d’entre nous aient entendu parler des résines échangeuses d’ions (IX), peu d’entre nous maîtrisent le fonctionnement réel de cette technologie. Que vous pesiez des stratégies de traitement potentielles, que vous cherchiez des moyens de tirer le meilleur parti de vos résines IX existantes ou que vous soyez simplement curieux de la chimie de l’IX, vous vous demandez peut-être  » Qu’est-ce qu’une résine échangeuse d’ions et comment fonctionne-t-elle ? »

Quel que soit votre objectif, cet article vous aidera à prendre de meilleures décisions sur les bonnes stratégies de traitement de l’eau pour votre installation en vous aidant à mieux comprendre la technologie des résines IX, et comment elle sert une variété de besoins de traitement et de séparation de l’eau.

Que sont les résines échangeuses d’ions ?

L’échange d’ions est une réaction chimique réversible où les ions dissous sont retirés de la solution et remplacés par d’autres ions de charge électrique identique ou similaire. N’étant pas un réactif chimique en soi, la résine IX est plutôt un milieu physique qui facilite les réactions d’échange d’ions. La résine elle-même est composée de polymères organiques qui forment un réseau d’hydrocarbures. La matrice polymère comporte des sites d’échange d’ions, où des « groupes fonctionnels » d’ions à charge positive (cations) ou négative (anions) sont fixés au réseau polymère. Ces groupes fonctionnels attirent facilement les ions de charge opposée.

Quelles sont les propriétés physiques des résines IX?

La forme géométrique, la taille et la structure des résines IX peuvent varier d’un type à l’autre. La plupart des systèmes d’échange d’IX emploient un lit de résine constitué de microbilles minuscules et poreuses, bien que certains systèmes, tels que ceux utilisés pour l’électrodialyse, utilisent une résine maillée en forme de feuille. Les billes de résine IX sont généralement petites et sphériques, avec un rayon de seulement 0,25 à 1,25 millimètre. Selon l’application et la conception du système, les billes de résine peuvent avoir une taille de particule uniforme ou une distribution de taille gaussienne. La plupart des applications utilisent des billes de résine en gel, qui ont un aspect translucide, et offrent une capacité et une efficacité chimique élevées. Les résines macroporeuses, reconnaissables à leur aspect blanc ou jaune opaque, sont généralement réservées aux conditions exigeantes, car elles présentent une stabilité et une résistance chimique comparativement plus grandes.

De quoi sont faites les résines IX ?

La matrice de résine IX est formée par la réticulation des chaînes d’hydrocarbures entre elles dans un processus appelé polymérisation. La réticulation donne à la résine polymère une structure plus forte, plus résiliente et une plus grande capacité (en volume). Si la composition chimique de la plupart des résines IX est le polystyrène, certains types sont fabriqués à partir d’acrylique (acrylonitrile ou acrylate de méthyle). La résine polymère subit ensuite un ou plusieurs traitements chimiques pour lier des groupes fonctionnels aux sites d’échange d’ions situés dans la matrice. Ce sont ces groupes fonctionnels qui confèrent à la résine IX ses capacités de séparation, et ils varient considérablement d’un type de résine à l’autre. Les compositions les plus courantes comprennent :

• Les résines échangeuses de cations acides forts (SAC). Les résines SAC sont composées d’une matrice de polystyrène avec un groupe fonctionnel sulfonate (SO3-) qui est soit chargé en ions sodium (Na2+) pour les applications d’adoucissement, soit en ions hydrogène (H+) pour la déminéralisation
• Résines échangeuses de cations acides faibles (WAC). Les résines WAC sont composées d’un polymère acrylique qui a été hydrolysé avec de l’acide sulfurique ou de la soude caustique pour produire des groupes fonctionnels acide carboxylique. En raison de leur forte affinité pour les ions hydrogène (H+), les résines WAC sont généralement utilisées pour éliminer sélectivement les cations associés à l’alcalinité.
• Résines échangeuses d’anions de bases fortes (SBA). Les résines SBA sont généralement composées d’une matrice de polystyrène qui a subi une chlorométhylation et une amination pour fixer les anions aux sites d’échange. Les résines SBA de type 1 sont produites par l’application de triméthylamine, qui donne des ions chlorure (Cl-), tandis que les résines SBA de type 2 sont produites par l’application de diméthyléthanolamine, qui donne des ions hydroxyde (OH-).
• Résines échangeuses d’anions de bases faibles (WBA). Les résines WBA sont généralement composées d’une matrice de polystyrène qui a subi une chlorométhylation, suivie d’une amination avec de la diméthylamine. Les résines WBA sont uniques en ce qu’elles n’ont pas d’ions échangeables, et sont donc utilisées comme absorbeurs d’acide pour éliminer les anions associés aux acides minéraux forts.
• Résines chélatrices. Les résines chélatrices sont le type le plus courant de résine spécialisée, et sont utilisées pour l’élimination sélective de certains métaux et autres substances. Dans la plupart des cas, la matrice de la résine est composée de polystyrène, bien qu’une variété de substances soient utilisées pour les groupes fonctionnels, y compris le thiol, le triéthylammonium et l’aminophosphonique, parmi beaucoup d’autres.

Comment fonctionne la résine échangeuse d’ions ?

Pour bien comprendre comment fonctionnent les résines IX, il est important de comprendre d’abord les principes de la réaction d’échange d’ions. En termes simples, l’échange d’ions est un échange réversible de particules chargées – ou ions – avec celles de même charge. Cela se produit lorsque les ions présents sur une matrice de résine IX insoluble échangent effectivement leur place avec des ions de charge similaire présents dans une solution environnante.

La résine IX fonctionne de cette façon grâce à ses groupes fonctionnels, qui sont essentiellement des ions fixes liés de façon permanente à la matrice polymère de la résine. Ces ions chargés se lient facilement avec des ions de charge opposée, qui sont délivrés par l’application d’une solution de contre-ion. Ces contre-ions continueront à se lier aux groupes fonctionnels jusqu’à ce que l’équilibre soit atteint.

Lors d’un cycle IX, la solution à traiter serait ajoutée au lit de résine IX et on la laisserait s’écouler à travers les billes. Lorsque la solution se déplace à travers la résine IX, les groupes fonctionnels de la résine attirent les contre-ions présents dans la solution. Si les groupes fonctionnels ont une plus grande affinité pour les nouveaux contre-ions que ceux déjà présents, les ions en solution vont déloger les ions existants et prendre leur place, en se liant aux groupes fonctionnels par une attraction électrostatique partagée. En général, plus la taille et/ou la valence d’un ion est grande, plus il aura d’affinité avec les ions de charge opposée.

Appliquons ces concepts à un système d’adoucissement de l’eau IX typique. Dans cet exemple, le mécanisme d’adoucissement est constitué d’une résine échangeuse de cations où des groupes fonctionnels d’anions sulfonates (SO3-) sont fixés à la matrice de résine IX. Une solution de contre-ion contenant des cations sodium (Na+) est ensuite appliquée sur la résine. Les Na+ sont maintenus sur les anions SO3- fixés par attraction électrostatique, ce qui donne une charge neutre nette dans la résine. Au cours d’un cycle actif IX, un flux contenant des ions de dureté (Ca2+ ou Mg2+) est ajouté à la résine échangeuse de cations. Comme les groupes fonctionnels SO3- ont une plus grande affinité pour les cations de dureté que pour les ions Na+, les ions de dureté déplacent les ions Na+, qui sortent ensuite de l’unité IX en tant que partie du flux traité. Les ions de dureté (Ca2+ ou Mg2+), en revanche, sont retenus par la résine IX.

Qu’est-ce que la régénération de la résine ?

Au fil du temps, les ions contaminants se lient à tous les sites d’échange disponibles dans la résine IX. Une fois que la résine est épuisée, elle doit être restaurée pour une utilisation ultérieure par ce que l’on appelle un cycle de régénération. Pendant un cycle de régénération, la réaction d’échange d’ions est essentiellement inversée par l’application d’une solution régénérante concentrée. Selon le type de résine et l’application concernée, le régénérant peut être un sel, un acide ou une solution caustique. Au fur et à mesure du cycle de régénération, la résine IX libère des ions contaminants, qui sont remplacés par des ions présents dans la solution régénérante. Les ions contaminants sortent du système IX en tant que partie du flux d’effluent du régénérant, et doivent être évacués de manière appropriée. Dans la plupart des cas, la résine est rincée pour éliminer tout régénérant résiduel avant le prochain cycle actif d’IX.

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