Application des résines échangeuses d'ions dans les systèmes de traitement de l'eau

1. Définition d'un ion Résine échangeuse

Les résines échangeuses d'ions sont des composés polymères insolubles, dotés de groupes fonctionnels et d'une structure réticulée, se présentant généralement sous forme de billes sphériques. Le nom complet d'une résine échangeuse d'ions se compose de son nom de classification, du nom de sa matrice (ou squelette) et de son nom de base. Actuellement, les résines échangeuses d'ions sont largement utilisées dans de nombreux domaines, notamment le traitement de l'eau, l'industrie chimique, la métallurgie, l'agroalimentaire, la tannerie et la production pharmaceutique ultrapure.

2. Classification des résines échangeuses d'ions selon la qualité de l'eau

Les résines échangeuses d'ions se classent, selon leur matrice, en résines à base de styrène et résines à base d'acrylique. Le type de groupes fonctionnels chimiquement actifs présents sur la résine détermine ses propriétés principales et sa catégorie. On distingue principalement deux grands groupes : les résines échangeuses de cations et les résines échangeuses d'anions, capables d'échanger respectivement des cations et des anions en solution. Les résines cationiques sont elles-mêmes subdivisées en résines à cations fortement acides (SAC) et résines à cations faiblement acides (WAC). De même, les résines anioniques sont subdivisées en résines à anions fortement basiques (SBA) et résines à anions faiblement basiques (WBA).

3. Application des résines échangeuses d'ions dans l'industrie du traitement de l'eau

Le traitement de l'eau est l'un des premiers secteurs d'application des résines échangeuses d'ions et représente une part importante de la demande, soit environ 90 % de la production totale. En purification de l'eau, ces résines servent à l'adoucissement, au dessalement et à la production d'eau adoucie, d'eau pure et d'eau ultrapure. Dans le traitement des eaux usées, elles sont principalement utilisées pour réduire la concentration d'ions de métaux lourds grâce à une réaction d'échange entre les ions échangeables de la résine et les ions de métaux lourds présents dans les eaux usées, permettant ainsi une purification poussée.

3.1 Application des résines échangeuses d'ions dans l'adoucissement de l'eau

a. Composition et fonction des filtres adoucisseurs :

Les adoucisseurs d'eau entièrement automatiques se composent principalement de trois éléments clés : le réservoir de résine, la vanne de régulation multivoies automatique et le réservoir de saumure. Le réservoir de résine contient de la résine échangeuse d'ions qui adsorbe les ions calcium (Ca²⁺) et magnésium (Mg²⁺) présents dans l'eau. La vanne de régulation multivoies contrôle le fonctionnement de l'adoucisseur et gère les cycles automatiques de régénération, de rinçage, de lavage à contre-courant et de remplissage du réservoir de saumure. Ce dernier stocke le sel (NaCl) utilisé lors de la régénération de la résine.

b. Principe de fonctionnement des résines ramollissantes :

Les résines adoucissantes éliminent principalement les ions responsables de la dureté de l'eau par échange d'ions. Ces ions, principalement le calcium (Ca²⁺) et le magnésium (Mg²⁺), sont les principaux facteurs contribuant à la dureté de l'eau. La résine adoucissante contient une grande quantité d'ions sodium (Na⁺). Lorsque l'eau traverse le lit de résine, les ions sodium présents à sa surface échangent avec les ions calcium et magnésium contenus dans l'eau, éliminant ainsi les ions responsables de la dureté.

c. Applications des filtres adoucisseurs :

Les applications comprennent l'eau d'alimentation des chaudières, l'eau d'appoint pour les systèmes de climatisation, les échangeurs de chaleur, la fabrication du papier, l'impression et la teinture, les textiles, l'eau pour les procédés pétrochimiques, les produits biopharmaceutiques, l'électronique, le prétraitement pour les systèmes d'eau pure et les systèmes industriels de rejet liquide zéro (ZLD).

3.2 Application des résines échangeuses d'ions dans la production d'eau pure et ultrapure

a. Définition des cuves d'échange cationique/anionique (CAB) :

Les cuves d'échange cationique/anionique, également appelées échangeurs d'ions ou déminéralisateurs, sont des équipements de traitement de l'eau qui exploitent la capacité d'échange d'ions des résines pour éliminer les ions présents dans l'eau. Leur fonctionnement repose sur la propriété d'échange d'ions des résines : les ions fixés sur la résine sont échangés avec les ions correspondants présents dans l'eau, permettant ainsi l'élimination des ions.

b. Principe de fonctionnement des cuves d'échange cationique/anionique :

Un système de déminéralisation typique à deux lits se compose d'un échangeur de cations (échangeur de cations acide) et d'un échangeur d'anions (échangeur d'anions basique) connectés en série. L'eau brute traverse d'abord l'unité cationique. La résine échangeuse de cations y adsorbe les impuretés cationiques présentes dans l'eau, libérant simultanément des ions hydrogène (H⁺) et la rendant acide. L'eau passe ensuite dans un décarbonateur (ou dégazeur) pour éliminer le dioxyde de carbone (CO₂) libéré sous forme gazeuse, assurant ainsi un échange efficace dans l'unité anionique en milieu acide. Enfin, l'eau traverse l'unité anionique, où la résine échangeuse d'anions élimine les impuretés anioniques.

c. Domaines d'application des cuves d'échange cationique/anionique :

Dans des secteurs comme la chimie, l'énergie et la métallurgie, ces systèmes sont couramment utilisés pour adoucir l'eau d'alimentation des chaudières afin de prévenir la formation de tartre et les problèmes de corrosion. En irrigation agricole, l'utilisation d'eau traitée par ces systèmes contribue à réduire la salinisation des sols. Ils jouent également un rôle important dans les étapes de prétraitement du dessalement de l'eau de mer, en créant des conditions favorables aux traitements plus poussés qui suivront.

3.3 Application des lits mixtes polis dans la production d'eau pure et ultrapure

a. Définition des lits mixtes polis :

La résine de polissage est généralement utilisée à l'étape finale (polissage) des systèmes de traitement d'eau ultrapure afin de garantir que la qualité de l'effluent réponde aux normes requises, atteignant souvent une résistivité de 18 MΩ·cm ou plus. Il s'agit d'un type de résine échangeuse d'ions, plus précisément d'un mélange de résine échangeuse de cations à acide fort sous forme d'ions hydrogène (H⁺) et de résine échangeuse d'anions à base forte sous forme d'ions hydroxyde (OH⁻).

b. Principe de fonctionnement des résines de polissage :

Un lit mixte poli contient des résines échangeuses de cations et d'anions parfaitement mélangées dans un même récipient. Dans ce lit mixte, les résines cationiques et anioniques sont intimement mélangées, permettant ainsi aux réactions d'échange cationique et anionique de se dérouler de manière quasi simultanée. Les ions hydrogène (H⁺) produits par l'échange cationique de type H et les ions hydroxyde (OH⁻) produits par l'échange anionique de type OH ne peuvent s'accumuler et se combiner immédiatement pour former des molécules d'eau faiblement dissociées. Ceci élimine pratiquement l'effet des contre-ions, permettant à la réaction d'échange ionique de se dérouler de manière très complète et aboutissant à un effluent de haute pureté. Lorsque les ions de la résine de polissage sont épuisés, celle-ci est régénérée à l'aide de solutions acides et alcalines afin de restaurer efficacement les ions hydrogène et hydroxyde et de renouveler sa capacité de travail.

c. Domaines d'application :

Industrie électronique : Production d'eau de haute pureté nécessaire aux semi-conducteurs et autres composants électroniques.

Centrales électriques : Utilisation intensive dans les systèmes de traitement de l'eau pure pour les centrales thermiques.

Chimie de synthèse et industrie pétrochimique : Les résines échangeuses d’ions peuvent agir comme catalyseurs, remplaçant les acides et les bases inorganiques dans des réactions telles que l’estérification, l’hydrolyse et l’hydratation.

Industrie pharmaceutique : Les résines échangeuses d'ions jouent un rôle important dans le développement d'antibiotiques de nouvelle génération et l'amélioration de la qualité des antibiotiques existants.