Séparations électrochimiques - Électrodialyse

Lélectrodialyse est une technique qui permet d’extraire, tout en restant en phase liquide et à température constante, les ions d’un milieu liquide ou pâteux : sous l’influence d’un champ électrique, les ions d’une solution sont transférés dans une autre solution séparée de la première par une membrane.

Le domaine courant d’utilisation de l’électrodialyse est la déminéralisation de liquides contenant initialement des ions minéraux en solution, aqueuse ou non aqueuse, à des concentrations de l’ordre de 0,05 à 1 mol/L : eaux de mer, eaux saumâtres, jus sucrés, eaux résiduaires de bains d’électrodéposition. Mais, à côté de ces utilisations à caractère industriel, il existe un certain nombre d’applications de type analytique qui ont pris naissance dès 1903 avec la purification des colloïdes lyophiles et peuvent concerner des solutions beaucoup plus diluées (quelques milligrammes par litre) et entrent dans la catégorie des analyses assistées par des membranes.

L’électrodialyse peut opérer dans une gamme de températures allant de 0 à 80 ˚C ; toutefois, le choix de la meilleure température dépend à l’heure actuelle essentiellement de la tenue des membranes employées. De plus, l’élévation de température ne doit pas provoquer de dégradation des solutions biologiques. En outre, le milieu ne doit pas être très visqueux afin de pouvoir être pompé dans les petits canaux (0,25 à 20 mm) des appareils d’électrodialyse.

Néanmoins, grâce à ses conditions opératoires aisées d’accès, l’électrodialyse donne la possibilité de choisir la température constante la mieux adaptée aux substances contenues dans les solutions, de modifier ou non le milieu ambiant, de moduler la durée de la séparation.

Initialement, l’électrodialyse n’était pas un moyen analytique, puisqu’elle ne constituait pas un moyen de détection : elle était et reste une méthode de séparation préalable à la mesure qualitative ou quantitative d’une espèce. Cependant, l’amélioration des connaissances théoriques et les perfectionnements apportés aux appareils font qu’elle peut servir de moyen de détermination de la quantité d’un ion, mais qu’elle ne saurait permettre son identification.

Dans cette optique, elle peut être utilisée pour des opérations dans lesquelles la notion de rendement énergétique ou de production rentable n’est pas le facteur primordial.

En mettant à profit la faculté de réaliser une solution ayant une très faible teneur en ions, de former un concentrat où se retrouvent les ions provenant du diluat et de faire réagir les ions formés, il est possible d’utiliser l’électrodialyse comme moyen de séparation préanalytique de trois façons différentes :

• soit pour débarrasser une solution de traces de façon à ne conserver que le produit noble unique qui pourra être dosé par une méthode classique ou servir lui-même de réactif de dosage ;

• soit pour concentrer une ou plusieurs traces dans le compartiment du concentrat, de façon à obtenir une concentration susceptible d’être mesurée par une méthode de dosage classique ;

• soit pour séparer les composés nobles les uns des autres, pour pouvoir les doser facilement ensuite.

• Ces séparations peuvent être réalisées sans apporter de modification chimique aux traces, aux produits, aux composés : c’est l’électrodialyse non réactive utilisée lorsque les charges électriques ou les tailles des espèces sont nettement différentes. Toutefois, l’absence de transformation chimique n’interdit pas de modifier les caractéristiques physico-chimiques des espèces en agissant sur le pH, la force ionique, la température en fonction de leurs constantes de dissociation ( pK_a, pK_b ), de leur point isoélectrique ( pl ), de leur solubilité ( pK_s ) pour faire varier le nombre de charge ou la mobilité des ions, la viscosité, l’état d’équilibre des associations ou la solubilité des sels. La déminéralisation des solutions d’acides aminés en est un exemple.

• Dans d’autres cas, il faut avoir recours à une modification chimique des espèces dans l’électrodialyseur lui-même pour que la séparation puisse avoir lieu : c’est l’électrodialyse réactive. La transformation, qui crée un certain nombre d’espèces nouvelles, neutres ou chargées, solubles ou insolubles, peut avoir lieu :

  • soit dans le compartiment de dilution ;

  • soit dans le compartiment de concentration ou le compartiment des électrodes ;

  • soit sur la ou les membranes.

  Cette transformation peut consister en une véritable réaction chimique :

  • entre les ions initiaux, mais répartis différemment dans les divers compartiments (double conversion ou métathèse) ;

  • entre les composés initiaux et les ions provenant des électrodes ou d’un autre compartiment ;

  • entre certains ions initiaux et les membranes ;

  • entre les composés initiaux et des corps nouveaux ajoutés, tels des agents adsorbants, complexants, séquestrants, floculants ou solubilisants (par exemple : résines échangeuses d’ions, charbon actif, EDTA, amines, polyphosphates).

Lorsque le traitement porte sur des solutions, celles-ci peuvent être au repos : c’est l’électrodialyse statique, ou en mouvement : c’est l’électrodialyse dynamique. La première a été mise en œuvre dès les origines pour traiter les solutions biologiques (par exemple, solutions d’acides aminés), tandis que la seconde, plus récente, est surtout employée dans le cas des solutions d’ions minéraux.

Dans tous les cas, l’opération est tributaire du nombre et de la nature des membranes séparatrices utilisées.

Pour de plus amples détails sur les applications industrielles, le lecteur pourra consulter l’article [51] du traité Génie des procédés.