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1 - STRUCTURE DES DIVERS TYPES D'ÉCHANGEURS D'IONS

2 - PROPRIÉTÉS GÉNÉRALES DES RÉSINES

3 - RÉACTIONS D'ÉCHANGE D'IONS

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J2783 v2

Échange d'ions - Principes de base

Auteur(s) : François DE DARDEL

Relu et validé le 14 sept. 2020

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Présentation

RÉSUMÉ

L'échange d'ions est un procédé dans lequel les ions d'une certaine charge contenus dans une solution sont éliminés de cette solution par adsorption sur un matériau solide (l'échangeur d'ions), pour être remplacés par une quantité équivalente d'autres ions de même charge émis par le solide. Cet article présente la structure des résines échangeuses d'ions, leurs propriétés et les réactions chimiques qui gouvernent l'échange d'ions.

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ABSTRACT

Ion Exchange ? Basic Principles

Ion exchange is a chemical process in which a solution containing ions with a given charge are removed from solution by adsorption on a solid material (the ion exchanger) and replaced by other ions with the same charge initially present in the solid ion exchanger. This paper presents the structure of ion exchange resins, their properties, and the chemical reactions involved in the ion exchange process.

Auteur(s)

INTRODUCTION

L'échange d'ions est un procédé chimique dans lequel les ions d'une certaine charge contenus dans une solution (par exemple des cations) sont éliminés de cette solution par adsorption sur un matériau solide (l'échangeur d'ions), pour être remplacés par une quantité équivalente d'autres ions de même charge émis par le solide. Les ions de charge opposée ne sont pas affectés. Cette technologie a été développée à l'échelle industrielle après la seconde guerre mondiale, principalement dans les années 1950-1970.

Un échangeur d'ions est un sel, un acide ou une base, solide et insoluble dans l'eau, mais hydraté, c'est-à-dire gonflé d'eau comme une éponge. La teneur en eau d'un matériau apparemment sec peut être de plus de 50 % de sa masse totale et les réactions d'échange se déroulent dans cette eau, dite eau de gonflement ou d'hydratation, à l'intérieur de l'échangeur.

L'échange d'ions est à la base d'un grand nombre de procédés de l'industrie ou de laboratoire, qui peuvent se classer en trois catégories principales : substitution, séparation et élimination :

Substitution : un ion noble (par exemple le cuivre) est récupéré dans la solution et remplacé par un autre sans valeur. De façon analogue, un ion nocif (par exemple un cyanure) est retiré de la solution et remplacé par un autre inoffensif.

Séparation : une solution contenant un certain nombre d'ions différents (par exemple Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, tous sous forme de chlorures) est passée au travers d'une colonne de billes de résine. Les ions sont séparés et émergent par ordre croissant d'affinité pour la résine.

Élimination : en utilisant une combinaison de résine échangeuse de cations (sous forme H+) et de résine échangeuse d'anions (sous forme OH), tous les ions sont enlevés et remplacés par de l'eau (H+OH). La solution est ainsi déminéralisée. Cela est en réalité une variante particulière de la substitution.

Bien que substitution et élimination puissent être réalisées en discontinu sans agitation, le procédé en colonne compacte de séparation est le plus souvent adopté pour les trois types d'applications, en raison de la meilleure efficacité des deux phases du cycle d'échange, à savoir la fixation et l'élution.

L'échange d'ions est une technologie particulièrement adaptée au traitement de solutions de faible concentration, la plupart du temps inférieure à 1 g/L. Il y a toutefois des exceptions.

Cet article présente les principes chimiques régissant la fabrication des résines échangeuses d'ions, leurs propriétés physico-chimiques et les réactions d'échanges les plus couramment utilisées.

L'article suivant [J 2 784] présente les technologies d'application et la mise en œuvre industrielle des échanges d'ions.

Aperçu historique

Précurseurs

La découverte de l'échange d'ions date du milieu du XIX e siècle : Thompson  et Way  remarquèrent que du sulfate d'ammonium, après percolation à travers un tube rempli de terre, se transformait en sulfate de calcium.

En 1905, Gans  adoucit de l'eau pour la première fois en la faisant passer sur un aluminosilicate de sodium. Celui-ci pouvait être régénéré avec une solution de chlorure de sodium. En 1935, Liebknecht  et Smit  découvrirent que certains charbons pouvaient être sulfonés pour donner un échangeur de cations chimiquement et mécaniquement stable. Par ailleurs, Adams et Holmes  inventèrent les premiers échangeurs de cations et d'anions synthétiques, produits de la polycondensation du phénol avec du formaldéhyde d'une part, avec une polyamine d'autre part. La déminéralisation devenait alors possible.

Aujourd'hui, les silicoaluminates et les résines formophénoliques sont réservés à des cas particuliers et le charbon sulfoné a été remplacé par le polystyrène sulfoné.

Deuxième génération : résines polystyréniques

C'est en 1944 que d'Alelio inventa la première résine à base de polystyrène , fabriquée selon le procédé décrit dans le paragraphe 1. Deux ans plus tard, Mc Burney  produisait les échangeurs d'anions correspondants, par chlorométhylation et amination du même type de squelette.

Les échangeurs d'anions connus jusqu'alors étaient faiblement basiques et ne fixaient que les acides minéraux. Les nouvelles résines produites selon le procédé de Mc Burney, de plus forte basicité, permirent l'adsorption des acides faibles tels que le dioxyde de carbone ou la silice. On pouvait maintenant déminéraliser totalement l'eau et produire une pureté que l'on n'obtenait précédemment que par distillation multiple dans du platine.

Aujourd'hui encore, l'échange d'ions est le seul procédé capable de produire la qualité d'eau requise pour les chaudières à haute pression et pour la fabrication des semi-conducteurs.

Troisième génération : résines macroporeuses

Pour faire face à deux problèmes d'exploitation, l'empoisonnement des résines par les acides organiques naturels présents dans les eaux de surface et les contraintes mécaniques provenant des débits de plus en plus élevés des installations, trois producteurs indépendants (suite inventèrent des résines plus fortement réticulées mais contenant des pores artificiels ouverts, sortes de canaux d'un diamètre allant jusqu'à 150 nm, qui permettaient l'adsorption de molécules de grande taille. Par convention, on appelle résines macroporeuses celles où le polymère est gonflé artificiellement par addition d'une substance dite porogène, qui est soluble dans le monomère mais ne polymérise pas (§ 2.1.4). Les autres résines sont dites de type gel.

Quatrième génération : échangeurs d'anions polyacryliques

Entre 1970 et 1972, un nouveau type de résines échangeuses d'anions à squelette polyacrylique apparut sur le marché. Ces produits ont une résistance exceptionnelle à l'empoisonnement organique et une très bonne stabilité mécanique due à l'élasticité du polymère et leur utilisation va en augmentant.

Nouveaux développements

La technologie de fabrication des résines a atteint une certaine maturité ; l'effort des fabricants porte aujourd'hui davantage sur la stabilité des résines et sur l'uniformité de leur distribution granulométrique (§ 2.5) que sur la recherche de nouveaux polymères ou de groupes fonctionnels inédits.

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KEYWORDS

chromatography   |   selective separations   |   water treatment   |   purification of sugar juices   |   resins   |   ion exchange

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-j2783


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - THOMPSON (H.S.) -   On the adsorbent power of soils.  -  J. Royal agric. Soc., Grande-Bretagne, 11, p. 68 (1850).

  • (2) - WAY (J.T.) -   *  -  J. Royal Agric. Soc., Grande-Bretagne, 11, p. 313 (1850).

  • (3) - GANS (R.) -   *  -  Jb. Preuss. Geol. Landesamt, 26, p. 126 (1905).

  • (4) - LIEBKNECHT (O.) -   *  -  US Pat. 2 191 060.

  • (5) - SMIT (P.) -   *  -  US Pat. 2 191 063.

  • (6) - ADAMS (B.A.), HOLMES (E.L.) -   *  -  J. Soc. Chem. Ind., 54, p. 1 (1925).

  • (7) - D'ALELIO (G.F.) -   *  -  US...

1 Sites Internet

DE DARDEL François : L'échange d'ions http://dardel.info/IX/index_FR.html

HAUT DE PAGE

2 Événements

Congrès : The International Ion Exchange Conference Queens′ College, University of Cambridge, Royaume-Uni. A lieu tous les 4 ans. Dernier congrès en septembre 2012.

HAUT DE PAGE

3 Annuaire

HAUT DE PAGE

3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs – Fabricants de résine

Producteurs internationaux

Dow Chemical http://www.dowwaterandprocess.com/en

Lanxess http://www.lewatit.com

Mitsubishi Chemical http://www.diaion.com/en/products/index.html

Purolite http://www.purolite.com/

Producteurs régionaux

Aldex ...

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