ECHANGE D'IONS

L’échange d’ions est le procédé par lequel des ions contenus dans une solution sont adsorbés sur un matériau « les résines échangeuses d’ions » pour être remplacés par une quantité équivalente d’autres ions de même polarité. Cette capacité d’échange, spécifique à chaque résine est limitée. A saturation, il convient de procéder à la « régénération » des résines pour leur redonner tout leur potentiel d’échange d’origine. Il existe différents procédés:

TECHNOLOGIE

La mise en œuvre des résines se fait dans des réservoirs cylindriques travaillant sous pression et disposant pour réaliser l’ensemble des séquences de régénérations et de mises en production soit d’une vanne multivoies utilisée principalement pour les faibles et moyens débits, soit d’une panoplie à plusieurs vannes de type à membrane ou papillon pour les hauts débits.

Echangeur d’ions à vanne multivoies
Application standard

Echangeurs d’ions à panoplie de vannes
Application industrielle

Certains sels alcalino-terreux (calcium et magnésium principalement) présentent l’inconvénient d’être faiblement solubles dans l’eau. Ils peuvent ainsi former, suivant leur concentration et  la température de l’eau, un dépôt solide appelé tartre.
 
L’adoucissement est le procédé qui met en œuvre une résine échangeuse d’ions de type sulfonique permettant de transformer les sels de calcium et magnésium en sels de sodium parfaitement solubles suivant la réaction :
 
R_SO₃Na + CaCl => R_SO₃Ca + NaCl
 
 
Lorsque la résine est saturée en calcium et magnésium, elle est régénérée sous forme sodium à l’aide d’une solution de saumure saturée NaCl suivant la réaction :
 
 

R_SO₃Ca + NaCl => R_SO₃Na + CaCl

Les hydrogénocarbonates de calcium et magnésium sont les sels de l’eau les moins stables et par conséquent présentant les risques les plus élevés de précipitation sous forme solide, c’est à dire entartrant.

La décarbonatation est le procédé qui met en œuvre une résine échangeuse d’ions de type carboxylique permettant de transformer les sels d’hydrogénocarbonates de calcium et magnésium (dureté temporaire) en acide carbonique suivant la réaction :

R_CO2H + Ca(HCO3)2 =>  R_COOCa + H2CO3
                                                                                       
On profite de la faible stabilité de l’acide carbonique et de la faible solubilité de son anhydride CO2 dans l’eau pour l’éliminer par une tour de dégazage atmosphérique.


H2CO3 => H2O + CO2

La dureté permanente ou dureté non carbonatée (CaCL2, CaSO4, MgCl2, MgSO4) n’est pas modifiée.

Lorsque la résine est saturée en calcium et magnésium, elle est régénérée sous forme hydrogène H+ à l’aide d’un acide fort (chlorhydrique ou sulfurique le plus souvent) suivant la réaction :


R_SO3Ca + HCl => R_SO3H + CaCl

L’ensemble des sels minéraux contenus dans une eau peut être éliminé en utilisant conjointement les résines échangeuses d’ions cationiques (groupe sulfonique) et résines anioniques (groupe ammonium quaternaire)  soit montées en série dans deux réservoirs distincts soit mélangées dans un même réservoir. Les réactions de saturation débutent par la décationisation puis se poursuit par la désacidification. L’exemple de déminéralisation d’un sel de chlorure de sodium NaCl est le suivant :



Echange cationique+Echange anionique
R_SO3H + NaCl => R_SO3Na + HCl    R_N(CH3)3OH + HCl => R_SO3Cl + H2O

Lorsque les résines sont saturées, elles sont régénérées sous forme hydrogène H+ pour la résine cationique à l’aide d’un acide fort (chlorhydrique ou sulfurique le plus souvent) et sous forme d’hydroxyde OH- à l’aide d’un hydroxyde de sodium (lessive de soude) pour la résine anionique :

Régénération cationique+Régénération anionique
R_SO3Na + HCl => R_SO3H + NaCl    R_N(CH3)3Cl + NaOH => R_SO3OH + NaCl 

La dénitratation est le procédé qui met en œuvre une résine échangeuse d’ions de type ammonium quaternaire permettant d’échanger les sels de nitrates de l’eau par des sels de chlorures suivant la réaction :

R_N(CH3)3Cl + NaNO3 => R_SO3NO3 + NaCl


Lorsque la résine est saturée en calcium et magnésium, elle est reconditionnée sous forme sodium à l’aide d’une solution de saumure saturée NaCl suivant la réaction :


R_SO3NO3a + NaCl => R_SO3Cl + NaNO3