IONS ÉCHANGEURS D'

Permutations d'ions

La permutation d'ions est le mode d'utilisation le plus simple et le plus fréquent, tant au laboratoire que dans l'industrie. Si les conditions chimiques sont telles que la solution contienne une espèce capable de se fixer dans la résine, la solution abandonne le soluté jusqu'à ce que toute la résine de la colonne soit en équilibre avec la solution. On dit qu'il y a permutation de l'ion initial de la résine par l'ion apporté par la solution. Une fois la permutation terminée, la résine est saturée et doit être régénérée avant de pouvoir être utilisée à une nouvelle opération. Ce procédé extrêmement simple permet d'effectuer des séparations entre le composé fixé par la colonne et d'autres espèces non fixées qui passent dans l'effluent. Le choix des conditions chimiques est le facteur essentiel qui permet de rendre une fixation sélective.

L'exemple typique le plus important au point de vue économique (99 p. 100 de toutes les résines échangeuses d'ions) est le traitement des eaux naturelles. Ces eaux contiennent des sels dissous, qui sont gênants pour certains usages et doivent donc être éliminées. Parfois, on se contente d'« adoucir » l'eau en remplaçant les ions alcalino-terreux (Ca²⁺, Mg²⁺), qui donnent des dépôts de calcaire et de tartre, par des ions alcalins (Na⁺) :

Une fois la résine saturée en calcium, on la régénère par une solution de chlorure de sodium concentrée.

Dans de nombreux cas, on a besoin d'eau totalement débarrassée de ses impuretés. Supposons que le sel dissous soit du chlorure de sodium. Par passage sur une colonne de résine échangeuse de cations sulfonate sous forme H⁺, on a :

On recueille ainsi une solution d'acide chlorhydrique, que l'on fait passer sur une colonne de résine échangeuse d'anions sous forme OH^- :

On recueille donc de l'eau pure, qui est dite « bipermutée » ou « désionisée ».

Très souvent, on mélange dans une même colonne de la résine échangeuse de cations et de la résine échangeuse d'anions en proportions équivalentes du point de vue des capacités. Une fois les résines saturées, on doit, bien sûr, les séparer (on utilise pour cela le fait qu'elles n'ont pas la même densité), puis régénérer l'échangeur de cations par l'acide chlorhydrique, l'échangeur d'anions par la soude. L'eau obtenue est très pure ; en particulier, le gaz carbonique dissous et la silice sont éliminés :

Les eaux contiennent des matières organiques provenant de la dégradation des végétaux (feuilles des arbres, etc.), qui sont des mélanges complexes d'acides polycarboxyliques de grande masse moléculaire que l'on désigne sous le nom d'acides humiques (ceux qui sont insolubles dans HCl à pH 1) et d'acides fulviques (solubles dans HCl à pH 1). Les concentrations de ces acides varient avec le lieu et avec la saison, le maximum étant atteint au milieu de l'hiver. Ces substances se fixent sur les échangeurs d'anions, de façon irréversible, c'est-à-dire qu'une fois fixées, du fait de leur taille importante, elles ne sont pas chassées lors de la régénération. Peu à peu, la résine « s'empoisonne » et sa capacité diminue. Vu l'importance économique du traitement des eaux, le problème a été très étudié et a conduit à la synthèse de résines macroporeuses, qui permettent la fixation réversible des acides humiques et fulviques. Ces résines ont la particularité d'être constituées d'un réseau comportant des pores qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de nanomètres et sillonnées de petits canaux rigides où les molécules de taille notable peuvent pénétrer,[...]