Epuration des eaux contaminées par la technique d’électroextraction

La capacité d’échange

La capacité d’échange (CE) est le nombre de sites actifs où l’échange peut se produire. Elle correspond au nombre d’équivalent échangé par litre ou par gramme de matériau sec (Triméllon 1965). La CE varie en fonction de type de l’échangeur et de certains paramètres tel que : – La taille de l’ion échangeable, le taux de gonflement et le taux de réticulation qui contrôlent l’accessibilité des sites actifs ; . – Les conditions d’exploitation ; la température, la concentration et le débit de circulation. La capacité d’échange des échangeurs forts est constante à cause de la dissociation complète de leurs groupements fonctionnels. Tandis qu’elle n’est pas constante pour les échangeurs faibles et varie avec le pH. Elle augmente avec l’augmentation de pH pour un échangeur cationique faible alors qu’elle diminue avec l’augmentation de pH pour un échangeur anionique faible.

Classification des échangeurs d’ions 

Les échangeurs d’ions sont classés en fonction de la nature de leurs groupements fonctionnels en échangeurs cationiques et en échangeurs anioniques. Un échangeur d’ions est dit cationique ou acide s’il échange des cations avec la solution en contact, le groupement fonctionnel étant chargé négativement ; alors qu’il est dit anionique ou basique s’il échange des anions avec la solution en contact et le groupement fonctionnel étant chargé positivement. Chaque type des échangeurs cationiques et anioniques est subdivisé en échangeurs forts et échangeurs faibles. Un échangeur d’ions est qualifié de fort lorsque son groupement fonctionnel est dérivé d’un acide fort tel que l’acide sulfonique ou d’une base forte tel qu’un sel d’ammonium quaternaire ; alors qu’il est qualifié de faible si son groupement fonctionnel est dérivé d’un acide faible tel qu’un acide carboxylique ou d’une base faible tel qu’une amine secondaire. Les principaux groupements fonctionnels utilisés pour la fabrication des échangeurs d’ions (EIs) sont présentés au tableau I.1.  Les échangeurs d’ions sont encore classés en fonction de leur forme mis en œuvre. Ils sont souvent élaborés et commercialisés sous formes de résine échangeuses d’ions (REIs), de membrane échangeuses d’ions (MEIs) ou de textiles échangeurs d’ions (TEIs).

Les résines échangeuses d’ions (REIs)

Les REIs sont des matériaux échangeurs d’ions solides conditionnés sous forme de billes ou en poudre non régénérable. Elles sont principalement choisies en fonction de l’élément à séparer, de but de traitement et des contraintes de l’installation. Les résines les plus couramment utilisés sont les résines polystyréniques et polyacryliques. – Les résines polystyréniques : Les résines polystyréniques sont issues de la copolymérisation de styrène et de DVB par voie radicalaire. Les initiateurs de radicaux sont, en général, I’azo-bis-isobutyro-nitrile AIBN ou les peroxydes. Le taux de réticulation (pourcentage de DVB) varie de 6 à 12% en fonction du type de la matrice recherchée (figure I.3 ) Une fois obtenu, le squelette polystyréniques est modifié chimiquement pour obtenir en fonction de réactif utilisé des copolymères échangeurs de cations ou d’anions. La sulfonation de polystyrène conduit aux résines sulfoniques (figure I.4) tel que l’Amberjet 1200, la Duolite C 20, l’Amberlite IR120, la Lewatit 5100, etc La fonctionnalisation des billes de polystyrène réticulé avec du chloro-méthyl méthyl éther, en milieu anhydre et en présence d’un catalyseur suivie d’une substitution du chlore du groupe chloro-méthylé par des amines ou de l’ammoniac conduit aux résines échangeuses d’anions dont la basicité est liée aux groupements » amino » qu’il porte (figure I.5). Les ammoniums quaternaires donnent à la REI un caractère fortement basique tandis que les amines donnent à la résine un caractère relativement faible

La capacité utile 

La capacité utile est la capacité réellement utilisée au cours de l’échange d’ions. Elle correspond à la capacité d’échange de la REI disponible au début de cycle d’échange à laquelle est retranchée la capacité restante en fin d’utilisation (saturation). Dans une colonne à percolation (système dynamique), un front d’échange se forme et se déplace vers la sortie de la colonne (figure I.8). La réaction d’échange solution/résine a lieu dans une zone bien définit appelée zone de réaction. La longueur de cette zone de réaction dépend des paramètres d’exploitation de la colonne tel que : – La vitesse d’écoulement ; – La température ; – La hauteur du lit de résine ; – L’efficacité de la régénération.

La granulométrie 

La granulométrie correspond à la distribution en tailles des grains de la REI. La taille ainsi que la forme des particules sont déterminées par les conditions de fabrication. Une granulométrie fine favorise l’échange mais elle présente des pertes de charge élevées et des problèmes de colmatage. En pratique, il est très important d’avoir une résine de granulométrie uniforme. Les résines courantes ont des granulométries de 0,3 à 1,2 mm 

La structure et la porosité

La porosité d’une résine est définie comme étant le rapport du volume non solide sur le volume total de la résine. En fonction de leur porosité les résines peuvent être : -Des résines type gel ou microporeuses dont la porosité est issue de la réaction de polymérisation et dépond de polymère et de taux de DVB utilisé (figure I.9). Elles sont caractérisées par des porosités et des résistances osmotiques faibles. – Des résines type macroporeux où le polymère est gonflé par l’addition d’une substance porogène pour créer dans la matrice des canaux ouverts (figures I.9 et I.10). Ces résines permettent l’adsorption des molécules de grande taille et s’adaptent mieux aux contraintes mécaniques de débit et de pression.