UNIVERSITE SAINT-ESPRIT DE KASLIK FACULTE DES SCIENCES DEPARTEMENT DE CHIMIE ET SCIENCES DE LA VIE

Chimie des procdschangeuse dd ions

Prparer par: Kafrouny Eliane

Gnralement, le terme change d ions signifie change d ions de mme signe entre une solution et un corps solide trs peu soluble en contact avec elle.

Solvant + ions

Solvant pur

solution ionis

changeuse d ions

Solution desionise

L changeuse d ions est une technique de sparation impliquant un processus de percolation.La phase mobile o le liquide contenant les composs sparer s infiltre au travers de la phase stationnaire. La diffrence d affinit des soluts vis--vis de la phase stationnaire entraine par des sortions et dsorptions rptes lors de la percolation Une sparation progressive des composs.

Schma de principe de lchangeuse dions

L changeur d ions doit intrinsquement contenir ses propres ions, et pour que l change se fasse suffisamment rapidement, il doit avoir une structure molculaire permable et ouverture sur l extrieur, de faon ce que les ions et les molcules de solvant puissent entrer et sortir librement.

Tous les changeurs ont en commun les proprits suivantesa. Ils sont pratiquement insolubles dans l eau et dans les solvants organiques. a. Ils comportent des contre-ions qui peuvent s changer rversiblement avec d autres ions de la solution environnante, sans qu il y ait de modifications des proprits du matriau.

Une rsine intressante doit satisfaire aux quatre conditions suivantes:1. 2. Elle doit tre suffisamment rticule pour avoir une solubilit ngligeable. Elle doit tre suffisamment hydrophile pour permettre la diffusion des ions au travers de la rsine une vitesse finie et non ngligeable. Elle doit comporter un nombre suffisant de groupes changeurs d ions et tre chimiquement stable. Gonfle, elle doit tre plus dense que l eau.

3.

4.

Capacit dchange ioniqueLa capacit totale d change d une rsine dpend du nombre total de groupes actifs par unit de masse du matriau.Plus le nombre d ions est grand, plus forte est sa capacit

Cette capacit totale d change ionique est gnralement exprime en millimoles par gramme d changeur

quilibre dchange dions"Lorsqu un anion A , apport par l chantillon, est entran par l luant, une suite d quilibres rversibles se produit, rgis par une quation d change qui dtermine sa rpartition entre les deux phases, mobile (PM) et stationnaire (PS). " Le sens 1 correspond la fixation de l anion A sur la PS et le sens 2 son retour dans la PM, donc sa progression dans la Colonne .

partir d une colonne de type cationique, on peut dcrire une situation calque sur la prcdente. (PS correspond par ex. une phase de type Polym-SO3H fortement acide) :

Si K > 1 c..d. laffinit de M+ est suprieur a celle de H+ Si K < 1 c..d. sa prfrence est pour H+ "Si lchantillon contient deux ions X et Y et si KY > KX , Y est plus retenu par la colonne que X.

Affinit des ionsPour de faibles concentrations et temprature ordinaire:

Affinit

La charge

Pour de faibles concentrations, temprature ordinaire et charge constante: L affinit des ions de charge 1 augmente lorsque la taille du cation hydrat diminue.

Pour les ions de charge 2, la dissociation incomplte de leurs sels peut jouer un certain rle, mme si la taille de l ion reste un facteur important.

Pour les rsines changeuses d anions trs basique, l affinit des anions de charge -1 varie en fonction de la taille de l ion hydrat, de manire analogue ce qui est observ pour les cations. En solutions dilues, les anions charge multiple sont gnralement absorbs prfrentiellement. Lorsqu un cation en solution s change avec un ion de charge diffrente, l affinit relative de l ion de plus forte charge augmente proportionnellement la dilution.

Pour changer un ion de forte charge sur l changeur par un ion de faible charge de la solution, on favorisera l change en augmentant la concentration.

Si l ion de plus faible charge est associ l changeur et si celui de plus forte charge est dans la solution, l change sera favoris par de fortes dilutions.

Il sagit de 2 types dchangeuse dions

changeur de cations

changeur danions

Polymre anionique avec des cations actifs

Polymre cationique avec des anions actifs

changeur de cationsRsines utilises dans l industrie :"Amberlite Amberlite IRP88 (faiblement acide forme potassium) : rcuperation des principes actifs "DowexTM 88 (rsine fortement acide): dminralisation du glucose "Amberlite FPC22 Na: purification de lacide citrique "Amberlite FPC14 Na (fortement acide): adoucissement des jus de betterave "Amberlite CR1220 K: dsucrage des mlasses "Amberlite XAD4: pour les contaminants organiques "Amberlyst 15WET: pour les mtaux "Amberjet 1000 ou 1200 ou 1500 (rsine fortement acide):dminralisation deau

changeur danionsRsines utilises dans l industrie :"DuoliteTM AP143 (fortement basique): extraction des principes actifs "Amberlite IRA402 ou Amberjet 4200 ou 4600 (rsine fortement basique): dminralisation d eau "Amberlite FPA98 Cl (acrylique): dcoloration de sirops de canne aprs evaporation "Dowex 66 (rsine faiblement basique): dminralisation du glucose "Amberlite FPA51 (rsine faiblement basique): dminralisation du lactosrum "Ambersep 920U: extraction de l uranium "Duolite A568 (faiblement basique formo-phnolique): immobilisation des enzymes

Avantages et inconvnients des diffrentes rsinesType de rsine Avantages - Elimination complte des Rsines cationiques fortement acidecations - Capacit variable - bonne stabilit physique, - bonne stabilit a l'oxydation, - cot initial faible

Inconvnients - efficacit de fonctionnement

Rsines cationiques faiblement acide

-Trs grande capacit - Trs grande efficacit de fonctionnement

-Elimination partielle descations - Utilisable seulement avec des eaux spcifiques - Faible stabilit physique - Cintiques faibles - Vie limite, - Instable thermodynamiquement -Elimination partielle des anions - Rinage long - Cintiques faibles

Rsines anioniques fortement basique

- Elimination complte des anions - Efficacit variables - Cintiques excellentes -Grande capacit d'limination - Grande efficacit de rgnration - Bonne stabilit thermique

Rsines anioniques faiblement basiques

Application de lchangeuse dions dans lindustrie

Lchangeuse dions est appliqu dans des diffrentes secteurs industrielsAgroalimentaire, pharmaceutique, industrie chimique Traitement de l eau (dminralisation, adoucissement et dcarbonatation de l eau). Dminralisation du lactosrum (acides amins) doux de fromagerie Diminution de la teneur en acides gras dans l huile Extraction et purification des antibiotiques Traitement de jus de fruit Adoucissement de l'eau utilise pour l'extraction du sucre Elimination des mtaux

Dminralisation de leau

Procd de traitement destin liminer tous les sels dissous . La dminralisation de l'eau peut tre obtenue principalement par trois techniques : Systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique) Systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique et faiblement basique) D-ionisation sur lit mlang

Systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique):Ces systmes sont constitus de deux chambres - une contenant une rsine cationique capable d'changer les cations de l'eau par des ions H+ et l'autre contenant une rsine anionique capable d'changer les anions de l'eau par des ions OH- . L'eau circule dans la colonne cationique, sur quoi tout les cations sont changs par des ions hydrognes.

L'eau d-cationise s'coule alors dans la colonne anionique. Cette fois, tout les ions chargs ngativement sont changs par des ions hydroxyde qui se combinent alors avec les ions hydrognes pour former de l'eau (H2O). L'eau d-ionise obtenue, peut tre utilise dans une large varit d'applications.

Un schma reprsentant le systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique)

Systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique et faiblement basique)

Le sous-titre montre que le systme est quip d'un changeur anionique avec une rsine faiblement basique supplmentaire avant l'autre changeur anionique disposant d'une rsine fortement basique.

La rgnration des changeurs anioniques est ralise l'aide de soude caustique (NaOH), la solution passant d'abord par la rsine de base forte et ensuite par la rsine de base faible.

Les avantages du systme:Offre des avantages conomiques sur le traitement d'eau contenant de fortes charges d'anions (chlorures et sulfates). Cette mthode exige moins de soude caustique que la mthode dcrite auparavant Quand l'eau brute contient une haute proportion de matire organique, la rsine de base faible protge la rsine de base forte. La solution de rgnration restante aprs l'changeur anionique de base forte est d'habitude suffisante pour compltement rgnrer la rsine de base faible.

Un schma reprsentant le systme rsines cationique (fortement acide) + anionique (fortement basique et faiblement basique)

D-ionisation sur lit mlangLes systmes lit mlang, les rsines cationique et anionique sont intimement mlanges et contenues dans une seule chambre de contact. Les deux rsines sont mlanges par agitation avec l'air comprim. Pour effectuer la rgnration, les deux rsines sont spares hydrauliquement pendant la phase de sparation.

Comme la rsine d'anionique est plus lgre que la rsine cationique elle monte au sommet, tandis que la rsine cation tombe au fond.

Aprs l'tape de sparation la rgnration est effectue avec de la soude caustique et un acide fort. N'importe quel excs de rgnrant est limin en rinant chaque lit sparment.

Les avantages de systmes lit mlang sont les suivants:L'eau obtenue est d'une trs grande puret et sa qualit reste constante tout au long du cycle Le pH est presque neutre Rincer des exigences(conditions) d'eau sont trs bas.

Les inconvnients de ces systmes lit mlang sont:La capacit d'change est infrieure. La procdure d'exploitation est plus complique, cause des tapes de sparation et de mixage qui doivent tre effectus.

Un schma reprsentant la d-ionisation sur lit mlang

changeuses dions industrielles

En conclusionAvantagesOpration continue Applicables aux rinages courants Procd automatique Composition de bain constant

InconvnientsRcupration de produits chimique impossible sans mise en place d'une autre technique de valorisation

ContraintesComposition organique nuisible Concentration ioniques

Mise en place imprative de limite suprieure = 0,05 eq/l rinage statique en amont Milieu dilu

Fin