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7 juillet 2017

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Applications de l'échange d'ions
Guide élémentaire

Sommaire

1. Traitement d'eau

1.1. Adoucissement
1.2. Décarbonatation
1.3. Déminéralisation
1.4. Finition en lit mélangé
1.5. Traitement d'eau potable

2. Industrie du sucre

2.1. Adoucissement de l'eau utilisée pour l'extraction du sucre
2.2. Adoucissement de jus sucrés avant évaporation
2.3. Procédé NRS
2.4. Procédé Gryllus
2.5. Déminéralisation de jus avant évaporation
2.6. Décoloration de sirops après évaporation
2.7. Procédé Quentin
2.8. Désucrage des mélasses
2.9. Inversion du saccharose
2.10. Séparation chromatographique
2.11. Traitement du glucose

3. Autres applications dans l'industrie alimentaire

3.1. Produits de laiterie
3.2. Industries des boissons
3.3. Traitement de jus de fruits
3.4. Récupération de polyphénols
3.5. Acide citrique
3.6. Acides aminés
3.7. Déminéralisation de sorbitol
3.8. Déminéralisation de gélatine

4. Autres applications dans l'industrie chimique

4.1. Récupération ou élimination de métaux
4.2. Production de soude et de chlore
4.3. Phénol
4.4. Purification de peroxyde d'hydrogène
4.5. Élimination sélective d'éléments divers

5. Catalyse

5.1. Alkylation
5.2. Condensation
5.3. Estérification
5.4. Éthérification
5.5. Déshydratation
5.6. Hydrogénation

6. Industrie pharmaceutique

6.1. Extraction et purification d'antibiotiques
6.2. Formulations-retard
6.3. Résines utilisées comme médicaments
6.4. Masquage du goût
6.5. Chromatographie de production

7. Applications diverses

7.1. Industrie minière
7.2. Immobilisation d'enzymes
7.3. Hydroculture
7.4. Deshuilage par coalescence


1. Application des résines échangeuses d'ions en traitement d'eau

Voir aussi la page d'introduction (en français) sur l'échange d'ions avec une description et les réactions de l'adoucissement et de la déminéralisaztion. Une autre page décrit les méthodes de régénération.

Robinet1.1. Adoucissement

Une résine échangeuse de cations fortement acide est utilisée ici sous la forme sodium. Les ions formant la dureté de l'eau, essentiellement calcium et magnésium, sont échangés contre les ions sodium de la résine, et l'eau adoucie peut être utilisée pour divers usages :

Résines utilisées : Qualité d'eau obtenue :
Dureté résiduelle < 0,02 meq/L (0,1 °f) en régénération à contre-courant

Régénération : saumure (NaCl en solution à 10 %)

1.2. Décarbonatation

Lorsque l'eau contient des bicarbonates — c'est le cas dans la plus grande partie de la France et des pays avoisinants — le calcium et le magnésium associés à des ions bicarbonates sont échangés contre les ions hydrogène d'une résine échangeuse de cations faiblement acide. Il s'agit de ce que l'on appelle l'élimination de la dureté temporaire. L'eau traitée contient du gaz carbonique que l'on peut éliminer avec un dégazeur. La salinité de cette eau est plus basse que celle de l'eau brute. La décarbonatation est utilisée :

Résines utilisées : Qualité d'eau obtenue
Alcalinité résiduelle = très basse (point d'arrêt à 10 % du TAC de l'eau brute)
Dureté résiduelle = dureté permanente (TH – TAC)

Régénération : Acide (de préférence HCl en solution à 5 %)

1.3. Déminéralisation

Pour éliminer tous les ions, l'eau passe d'abord sur un échangeur de cations sous forme hydrogène, puis sur un échangeur d'anions forme base libre ou hydroxyle. Tous les cations sont échangés contre les ions H+ des résines cationiques, et les anions contre les ions OH des résines anioniques. Ces ions se combinent en nouvelles molécules d'eau (H2O). L'eau traitée ne contient plus que des traces de sodium et de silice.

Résines utilisées :

L'utilisation de résines faibles dépend de la composition de l'eau brute et de la taille de l'installation.

Qualité d'eau obtenue
Conductivité de 0,2 à 1 µS/cm en régénération à contre-courant
Silice résiduelle de 5 à 50 µg/L selon la quantité de silice dans l'eau brute et la quantité de régénérant.
Ces valeurs sont plus basses que celles obtenues avec d'autres procédés, comme l'osmose inverse ou la distillation.
Le pH de l'eau traitée ne peut pas être mesuré dans de l'eau déminéralisée. Les pH-mètres donnent des résultats aberrants quand la conductivité est faible.

Régénération
Échangeurs de cations : acide fort (HCl ou H2SO4)
Échangeurs d'anions : soude caustique (NaOH)

1.4. Finition en lits mélangés

MBLorsque l'on veut obtenir une qualité d'eau déminéralisée encore meilleure, proche de celle de l'eau totalement pure, on installe une colonne de finition en lit mélangé constitué d'une résine échangeuse de cations fortement acide et d'une résine échangeuse d'anions fortement basique. Ces résines doivent être mélangées en phase d'épuisement, mais il faut les séparer pour la régénération. Cette séparation se fait par soulèvement hydraulique du lit et nécessite des résines de granulométrie et de densité adaptées.

Résines utilisées :

Qualité d'eau obtenue
Conductivité de 0,055 à 0,1 µS/cm
Silice résiduelle de 1 à 10 µg/L.
Le pH de l'eau traitée ne peut pas être mesuré dans de l'eau déminéralisée. Les pH-mètres donnent des résultats aberrants quand la conductivité est faible.

Régénération
Échangeurs de cations : acide fort (HCl ou H2SO4)
Échangeurs d'anions : soude caustique (NaOH)

1.5. Traitement d'eau potable

L'échange d'ions est un auxiliaire précieux pour éliminer sélectivement certains contaminants des nappes phréatiques. Voir le détail sur une page séparée.

2. Application des résines échangeuses d'ions dans l'industrie du sucre

Sucre en morceaux2.1. Adoucissement de l'eau destinée à l'extraction du sucre

Le procédé est celui décrit au point 1.1. (adoucissement d'eau).

2.2. Adoucissement des jus de betterave avant évaporation

La dureté des jus sucrés conduit à l'entartrage des échangeurs de chaleur dans les évaporateurs. Pour éviter cet entartrage, augmenter le rendement thermique et économiser l'énergie, il est donc recommandé d'adoucir les jus sucrés. L'installation peut alors fonctionner en continu, sans les interruptions nécessitées par de fréquents détartrages. On utilise dans ce procédé le même genre de résines que pour l'adoucissement d'eau — des échangeurs fortement acides sous forme sodium — mais ces résines doivent être de qualité alimentaire et résister aux contraintes spécifiques de concentration et de température des jus sucrés.

Les ions calcium et magnésium présents dans les jus à évaporer sont échangés contre les ions sodium de la résine. L'adoucissement a lieu après la carbonatation des jus. On installe le plus souvent deux ou plusieurs colonnes d'échange en parallèle pour assurer un fonctionnement continu.

Résines utilisées :

2.3. Le procédé NRS

C'est un procédé astucieux où la résine est régénérée avec une solution de soude caustique diluée dans un jus sucré de deuxième carbonatation. En effet, l'hydroxyde de calcium, insoluble dans l'eau, est soluble dans une solution de saccharose. Les effluents de régénération sont recyclés en tête de l'installation, avant la décarbonatation, ce qui fait qu'il n'y a pratiquement pas d'eaux résiduaires. De plus, on évite la dilution des jus produite par un adoucissement classique car les étapes de sucrage et de désucrage n'ont pas lieu d'être dans le procédé NRS. Le bilan énergétique est plus favorable et conduit à une économie de vapeur.

Résines utilisées :

2.4. Le procédé Gryllus

C'est un procédé économique plus ancien, où la résine adoucissante est régénérée avec un égoût de deuxième jet qui contient une forte concentration de sodium. La consommation de sel est donc réduite et l'on n'a pas ici non plus de dilution des jus. Le sirop de régénération est récupéré.

Résines utilisées :

2.5. Déminéralisation des jus avant évaporation

Le procédé consiste à éliminer les "non-sucres" d'un jus de deuxième carbonatation dans le but d'augmenter le rendement de cristallisation du sucre. En général, chaque kilogramme de non-sucre éliminé permet de produire 1.4 kg de sucre supplémentaire. Sinon, le principe est analogue à la déminéralisation d'eau : on utilise une résine échangeuse de cations fortement acide et une résine échangeuse d'anions faiblement basique, régénérées respectivement à l'acide et à la soude.

Résines utilisées :

2.6. Décoloration de sirops de canne après évaporation

Les sirops de canne contiennent généralement de nombreux composés organiques qui donnent de la couleur au sucre cristallisé et réduisent aussi le rendement de cristallisation. On utilise pour cette application des résines échangeuses d'anions fortement basiques macroporeuses permettant d'éliminer des molécules de forte masse moléculaire, et l'on régénère ces résines avec de la saumure. La meilleure solution consiste à utiliser deux colonnes en série, la première remplie de résine acrylique qui fait le plus gros de la décoloration, et la seconde de résine styrénique en finition.

Résines utilisées :

2.7. Procédé Quentin

La cristallisation du sucre de betterave est en partie inhibée par le potassium et le sodium contenues dans les jus, ce qui conduit à une forte proportion de sucre restant dans les mélasses après la cristallisation. Or, le magnésium est moins "mélassigène" que le potassium ou le sodium. On fait donc passer les jus de deuxième carbonatation sur une résine fortement acide forme magnésium. Ceci augmente la production de sucre blanc et diminue la quantité de mélasse.

Résines utilisées :

2.8. Désucrage des mélasses

Ce procédé est fondé sur le principe de l'exclusion ionique, une sorte de chromatographie sur échangeurs d'ions de granulométrie fine et très uniforme. Il permet de récupérer le sucre contenu dans les mélasses en séparant les non-sucres.

Résines utilisées :

2.9. Inversion du saccharose

Le saccharose (sucre ordinaire) est un di-saccharide. En milieu acide, la molécule se sépare en deux mono-saccharides: le glucose et le fructose, en proportions égales. Le sucre inverti a un pouvoir sucrant supérieur à celui du saccharose (1,15 contre 1,0), et une moindre tendance à cristalliser, ce qui est important pour certaines préparations alimentaires industrielles. L'inversion se produit en passant un sirop de sucre sur un échangeur de cations fortement acide peu réticulé sous forme H+.

Résines utilisées :

2.10. Séparation chromatographique

Comme le fructose a un pouvoir sucrant supérieur à celui du glucose (environ 1.3 contre 0.7), on peut enrichir les sirops de sucre inverti en fructose en les faisant passer sur une résine de granulométrie uniforme fine. Dans cette séparation chromatographique, le fructose se déplace plus lentement que le fructose dans la colonne de résine, ce qui produit des fractions que l'on peut séparer. La fraction riche en fructose est récupérée séparément pour son intérêt commercial, et la fraction de glucose est soit vendue comme sirop de glucose, soit isomérisée dans un procédé enzymatique pour produire plus de fructose.

Résines utilisées :

2.11. Déminéralisation de glucose

Le principe est le même que celui de la déminéralisation d'eau ou de jus sucrés. En raison de la température et de la concentration des sirops de glucose, il faut des résines très stables physiquement.

Résines utilisées :


3. Exemples d'autres applications dans l'industrie alimentaire

Petits-Suisses3.1. Déminéralisation de lactosérum

Le lactosérum, ou petit-lait, obtenu lors de la fabrication du fromage, est riche en protéines et trouve des emplois dans l'industrie alimentaire. On le déminéralise pour en augmenter la pureté. Le principe est le même que celui de la déminéralisation d'eau ou de jus sucrés.

Résines utilisées :

3.2. Industrie des boissons

Il y a plusieurs applications dans ce secteur:

3.3. Traitement de jus de fruits

3.4. Récupération de polyphénols

Les polyphénols sont aujourd'hui vantés pour leurs propriétés antioxydantes. On les trouve dans de nombreux fruits, notamment dans le raisin rouge. Les anthocyanes, qui en font partie, peuvent être récupérés dans les moûts de raisin.

Résines utilisées :

3.5. Acide citrique

Cet acide est utilisé comme conservateur dans de nombreux produits alimentaires industriels. Il est obtenu par fermentation. Sa purification requiert une déminéralisation sur résines.

Résines utilisées :

3.6. Acides aminés

La L-lysine et d'autres acides aminés essentiels (non synthétisés par le corps humain) est obtenue par fermentation. Elle est extraite des bouillons de fermentation par une résine échangeuse de cations sous forme ammonium.

Résines utilisées :

3.7. Déminéralisation de sorbitol

Le sorbitol est un polyol, édulcorant et émollient utilisé notamment dans la gomme à mâcher (chewing gum). Il peut être obtenu par hydrogénation du glucose, ou par des procédés enzymatiques. Il nécessite souvent d'être déminéralisé.

Résines utilisées :

3.8. Déminéralisation de gélatine

La gélatine est produite par transformation du collagène contenu dans la peau et les os de porc. Pour obtenir une gélatine de haute pureté, on la déminéralise.

Résines utilisées :


4. Autres applications dans l'industrie chimique

Tissot4.1. Récupération ou élimination de métaux

Dans les ateliers de traitement de surface et de placage, on peut éliminer ou récupérer les métaux en solution :

Autres exemples :

4.2. Production de soude et de chlore

Ces produits sont obtenus par électrolyse de saumure saturée. Dans ce procédé, la présence de métaux divalents est rédhibitoire. On utilise donc pour les éliminer (principalement le calcium) une résine chélatante sélective. Cette décalcification de la saumure abaisse la concentration initiale de calcium de 10 à 20 mg/L à une valeur très basse, inférieure à 20 µg/L.

Résines utilisées :

4.3. Phénol

Deux applications :

Résines utilisées :

4.4. Purification de peroxyde d'hydrogène

On utilise les résines pour deux procédés distincts :

Dans les deux cas, la qualité obtenue est remarquable, les "fuites" se limitant à quelques µg/L. Attention: le peroxyde d'hydrogène (H2O2, communément appelé eau oxygénée) est un oxydant puissant, et de sérieuses précautions doivent être prises pour ces deux procédés.

Résines utilisées :

4.5. Élimination sélective d'éléments divers

J'ai construit une classification périodique des éléments (table de Mendeleiev) avec quelques données sur l'élimination sélective de certains ions (surtout métalliques) à l'aide de résines échangeuses d'ions.

5. Catalyse

Le pleinUn catalyseur est une substance qui accroît la vitesse d'une réaction chimique pour atteindre son équilibre sans être consommée au cours de la réaction. La plupart des réactions chimiques, notamment dans l'industrie pétrochimique, où l'on utilisait un acide minéral comme catalyseur, sont maintenant catalysées par des résines échangeuses d'ions fortement acides sous forme H+. Ces résines doivent travailler dans des conditions difficiles, notamment à haute température (130 à 170 °C), et avoir une acidité aussi haute que possible.

Quelques exemples sont donnés ci-dessous.

5.1. Alkylation

Produit Octylphénol
Réactants Octane + phénol
Catalyseur Amberlyst 15Dry
Température 100 – 120 °C

5.2. Condensation

Produit Bisphénol A
Réactants Acétone + phénol
Catalyseur Amberlyst 131
Température 60 - 80 °C

5.3. Estérification

Produit Diméthyl maléate
Réactants Anhydride maléique
Catalyseur Amberlyst 46
Température 110 °C

5.4. Ethérification

Produit Méthyl-ter-butyl éther (MTBE)
Réactants Isobutylène + méthanol
Catalyseur Amberlyst 35
Température 40 – 80 °C

5.5. Déshydratation

Produit Isobutylène
Réactant Isobutanol
Catalyseur Amberlyst 35
Température 70 – 80 °C

5.6. Hydrogénation

Produit Méthyl isobutyl cétone (MIBK)
Réactant Acétone
Catalyseur Amberlyst CH28 (catalyseur dopé au palladium)
Température 130 – 140 °C

6. Industrie pharmaceutique

GélulesLes applications des résines sont nombreuses, et complexes. L'industrie pharmaceutique étant foncièrement plutôt secrète, peu de détails sont connus. Citons cependant à titre d'exemple:

6.1. Extraction et purification d'antibiotiques

Les procédés s'appliquent à plusieurs antibiotiques. Il s'agit de les purifier après extraction à partir de bouillons de fermentation. Exemples: streptomycine, gentamycine, céphalosporine, tétracycline.

Résines utiliséess :

6.2. Formulations à effet retard

Des résines échangeuses d'ions en poudre hautement purifiées sont incorporées dans les formulations de médicaments. Les principes actifs de ceux-ci se fixent sur la résine, et diffusent plus lentement dans l'organisme que s'ils étaient à l'état brut.

Résines utilisées :

6.3. Résines utilisées comme médicaments

Les mêmes types de résine peuvent être utilisées comme principe actif dans le médicament. Évidemment, elles doivent satisfaire à des spécifications extrêmement strictes et recevoir l'agrément des autorités sanitaires. Citons deux exemples :

Résines utilisées:

6.4. Masquage de goût

Des résines analogues sont utilisées pour masquer le goût désagréable d'un médicament.

6.5. Chromatographie de production

La séparation chromatographique fine de molécules peut se faire sur des résines de très faible granulométrie au lieu de gel de silice ou d'autres supports.

Résines utilisées :


7. Applications diverses

Mine d'uranium7.1. Industrie minière

L'application la plus significative, qui met en œuvre des milliers de mètres cubes de résine, est l'extraction d'uranium. Le minerai broyé est traité à l'acide sulfurique, qui met en solution l'uranium sous forme de sulfate d'uranyle. La solution chargée en uranium passe sur des lits de résine échangeuse d'anions fortement basique, qui a une excellente affinité pour le complexe d'uranium et de sulfate.

Résines utilisées :

7.2. Immobilisation d'enzymes

Dans les réactions enzymatiques, il est commode de fixer l'enzyme sur un support plutôt que de l'ajouter au milieu de réaction. Les résines échangeuses d'ions sont tout indiquées pour cette application.

Résines utilisées :

7.3. Hydroculture

Des résines échangeuses de cations et d'anions sont utilisées pour fixer les substances fertilisantes nécessaires à la croissance des plantes en culture hydroponique : ammonium, potassium, fer, zinc (cations) et nitrate, phosphate (anions). Des oligo-éléments sont aussi fixés sur les résines. Cette technique permet une diffusion lente des éléments nutritifs.

Résines utilisées :

Deshuilage7.4. Deshuilage par coalescence

Un procédé ingénieux de deshuilage de condensats ou d'autres solutions contaminées se réalise grâce à l'utilisation, d'une résine oléophile. L'eau à traiter percole en flux ascendant à travers un lit de cette résine. L'huile est attirée par la résine, et des gouttelettes d'huile se forment progressivement à la surface des billes. Lorsqu'elles ont atteint une taille critique, elles se détachent et flottent vers le haut de la colonne où elles se concentrent. La résine ne requiert pas de régénération, mais simplement d'un lavage occasionnel.
Résine

Résine utilisée :
AmberliteTM ROC110

La queue marquée "b" est la partie oléophile du groupe fonctionnel. L'autre extrémité marquée "a" est attachée à la résine.

 


Marques commerciales

Amberjet, Amberlite, Ambersep, Amberlyst, Amberchrom, Amberzyme, Dowex, Duolite et Imac sont des marques de résines échangeuses d'ions ou adsorbantes appartenant à The Dow Chemical Company.
Lewatit est une marque de résines appartenant à Lanxess.



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© François de Dardel