Traitement des eaux usées par échange d’ions

Sections

• Qu’est-ce que l’échange d’ions ?
• L’échange d’ions appliqué aux eaux usées
• L’évaporation sous vide et la concentration des déchets issus de l’échange d’ions
• Conclusions

Qu’est-ce que l’échange d’ions ?

Il existe des déversements qui, en raison de leur nature et de leur composition, sont difficiles à traiter et à adapter aux réglementations en vigueur. Cela se produit lorsque nous rencontrons certains cations ou anions qui sont difficilement séparables par les systèmes conventionnels tels que les traitements physico-chimiques, biologiques, et même les membranes séparatrices à fort rejet de sels.

C’est le cas, par exemple, des nitrates, des sels de bore, de fluor, d’arsenic et d’autres métaux lourds comme le plomb, le cadmium ou le mercure, qui sont particulièrement toxiques.

L’échange d’ions est un processus dans lequel un matériau appelé résine échangeuse est utilisé, capable de retenir sélectivement à sa surface les ions dissous dans l’eau, les maintenant temporairement liés à la surface, et se détachant d’elle par l’utilisation de solutions régénérantes.

La réaction d’échange se schématise :

(a) RNa⁺ + Ca⁺⁺ ——> RCa⁺⁺ + Na⁺

Dans ce cas, la régénération de la résine se ferait en ajoutant un excès de solution régénérante (NaCl)

(b) RCa⁺⁺ + Na⁺ ——-> RNa⁺ + Ca⁺⁺

Les résines d’échange d’ions se divisent en deux types de base, selon leur polarité :

1. Celles qui ont une charge négative et, par conséquent, ont une application d’échange avec des anions, sont appelées « anioniques ».
2. Celles qui ont une charge positive sont appelées « cationiques » ; elles se présentent sous forme de petites sphères de matériau plastique (du type des bakélites) d’un diamètre d’environ 0,5 – 1 mm.

Une application courante des résines d’échange d’ions est l’élimination des sels lorsqu’ils se trouvent à faibles concentrations.

C’est très courant dans les processus de déminéralisation et d’adoucissement des eaux ou d’autres solutions.

L’échange d’ions est également efficace pour la rétention de certains produits chimiques.

Les principales caractéristiques de ce processus sont les suivantes :

• Les résines agissent de manière sélective, de sorte qu’elles peuvent préférer un ion à un autre avec des valeurs relatives d’affinité de 15 ou plus.
• La réaction d’échange d’ions est réversible, c’est-à-dire qu’elle peut avancer dans les deux sens. (Échange / régénération)
• Dans la réaction, l’électroneutralité est maintenue.

Il existe des substances naturelles, comme les zéolites, qui ont une capacité d’échange, mais dans le traitement des eaux, des résines polymériques de fabrication synthétique sont utilisées, car elles offrent des avantages significatifs.

Parmi les avantages du processus ionique pour le traitement des eaux, on peut souligner :

• Ce sont des équipements très polyvalents tant que l’on travaille avec des concentrations de sels relativement faibles.
• Les résines d’échange d’ions sont un système compact avec de hautes capacités de traitement.
• Coût économique bas comparé à d’autres technologies.
• Les résines sont très stables chimiquement, de longue durée et faciles à régénérer.
• Il existe une certaine facilité d’automatisation et d’adaptation à des situations spécifiques.

L’échange d’ions appliqué aux eaux usées

Dans le cas des eaux usées, il faudra tenir compte de la concentration des sels à éliminer, car les résines ne sont pas rentables pour les eaux à forte salinité, car leur capacité de rétention est limitée (environ 50 g CaCO3/ l de résine). Une forte concentration de sels impliquerait l’utilisation d’une grande quantité de résine, ainsi que d’importants volumes de réactif régénérant.

Nous devons également prendre en compte que, malgré la résistance élevée des résines aux milieux acides et basiques, elles sont facilement détériorées par la présence d’oxydants comme le Cl₂ et par des températures élevées.

Les résines d’échange d’ions sont également sensibles à l’encrassement et à la présence de matière organique, de sorte qu’un prétraitement est indispensable pour leur bonne application.

Résines sélectives

Les résines d’échange d’ions ont émergé comme une solution efficace pour l’élimination sélective des ions et des contaminants. Comme nous l’avons mentionné, ces résines peuvent être de deux types :

• Type cationique lorsqu’elles ont une polarité positive et sont capables de séparer des cations comme le plomb, le cadmium et le mercure.
• Type anionique si elles ont une charge négative et sont capables de séparer des anions comme les nitrates, sulfates, arseniates, chromates, entre autres.

Certaines résines peuvent être modifiées pour augmenter leur affinité pour des composés spécifiques, c’est-à-dire améliorer leur efficacité dans la séparation de certains contaminants.

Avantages de l’utilisation de résines sélectives

• Haute efficacité : Les résines d’échange d’ions peuvent atteindre de hauts niveaux de purification, éliminant jusqu’à 99 % des contaminants.
• Sélectivité : Elles permettent la séparation spécifique des ions toxiques sans affecter d’autres éléments bénéfiques dans l’eau.
• Recyclabilité : Ces résines peuvent être régénérées et réutilisées, ce qui réduit les coûts et les déchets.

Applications dans le traitement des eaux usées

Les résines d’échange d’ions sont utilisées dans diverses applications :

• Traitement des effluents industriels : Surtout dans des industries comme l’exploitation minière et la fabrication de métaux, où les effluents contiennent des métaux lourds et d’autres composés toxiques.
• Désalinisation : Dans les processus de traitement des eaux salines, où il est crucial d’éliminer les ions de sodium et de chlorure.
• Séparation des nutriments : Dans les systèmes de traitement des eaux usées urbaines, pour réduire les niveaux d’azote et de phosphore.

Malgré ses avantages, l’utilisation de résines d’échange d’ions présente certains inconvénients :

• Coût : L’investissement initial dans des résines de haute qualité peut être élevé.
• Régénération : Le processus de régénération génère des effluents qui nécessitent un traitement supplémentaire. Le nouvel effluent contient les contaminants séparés par les résines, ainsi que l’excès de régénérants.
• Durée de vie : La durée de vie des résines peut être affectée par des conditions extrêmes ou des contaminants dans l’eau.

Résines chélatantes

Ce type de résines contient des groupes fonctionnels spécifiques, qui lui confèrent une supériorité sélective envers certains métaux spéciaux. Ces résines ont une large gamme d’applications, parmi lesquelles il convient de souligner :

• Décalcification de saumure dans l’industrie chloro-alcaline
• Résine en pulpe pour métaux, cuivre, nickel, zinc et cobalt.
• Séparation du bore dans les eaux potables.
• Récupération de métaux précieux.
• Élimination du mercure.

L’évaporation sous vide et la concentration des déchets issus de l’échange d’ions

Un évaporateur sous vide est un équipement qui permet la concentration des déchets liquides par l’évaporation de leur composant aqueux dans des conditions de vide.

Ce processus réduit la pression dans la chambre d’évaporation, ce qui diminue le point d’ébullition de l’eau, permettant sa vaporisation à des températures plus basses. Cela est particulièrement utile pour la concentration des effluents issus de la régénération des résines d’échange d’ions.

Le processus de concentration par évaporateurs sous vide repose sur l’utilisation d’une pompe à vide pour réduire la pression à l’intérieur, permettant à l’eau de s’évaporer à des températures plus basses.

À mesure que la chaleur est appliquée, l’eau s’évapore et se sépare des solides dissous ou concentrés dans l’effluent. La vapeur générée est dirigée vers un condenseur, où elle est refroidie et redevient liquide, pouvant être réutilisée ou traitée.

Les solides et autres composés restants sont concentrés au fond de l’évaporateur, prêts à être gérés correctement.

Avantages des évaporateurs sous vide

• Efficacité énergétique : En fonctionnant à basse température, les évaporateurs sous vide nécessitent moins d’énergie par rapport aux systèmes d’évaporation conventionnels.
• Protection des composés sensibles : Cette technologie minimise la décomposition des substances qui pourraient être dégradées à haute température.
• Récupération d’eau : L’eau condensée peut être récupérée et réutilisée dans le processus, contribuant à la durabilité du système.
• Réduction du volume des déchets : La concentration des effluents réduit significativement le volume des déchets à gérer, facilitant leur traitement ultérieur.

Malgré ses nombreux avantages, il convient de noter que le coût de ces équipements et leur consommation énergétique sont relativement élevés, de sorte que ces équipements sont plus adaptés à de petits volumes avec de fortes concentrations de contaminants, comme c’est le cas des effluents de régénération des résines d’échange d’ions.

Conclusions

Le processus d’échange d’ions est complémentaire aux traitements conventionnels (physico-chimique, biologique, etc.) et permet de séparer certains cations et anions de l’eau en fonction de l’affinité aux ions en solutions, pouvant être régénérés avec des substances appropriées (régénérants).

Les résines d’échange d’ions de type sélectif (chélatantes) sont utilisées dans les traitements des eaux usées contenant des contaminants complexes et toxiques.

Les évaporateurs sous vide sont une solution efficace et durable pour la concentration des effluents de régénération des résines. Leur capacité à fonctionner sous vide à basse température, et leur haute efficacité, en font une excellente option dans de nombreuses industries.

Bibliographie et consultations

Résines Chélatantes | Purolite | www.purolite.com