Échangeurs d'ions

Les échangeurs d'ions sont des matériaux qui permettent aux ions dissous d'être remplacés par d'autres ions de même charge (c'est-à-dire positifs ou négatifs) ; un échange d'ions a lieu. Les échangeurs d'ions sont disponibles dans le commerce sous forme de colonnes remplies d'un matériau échangeur d'ions ou sous forme de membranes à travers lesquelles s'écoule la solution à traiter. Les ions à échanger sont liés au matériau échangeur d'ions, qui à son tour libère une quantité équivalente de charge des ions précédemment liés dans la solution.

Par exemple, un échangeur de cations peut remplacer les cations calcium dissous dans l'eau du robinet ordinaire par des cations sodium liés à l'échangeur d'ions. De tels échangeurs de cations sont également présents dans les lave-vaisselle. Il prépare une eau pour les processus de rinçage exempte de cations calcium, qui entraîneraient sinon la formation de tartre blanc (calcaire) sur la vaisselle pendant le séchage et de tartre sur les éléments chauffants et dans les tuyaux de la machine (calcification). Lorsque cet échangeur de cations est épuisé et complètement saturé en cations calcium, il doit être régénéré. Cela se fait en déplaçant à nouveau les cations calcium liés en offrant une solution hautement concentrée de chlorure de sodium (sel de table). Ce processus est appelé régénération de l'échangeur.

Les échangeurs d'ions cationiques sont d'une importance naturelle, en particulier pour la capacité d'échange de cations dans le sol. Ils garantissent que les cations restent disponibles pour les plantes et ne sont pas emportés par la pluie. Pour l'assainissement des sites contaminés dans l'eau et le sol, des échangeurs de cations spéciaux peuvent être fabriqués, capables d'éliminer de manière ciblée des cations de métaux lourds spécifiques de l'eau et du sol.

Le principe de l'échange d'ions est basé sur le fait que les ions sont d'autant plus fortement liés à l'échangeur d'ions que leur charge est élevée, et à charge égale, plus leur rayon ionique est grand. Par exemple, dans l'échangeur d'ions, Na+ est remplacé par Ca2+, mais aussi Ca2+ par Al3+. L'ion de liaison plus fort déplace l'ion de liaison plus faible des sites de liaison du matériau échangeur d'ions. Il faut donc veiller à ce que l'ion indésirable à éliminer de la solution soit lié plus fortement que l'ion lié à l'échangeur d'ions. D'autres facteurs d'influence importants pour cela sont : la valeur du pH de la solution par rapport au type et au nombre de sites de liaison du matériau échangeur d'ions ainsi que la concentration molaire respective. La liste suivante pour les ions métalliques divalents montre à quel point le rayon ionique affecte la sélectivité d'une résine échangeuse d'ions. Les valeurs s'appliquent à une solution avec un pH de 4,0 et du calcium comme base avec 1,0 pour KM/Ca et une résine échangeuse de cations faiblement acide avec une charpente polyacrylique.

En plus de la sélectivité, les ions absorbés peuvent également être déplacés par le matériau échangeur d'ions en augmentant une concentration de substance. Cette dernière est effectuée lors d'une régénération. Les réactions sont données ci-dessous par l'exemple des ions sodium, qui sont présents sous forme de sel de table (NaCl) dans une solution aqueuse. Un échangeur de cations fortement acide est utilisé pour l'admission (= charge/fonction) et le détachement (= régénération). Le régénérant est l'acide chlorhydrique.

Structure de base d'un échangeur de cations, par ex. B. polystyrène sulfoné
Lorsqu'il est chargé, la réaction se déroule de gauche à droite. Lorsque la concentration de l'ion H3O+ dans la partie droite de l'équation augmente, la réaction revient vers la gauche et l'échangeur est reconverti en forme acide et régénéré. Si le liquide à dessaler et la solution de régénération traversent l'échangeur dans le même sens pendant le chargement/fonctionnement et la régénération, on parle d'échangeur à co-courant ; si le sens d'écoulement est opposé, on parle d'échangeur à contre-courant. La concentration du régénérant est généralement de 3 à 10 % de HCl.

Dans l'exemple donné, un acide chlorhydrique dilué se forme dans l'eau de vidange lors de la charge. En raison d'un effet de contre-ion, en fonction de la concentration en sel dans l'eau brute et de l'état de charge de la résine échangeuse d'ions, il se produit un glissement de sodium lors de la charge. Il y a donc encore une faible teneur en sodium dans l'eau pure qui sort après l'échangeur. Celle-ci peut atteindre des valeurs de 1 mg Na+/l et plus, notamment avec un échangeur à courant continu. Avec un échangeur à contre-courant, elles sont ≤ 0,1 mg Na+/l.