schémas classiques de mise en œuvre

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Il est important de souligner que les procédés d’échange ionique ne doivent être mis en œuvre qu’après un prétraitement adapté à chaque qualité d’eau brute et comportant, en particulier, l’élimination des matières en suspension, des matières organiques, du chlore résiduel, des chloramines…

chaîne à cocourant

Les chaînes anciennes sont constituées de lits fixes d’échangeurs d’ions, régénérés à cocourant : l’eau à traiter et la solution régénérante percolent à travers le lit de résine de haut en bas.

Le cycle complet de l’échange comprend les phases suivantes :

production : le cycle de production d’un échangeur est défini par la capacité utile d’échange de la couche et qui correspond à un volume d’eau traité entre deux régénérations ;
soulèvement (ou détassage) : un courant d’eau ascendant détasse le lit de résine et permet d’éliminer les particules et les éventuels débris de résine qui ont pu se rassembler à la surface ;
régénération : la solution régénérante percole lentement de haut en bas à travers la couche de résine (régénération cocourant) ;
déplacement (ou rinçage lent) : de l’eau est injectée au même débit et dans le même sens que le régénérant jusqu’à l’élimination de la presque totalité de celui-ci ;
rinçage (ou rinçage rapide) : de l’eau est injectée au débit de production jusqu’à obtention de la qualité d’eau traitée permettant de passer en production.

Description d’une unité d’échange d’ions régénérée à cocourant : quelle que soit la nature de l’échange : adoucissement, décarbonatation ou déminéralisation, chaque appareil est normalement constitué par un récipient cylindrique fermé à axe vertical, contenant la résine. Celle-ci peut être placée directement au contact du dispositif collecteur de liquide traité constitué, soit par des buselures réparties uniformément sur le plancher ou sur un collecteur ramifié. La résine peut être également supportée par une couche de matériau granulaire inerte : silex, anthracite ou grains plastiques. Cette couche est elle-même drainée par le réseau collecteur (figure 80).

On ménage, au-dessus de la couche de résine, un espace libre suffisant pour permettre son expansion normale (entre 50 et 100 % du volume tassé suivant la nature de la résine) au moment des détassages à contre- courant.

L’eau à traiter et le régénérant sont admis à la partie supérieure du récipient par un système répartiteur plus ou moins élaboré.

Idéalement, le régénérant est introduit via un diffuseur de régénérant spécifique placé au plus près du niveau haut de la résine, ceci limite la dilution du régénérant dans la masse d’eau avant l’entrée sur la résine.

L’appareil est muni d’une batterie externe de vannes et de tuyauteries permettant d’exécuter les diverses opérations de production, détassage, régénération, rinçage.

chaîne à contre-courant

Les chaînes actuelles sont presque toutes conçues à contre-courant. Les premiers contre-courants des années 1970-1980 étaient de type à blocage à l’air ou à l’eau. Dans les systèmes actuels dits à lits bloqués, la résine est maintenue entre deux planchers crépinés avec un espace vide très faible (+/- 100mm) qui permet le gonflement normal de la résine entre les formes régénérées ou épuisées, ce qui rend impossible le soulèvement du lit de résines dans l’échangeur.

Dans ces systèmes à lits bloqués la production est assurée de haut en bas ou de bas en haut.

Les séquences de régénération sont simplifiées :

compactage (éventuellement) ;
injection de réactifs ;
déplacement (ou rinçage lent) ;
rinçage et/ou recyclage.

En conséquence, la panoplie de vannes est également simplifiée.

Le définage et le nettoyage périodique des résines est effectué à l’extérieur de l’échangeur par transfert hydraulique vers une colonne ou un compartiment séparé, voir régénérations à contre-courant.

adoucissement

On utilise un échangeur de cations que l’on régénère avec une solution de chlorure de sodium (figure 81).

Tous les sels alcalino-terreux (principalement le TH) ainsi que quelques ions métalliques de l’eau traitée sont transformés en sels de sodium. Le titre hydrotimétrique de l’eau traitée est pratiquement nul. Son pH et son alcalinité restent inchangés. L’adoucissement peut être effectué après une épuration préalable à la chaux qui élimine les bicarbonates et réduit le TAC à une valeur généralement comprise entre 2 et 4 °F. Dans ce cas, l’eau obtenue est à la fois décarbonatée et adoucie (figure 82).

L’utilisation de la décarbonatation à la chaux à l’avantage de permettre une clarification simultanée de l’eau à traiter. Sur des eaux exemptes de MES, on le verra au paragraphe suivant, la décarbonatation sur résine peut-être une alternative économique aux traitements de décarbonatation à la chaux et de filtration sur sable.

décarbonatation

Elle met en œuvre une résine carboxylique préalablement régénérée par un acide de façon à la mettre sous forme de R-H (figure 83). Cette résine a la propriété de fixer les cations bivalents et de libérer les anions correspondants sous forme d’acide libre, jusqu’à ce que le pH de l’eau traitée atteigne une valeur comprise entre 4 et 5 ; ceci correspond à la libération totale de l’acide carbonique des bicarbonates, les cations liés aux anions d’acides forts (chlorures, nitrates, sulfates) n’étant pas fixés par la résine.

Dans ces conditions, l’eau traitée renferme tous les sels d’acides forts initiaux et une quantité de CO₂ dissous équivalente aux bicarbonates de l’eau brute. Cette eau peut présenter une alcalinité nulle et une dureté égale à la valeur TH-TAC de l’eau brute.

La dureté peut donc être nulle si le TH est inférieur ou égal au TAC,

Si le TH est inférieur au TAC, la partie des ions alcalins (Na, K) liée au TAC résiduel sera fixée sur la résine.

Dans le cas contraire, il est possible d’obtenir une dureté nulle en combinant dans deux ou quand les titres de l’eau le permettent (TH = 1,5 à 3 x TAC) dans le même appareil une couche de résine carboxylique et une couche de résine sulfonique, régénérées successivement avec un acide fort et une solution de chlorure de sodium. La résine carboxylique travaille en cycle H et fixe le TH en quantité équivalente au TAC. La résine sulfonique, permute les ions sodium contre la dureté permanente qui est égale à TH-TAC. On obtient ainsi une eau décarbonatée et adoucie.

Dans le cas d’eaux bicarbonatées sodiques (TAC >TH), le rendement de fixation des résines carboxyliques devient mauvais.

Dans la majorité des cas, il est utile d’éliminer le CO₂ dissous libéré par l’échange d’ions dans un éliminateur de CO₂ (voir élimination de CO2).

Dans le cas où l’eau décarbonatée sert d’appoint à un circuit de refroidissement, l’élimination du CO₂ peut être réalisée sur la tour de refroidissement (voir élimination de CO2).

déminéralisation

La description donnée ci-après des groupements d’échangeurs les plus fréquents, utilise la notation :

Cf : cation faiblement acide ;
CF : cation fortement acide ;
Af : anion moyennement ou faiblement basique ;
AF : anion fortement basique ;
LM : lits mélangés (mixed-bed).

Les performances des chaînes ainsi constituées sont précisées aux blocages mécaniques.

déminéralisation partielle

chaîne CF + Af

Elle comporte un appareil chargé d’échangeur de cations fortement acide (CF), régénéré par un acide fort, qui fonctionne en série avec un appareil chargé d’échangeur d’anions faiblement basique (Af), régénéré par la soude ou l’ammoniaque. L’eau produite est utilisée telle quelle si l’acidité carbonique n’est pas nuisible, ou dégazée sur un éliminateur de CO₂ situé en amont ou en aval de l’échangeur anionique (figure 84).

L’eau traitée contient la totalité de la silice présente et, si elle est dégazée, par stripping à l’air atmosphérique, environ 10 à 15 mg · L^–1d’acide carbonique, un traitement sur membrane gaz peut permettre de réduire la teneur en CO₂. Suivant le taux de régénération adopté pour l’échangeur de cations, la conductivité d’acide peut varier entre 2 et 20 µS · cm^–1. Le pH est de l’ordre de 6 à 6,5 après élimination du CO₂.

Une telle chaîne produit de l’eau pour les chaudières à moyenne pression et pour certains procédés industriels.

déminéralisation totale

chaîne CF + AF

Tous les ions, y compris la silice, sont éliminés (figure 85). Le plus souvent, on a intérêt à réduire le flux d’ions envoyé sur l’échangeur d’anions, en intercalant entre ce dernier et l’échangeur de cations un éliminateur de CO₂. Ceci permet de diminuer le volume de résine anionique forte et la consommation de réactif de régénération.

En pratique, on obtient le plus souvent une eau ayant une conductivité de 1 à 10 µS · cm^–1, une teneur en silice de 0,05 à 0,5 mg · L^–1 et un pH compris entre 7 et 9.

Ce schéma est le plus simple et permet d’obtenir une eau déminéralisée utilisable dans un grand nombre d’applications.

chaîne CF + Af + AF

Cette chaîne (figure 86) est une variante de la précédente qui aboutit à une qualité d’eau identique, mais présente un intérêt économique lorsque l’eau à traiter contient une forte proportion d’anions forts (chlorures et sulfates). L’eau traverse successivement l’échangeur d’anions faiblement basique et l’échangeur d’anions fortement basique. L’éliminateur d’acide carbonique est facultatif et peut être placé soit entre l’échangeur de cations et le premier échangeur d’anions, soit entre les deux échangeurs d’anions.

La régénération des échangeurs d’anions s’effectue en série, la solution de soude traversant d’abord la résine fortement basique, puis la faiblement basique. Cette méthode permet une économie de soude considérable par rapport à la précédente, car, en général, l’excès de soude provenant de la régénération à dose normale de la résine fortement basique est suffisant pour régénérer complètement la résine faiblement basique. De plus, lorsque l’eau brute contient des matières organiques, la résine faiblement basique protège la résine fortement basique.

chaînes avec groupement Cf + CF et Af + AF

Ce groupement est intéressant lorsque l’eau contient une proportion notable de bicarbonates. La régénération s’effectue en série traversant successivement l’échangeur sulfonique et l’échangeur carboxylique.

Étant donné que la régénération de la résine carboxylique s’effectue à peu près stœchiométriquement à partir de l’excès d’acide libre subsistant après la régénération de la résine sulfonique, le taux de régénération global est considérablement abaissé.

La figure 87 présente une chaîne qui permet une consommation minimale des réactifs (obligatoirement en régénération contre-courant).

qualité de l'eau déminéralisée

La qualité de l’eau déminéralisée est principalement fonction du taux de régénération de l’échangeur de cations.

En effet, toute fuite ionique de l’échangeur de cations est transformée en base libre (NaOH) sur l’échangeur d’anions avec pour conséquence une fuite en silice de celui-ci. Par conséquent, une chaîne de finition doit nécessairement comporter un cation et un anion en lits séparés ou mélangés.

lits mélangés (LM)

Ce procédé diffère essentiellement des solutions à lits séparés du fait que deux résines fortes, cationique et anionique, sont réunies dans un seul appareil. Elles sont intimement mélangées. Les grains de résine ainsi disposés côte à côte se comportent donc comme une infinité d’échangeurs de cations et d’anions en série (figure 88).

Pour effectuer la régénération, les deux résines sont classées hydrauliquement lors du détassage. La résine anionique, plus légère se place au-dessus, la résine cationique, plus lourde, se dépose dans le fond.

Après séparation des résines, chacune d’elles est régénérée séparément respectivement avec de la soude caustique et un acide fort. L’excès de régénérant est ensuite évacué par rinçage de chaque lit. Après vidange partielle de l’appareil, les résines sont mélangées à l’air comprimé. On termine le rinçage et l’appareil est prêt pour un nouveau cycle.

Les avantages des lits mélangés, par rapport aux lits séparés, sont les suivants :

obtention d’une eau de très haute pureté et de qualité constante au cours du cycle, (conductivité inférieure à 0,2 µS · cm^–1, silice inférieure à 10 mg · L^–1) ;
pH voisin de la neutralité.

Les inconvénients du lit mélangé sont le pouvoir d’échange plus faible et la conduite plus délicate due à la nécessité d’une séparation et d’un mélange parfait des résines.

Les échangeurs à lits mélangés peuvent être utilisés directement sur des eaux à condition qu’elles soient faiblement minéralisées (eaux préalablement traitées par osmose inverse ou distillation, eaux condensées, eaux de piscines nucléaires en circuits fermés…). Un seul lit mélangé est susceptible de remplacer une chaîne complète d’échangeurs d’ions.

Cependant, c’est en traitement de finition que les échangeurs à lits mélangés sont le plus souvent utilisés et dans ce cas, en raison de la faible charge ionique influente, ils ne sont régénérés que tous les 5 à 10 cycles de la chaîne primaire.

installation comportant une chaîne de finition à lits séparés

Elle peut se présenter sous forme de deux colonnes en série CF-AF, la régénération peut se faire en série avec les échangeurs correspondants de la chaîne primaire pour économiser les réactifs de régénération.

On obtient ainsi une conductivité inférieure à 0,5 µS · cm^–1 et une teneur en silice comprise entre 5 et 20 mg · L^–1.

Cependant, ce système est de moins en moins utilisé. On lui préfère les échangeurs à lits mélangés qui permettent d’atteindre une meilleure qualité (voir ci-dessus).

Pour certaines applications, on peut se contenter en finition d’un échangeur de cations faiblement ou fortement acide destiné à neutraliser la fuite en soude de l’échangeur d’anions de la chaîne primaire. Cet échangeur de finition, permet d’obtenir une eau pratiquement exempte de cations (conductivité inférieure à 1 µS · cm^–1) ayant un pH compris entre 6 et 7.

< principaux types d'échangeurs d'ions

différents chaînages possibles >