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Résines anioniques et traitement de la matière organique

GÉNÉRALITÉS SUR LES RÉSINES ANIONIQUES

À cause de la grande nécessité d’adoucir les eaux de consommation, les résines cationiques sont nettement plus connues et plus utilisées que les résines anioniques. Pourtant les résines anioniques sont très importantes pour le traitement de différents contaminants dont la matière organique (les tannins), l’enlèvement des sulfates, des nitrates, des carbonates et bicarbonates (désalcalinisation), etc.

Les résines sont des polymères dont la structure est comme un réseau de fibres (ou mailles) interconnectés. La particularité est que la structure comporte une série de sites chargés uniformément distribués. Ces sites chargés sont des groupements fonctionnels qui sont greffés à la résine pendant la période de fabrication. Ces charges, lorsqu’elles sont positives permettent de capter des anions, on parle alors de résine anionique.

Les résines anioniques sont classées en 3 groupes :

  • Les résines anioniques faibles;
  • Les résines anioniques fortes de type I;
  • Les résines anioniques fortes de type II.

Cette classification est essentiellement basée sur la nature du groupe fonctionnel greffé sur la matrice de la résine. Ainsi,

  • Diméthylamine (amine secondaire) est le groupement fonctionnel des résines anioniques faibles (WBR);
  • Triméthylamine (amine tertiaire) est le groupement fonctionnel des résines anioniques fortes de type I;
  • Dimethylethanolamine (amine tertiaire) est le groupement fonctionnel des résines anioniques fortes de type II

Autres caractéristiques générales des résines anioniques

Résines anioniques faibles : retiennent les anions forts (SO42-, NO3, Cl, etc.) mais n’ont pas beaucoup d’affinité pour les anions faibles (HCO3, SiO2, etc.)

Les résines anioniques faibles permettent une déanionisation partielle de l’eau. À priori elles n’enlèvent pas les carbonates et bicarbonates (pas de désalcalinisation) et n’enlèvent pas la silice de l’eau. Toutefois, les résines anioniques faibles sont très facilement et efficacement regénérées.

Les résines anioniques faibles vont être utilisées en combinaison avec une résine anionique forte lorsqu’on veut déanioniser une eau contenant beaucoup d’anions forts comme les chlorures, les nitrates et les sulfates. Ces ions étant très efficacement enlevés par la résine anionique faible, une telle association va faciliter le travail de la résine anionique forte qui elle va se charger de faire la déalcalinisation, c’est-à-dire l’enlèvement des carbonates et des bicarbonates et de la silice.  De plus comme les résines anioniques faibles sont faciles à regénérer, le système gardera une bonne capacité et efficacité pour une longue période.

Les résines anioniques faibles ne sont pas aussi efficaces à enlever la matière organique que les résines anioniques fortes. Toutefois, lorsque l’eau contient un peu de matière organique et que l’objectif principal du traitement est la déalcalinisation, l’enlèvement de la silice, la résine anionique faible peut être installée en amont pour protéger la résine anionique forte en enlevant le tannin et des anions forts.

Résines anioniques fortes de Type 1 : plus résistantes chimiquement, plus efficaces (eau de meilleure qualité), plus efficaces pour la silice, mais moins faciles à régénérer.

Les résines de Type I à la longue peuvent donner des odeurs d’amine (produits de décomposition) qui est plus odorant (plus désagréable) que les Type II qui eux donnent des alcools et aldéhydes.

Résines anioniques fortes de Type 2 : plus de capacité (10 à 15% plus) et plus faciles à régénérer.

Les résines de type II sous forme de chlorure sont beaucoup plus utilisées et plus recommandées pour la déalcalinisation que celles de type I.

Une résine anionique est chargée positivement et capte des ions négatifs comme :

Les sulfates (SO42-) > les chromates (CrO42-) > les phosphates (PO43-) > les hydrogénosulfates (HSO4) > les nitrates (NO3) > les bromures (Br) > les chlorures (Cl) > les bicarbonates (HCO3) > les fluorures (F) > les hydroxydes (OH)

 

RÉSINES ANIONIQUES POUR LE TRAITEMENT DE LA MATIÈRE ORGANIQUE

La matière organique naturelle présente dans l’eau est généralement désignée par tannins et inclut les acides humiques et fulviques. Il y a aussi d’autres composés comme les polysaccharides. Ces composés sont des acides faibles qui peuvent libérer des protons et ainsi porter une charge négative. La matière organique dans l’eau porte généralement de légères charges négatives, ce qui permet de l’enlever en grande majorité par des résines anioniques. Les résines anioniques généralement utilisées sont celles qu’on appelle des pièges à matière organiques (organic scavengers) qui sont des résines anioniques fortes macroporeuses. Toutefois, la plupart des résines anioniques sont capables de traiter la matière organique, mais à des degrés divers.

Les tannins sont fortement attirés par les résines anioniques, presqu’autant que les sulfates. Toutefois, les tannins sont de grosses molécules qui se déplacent plus lentement que les sulfates et qui sont trop gros pour pénétrer facilement dans les pores des résines. Or, la majorité des sites d’échanges des résines sont à l’intérieur de la structure. Il y a donc une forte compétition entre les autres anions et la matière organique.

L’usage de résines macroporeuses donne plus de chance aux tannins. La meilleure situation serait d’avoir des résines macroporeuses anioniques fortes. Malheureusement, la plupart des résines anioniques fortes sont sous forme de gel et non des résines macroporeuses.

Retenons que les résines anioniques fortes ont plus d’affinité pour les tannins. Ce sont donc des résines anioniques fortes qui sont utilisées.

Les interactions entre résines anioniques et tannins conduisant à la rétention des tannins suivant différents mécanismes dépendamment de la nature des tannins dans l’eau :

  • Liaisons ioniques lorsque les tannins sons sous forme ionisée. Les tannins sont dans ce cas enlevés comme les autres anions
  • Interactions électrostatiques (forces de van-der-waals) ou simplement appelées adsorption physique, lorsque les tannins sont sous forme de molécules polarisées
  • La matière organique non ionique, non polaire n’est pas retenue par les résines anioniques.

Un autre paramètre important à prendre en compte dans le choix d’une résine à tannin est la facilité de désorption des molécules organiques pour régénérer la résine :

La résine peut bien se régénérer avec des chlorures (solution de chlorure de sodium). Toutefois, si les chlorures peuvent permettre de déloger le la matière organique liée à la résine par des liaisons ioniques, ce n’est pas le cas pour la matière organique liée à la résine par des liaisons électrostatiques. Ainsi la régénération des résines ne se fait pas à 100%. Au fils du temps, les résines perdent de leur capacité.

Les résines à base de polyacrylique ont moins tendance à perde leur capacité, car vu qu’elles n’ont pas de noyaux aromatiques, il y a moins d’interactions hydrophobes avec la matière organique. Elles ont donc un plus fort taux de régénération et donc se colmatent moins.

Décolmatage des résines

Au fils du temps, une fraction de la matière organique se fixe et reste sur la résine.

Pour diminuer le colmatage, il faut ajouter à la solution saumure 2% d’hydroxyde de sodium. L’hydroxyde de sodium aide à détacher la matière organique des résines par neutralisation/hydrolyse. La base permet aussi de gonfler la structure de la résine pour permettre d’extirper la matière organique. La réaction est plus efficace autour de 40-50°C.

Certains types de résines réagissent avec l’hydroxyde de sodium et produisent des odeurs. La bonne procédure serait donc d’ajouter de l’hydroxyde de sodium à la saumure à environ chaque 5 régénérations.

Il est possible de tenter une régénération de résine anionique trop colmatée par la matière organique. Voici la procédure :

  • Effectuer une régénération normale au sel
  • Préparer une solution à 10 lb/Pi3 de sel et 3 lb/Pi3 de carbonate de sodium ou 2 lb/Pi3 d’hydroxyde de sodium
  • Tremper la résine dans cette solution pendant au moins 4 h si le bicarbonate de sodium a été ajouté ou 2 h si de l’hydroxyde de sodium a été ajouté. Dans les deux cas, le résultat sera meilleur si la solution de trempage est chaude (entre 40 et 50°C).
  • Rincer la résine
  • Effectuer un cycle de régénération normal de la résine avant de la mettre en opération.

Problème d’odeur des résines anioniques

Les problèmes d’odeur des résines anioniques sont généralement liés aux groupements fonctionnels amine qui sont greffés sur les résines anioniques. Il s’agit en l’occurrence les groupements triméthylamine qui devient un ammonium quaternaire lorsque greffé sur les résines, les transformant en résines de type I. L’odeur devient persistante lorsque le pH est basique (au-delà de 8). Une des manières de contrôler l’odeur est d’ajouter de l’acide citrique par intervalle (environ aux 5 régénérations) dans la saumure de régénération. Une dose de 0,5 à 1 lb/Pi3 de résine devrait être suffisante.

Références :

DeSylva Francis, Removing organics with ion exchange resin, Water Conditioning & Purification Magazine, 1997

Mike Keller, Water quality products, 1999

http://www.wwdmag.com/sites/wwdmag.com/files/WQP%202_98%20Tannin%20Removal.pdf

http://www.wwdmag.com/membrane-technology/tannin-removal

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