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Caractéristiques des résines échangeuses d’ions
Les résines échangeuses d’ions
Principe
Un échange d’ions est un procédé par lequel les ions contenus dans une solution sont éliminés pour être remplacés par une quantité équivalente d’autres ions de même charge électrique. Le procédé d’échange d’ions peut donc être définiommec un échange réversible d’ions, entre un solide et un liquide, échange qui s’effectue sans modification substantielle de la structure du solide, appelé résine.
La réaction d’échange peut s’écrire comme suit :
R : Résine
X : ion préalablement fixe sur la résine. Y : ion fixé par la résine.
Ysol : ion indésirable présent dans la solution àtraiter Xsol : ion rejeté dans la solution
Les échangeurs d’ions
Types de résines
Les échangeurs d’ions sont constitués de résines qui se présentent sous la forme de poudre ou de billes conditionnées dans des bouteilles.
Plusieurs groupes d’échangeurs d’ions sont à distinguer selon le type d’ions qu’ils sont en mesure de retenir : les échangeurs de cations fortement acides (type acide sulfonique) dits cations forts. Ils fixent tous les cations (Ca2+, Na+,Mg2+…) …) dans u ne large gamme de pH et les remplacent par des ions H+ ; les échangeurs de cations faiblement acides (type acide carboxylique) dits cations faibles. Ils ne fixent les cations qu’en milieu alcalin ou faiblement acide ;
les échangeurs d’anions fortement basiques (ammonium quaternaire) dits anions forts. Ils fixent tous les anions, et les remplace par des ions OH- ;
les échangeurs d’anions faiblement/moyennement basiques (amine secondaire ou tertiaire) dits anions faibles. Ils fixent les anions forts à des pH acides et dans une proportion variable les acides faibles. Ces échangeurs sont moins sensibles aux polluants organiques (mouillants, complexants…) que les échan geurs d’anions fortement basiques,les résines complexantes ou chélatantes. Elles présentent une sélectivité marquée pour toute une série de métaux ;les résines adsorbantes : Se sont des résines macroréticulés ce qui donne une grande porosité à la structure de la résine d’où une capacité d’adsorption surtout pour les molécules de grande taille.Bien que ces résines ne soient pas proprement parlées des échangeurs d’ions, elles s’y apparentent de prêt. On peut les classer par polarité décroissante:Adsorbants ionisés, en fait échangeurs fortement basiques utilisés sous la forme de chlorures, par exemple : Amberlite IRA900 Cl utilisé par la COSUMAR pour la décoloration du sirop de sucre ;Adsorbants phénoliques, à fonction phénol ou faiblement basiques ;Adsorbants inertes, copolymères macroporeux de styrène et de DVB à très haute réticulation et forte porosité.
Caractéristiques des résines échangeuses d’ions
Leur type (nature des ions échangés) ;
Leur capacité d’échange, nombre de moles de groupesactifs par unité de masse de résine sèche (ou par unité de volume de résine imprégnée de solvant) ; elle est en général de 3 à 6 mol/kg ; Leur granulométrie, exprimée enmesh (nombre de mailles au pouce-carré du tamis correspondant aux perles).
Mécanisme de l’échange
Le processus de l’échange d’ions peut être considér comme un équilibre chimique. L’étude thermodynamique montre que le déplacement de l’équilibre d’échange va dépendre du type de résine considéré.
Pour une résine cationique forte :
La réaction étant totale, la capacité d’échange nedépend pas de PH.
Pour une résine cationique faible :
La réaction n’est que partielle, la capacité d’échange dépend donc de PH.
Pour une résine anionique forte :
La réaction est totale à tout PH.
Pour une résine anionique faible :
L’échange n’est notable qu’en milieu basique.
De plus le déplacement de l’équilibre d’échange vaégalement dépendre des ions échangés avec la solution c.à.d. avec l’affinité des ions avec la résine. Ainsi,
L’affinité augmente avec la charge de l’ion :
L’affinité augmente avec la taille de l’ion :
Un des grands intérêts des résines réside dans leurpossibilité de régénération, conséquence de la réversibilité de l’équilibre chimique d’échange ; il suffira de mettre la résine en présence d’une solution concentrée de son ion actif initial et larésine régénérée servira de nouveau et pour un grand nombre de cycles.
Adsorption
Phénomène d’adsorption
« Processus résultant en une accumulation nette d’une substance à l’interface entre deux phases contiguës » (Sposito, 1984).L’adsorption est un phénomène physico-chimique se raduisant en particulier par une modification de concentration à l’interface de deux phases non miscibles. L’adsorption, phénomène de surface, est donc à distinguer de l’absorption, phénomène de profondeur.Il existe cinq types d’interfaces selon la nature des deux phases contiguës gaz/liquide, gaz/solide, liquide/liquide, liquide/solide, solide/solide, et, pour chacun de ces types d’interfaces, on peut distinguer le cas où ces phases sont pures de celui où elles constituent des mélanges.Le phénomène de base mis enjeu lors de l’adsorptiond’un fluide par un solide est un transfert de masse à partir de la phase liquide ou gazeuse vers la surface du matériau adsorbant sur laquelle le composé à tendance à former des liaison s soit covalent soit ioniques. L’adsorption est donc un processus de surface. Selon la nature des liaisons entre l’adsorbat et l’adsorbant on distingue deux catégories d’adsorption :
La chimisorption : met en jeu des liaisons covalentes ou ioniques. Ce type d’adsorption met en jeu des énergies importantes de quelques centaines de kilocalories par mole.
La physisorption : met enjeu des liaisons de type Van der waals. L’énergie dans ce cas est moins importante qu’en chimisorption. Cependant, les liaisons sont souvent mal connues. L’adsorption des molécules à la surface du solide peut-être considérée d’une manière simple comme une augmentation de la concentration d’une substance à l’interface solide/fluide (le fluide peut-être un gaz ou un liquide).L’exploitation pratique de ce phénomène, a donné naissance à une large gamme de procédés industriels de transformations et de traitements des fluides par des charbons actifs, des argiles, des zéolithes, des résines adsorbantes…
Les adsorbants
Il existe plusieurs types d’adsorbants utilisés dans beaucoup de procédés industriels.Le point commun de tous les adsorbants et leur grande porosité.On distingue des catégories de pores selon les dimensions :
Les macrospores dont l’ouverture dépasse 1000 A ;
Les pores de passage ou de circulation appelés aussi pores secondaires ou mésopores de dimensions entre 100 et 1000 Â ;
Les micropores qui ont des diamètres compris entre 20 Â et 100 Â.
Une autre grandeur est à prendre en considération dans ce phénomène de surface. Il s’agit de la surface spécifique. Cette surface développée parle solide afin de fixer le fluide est de l’ordre de 600 à 1200 m2/g pour certains types de charbons act ifs elle atteint une valeur extrême de 1600 m2/g.
Parmi ces adsorbants on a :
Le charbon actif :
Le charbon actif est la forme de charbon le plus poreux, capable d’adsorber efficacement divers composés organiques et il est employé de cefait dans les installations d’épurations des eaux. Le charbon actif contient du carbone graphitique microcristallin (diamètre de pore égal à environ 30 °A). Les grains ne tiennent ensemble que par quelques rares points de contact, ce qui confère au produit une porosité extraordinaire, lespores ont quelques °A à quelques centaines de °A de largeur.
Le noir animal :
On peut rapprocher des charbons actifs le noir animal utilisé pour la décoloration des vins et dans le raffinage du sucre. Le noir animal est obtenu par la carbonisation d’os en l’absence d’air, après en avoir extrait les matières grasses par dessolvants. Le produit de la carbonisation, concassé puis tamisé, contient 9 à 10 % de carbone et 75 à 8 2 % de phosphate tricalcique. Sa surface spécifique est de l’ordre de 120 m2/g. i1 a conservé la structure poreuse des os utilisés pour sa préparation.
Gel de silice :
Les gels de silice sont préparés par précipitationde silice sous forme d’un hydrogel, en faisant agir un acide (chlorhydrique ou sulfurique) sur une solution de silicate de sodium. Le précipité de silice est lavé pour éliminer le sele dsodium formé, puis séché à température convenable, on obtient un xérogel de silice, simplement appelé gel de silice.
Selon les conditions opératoires, on obtient des gels mésoporeux ou microporeux, dont les rayons moyens de pores peuvent varier de 8 à 2 nm ( 80 à 20 °A) et les surfaces spécifiques de 350 à 800 m2/g. Ces adsorbants, à l’inverse des charbons actifs, sont très hydrophiles, avant tout usage, ils doivent être déshydratés par chauffage à l’air vers120°C.
Polymères poreux (résines adsorbantes) :
En dehors des résines échangeuses d’ions dont le domaine d’application est bien connu, il existe divers polymères non ioniques, utilisables comme adsorbants essentiellement hydrophobes :
o Copolymères styrène-divinylbenzène,
o Polyacrylates réticulés, qui sont des polymères macroréticulés, se présentant sous forme de grains sphériques de 0,5 à 1,5 mm de diamètre, avec des surfaces spécifiques pouvant atteindre 750 m2/g.
L’application de ces adsorbants se développe surtou dans le traitement des eaux où il est possible qu’ils concurrencent, dans certains cas, les charbons actifs. Ces résines adsorbantes sont aussi utilisées dans le domaine du raffinage du sucre comme adsorbantes des colorants.
Description de l’unité de décoloration
COSUMAR possède une unité de décoloration constituée de 2 installations distinctes, chacune d’elles est composée de 3 colonnes de résines avec des capacités différentes.La décoloration du sirop de sucre se base sur le passage à travers une résine anionique fortement basique de type Cl de manière à retenir le maximum de macromolécules colorantes par effet d’adsorption et d’échange d’ions.La durée totale d’un cycle « production, régénération, rinçage » dépend surtout de la marche de l’usine et de la disponibilité des différents fluides (eaux sucrées, commune filtrée).
Propriétés de la résine utilisée (voir tableau ciessous)-d
La résine utilisée est l’AMBERLITE IRA 900Cl, c’est une résine anionique fortement basique, avec un fort potentiel d’adsorption (85% adsorbante et 15% échangeuse d’anions).Cette résine est un échangeur d’anions fortement basique de type 1 à structure polystyréniques macro réticulée. La basicité des groupements fonctionnels permet l’élimination de tous les anions y compris ceux faiblement dissociés telle que la silice.Caractérisée par une stabilité physique exceptionnelle et une très bonne cinétique d’échange, l’AMBERLITE IRA 900 Cl est particulièrement recommandée pour le traitement de condensats.La structure macro réticulée à larges pores de l’AMBERLITE IRA 900 Cl liée à la forte basicité des groupements fonctionnels permet l’élimination des molécules organiques à haut poids moléculaire, qui s’infiltrent à l’intérieur des pores : il s’agit du phénomène d’adsorption. Elle est donc également utilisée en décoloration de jus sucrés et en tant que piège à matières organiques en tête d’une chaîne de déminéralisation.
Description de la station 35
C’est la première station de résines utilisées pourla décoloration sirops dans COSUMAR, elle était installée en Mars 1992, et fonctionne avec un débit de 35m3/h.ette unité travaille en série , c.à.d. que le sirop entre dans la première colonne et ensuite sort pour rentrer dans la deuxième en vu de compléter le processus de décoloration, on dit que la première colonne est en phase de production et la 2ème est en phase de finition, tandis que la 3ème est en régénération ou en attente.Lorsque la résine de la colonne de tête (celle en roduction)p est saturée, elle passe en régénération, la colonne de finition passe en production et la colonne qui était en régénération ou en attente, passe en finition et ainsi de suite.Chacune des colonnes comporte deux compartiments, haut et bas, contenant chacun 4500 litres de résine échangeuse, et séparées par 3 pleatux de buses en polypropylène qu’on appelle crépines. Ces derniers assurent la répartition desfluides et empêchent la résine de passer avec le sirop décoloré qui va être dirigé vers la sortie ladecolonne.
Description de la station 110
Les 3 colonnes 110 sont identiques et ont la même ompositionc que les colonnes 35, la seule différence réside dans la dimension et ainsi les volumes de résine et du débit utilisé, et en fin le régime de marche qui a été modifié pour les colonnes 110 en passant du régime en série, pour le quel les colonnes ont été conçues, avec un débit de110m3/h, au régime en parallèle avec un débit de 70m3/h, à cause du besoin excessif en série.Comme ça on aura à la sortie des colonnes un débit de 140m3/h selon une marche normale, au lieu de 110m3/h.
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Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Présentation de la société d’accueil
I) Présentation générale
1) Fiche technique
2) Actionnaires
3) Historique
4) COSUMAR Casablanca
5) L’organigramme de la COSUMAR Casablanca
II) Production
1) Activités
2) Processus de fabrication du sucre blanc
a) Matière première
i) Réception
ii) Compositions des éléments de sucre
b) Le raffinage
i) La fonte
ii) L’épuration
iii)La décoloration
iv) L’évaporation
v) La cristallisation
Chapitre 2 : Etude bibliographique
I) Principe
II) Les échangeurs d’ions
1) Types de résines
2) Caractéristiques des résines échangeuses d’ions
3) Mécanisme de l’échange
III) Adsorption
1) Phénomène d’adsorption
2) Les adsorbants
Chapitre 3 : Description de l’unité de décoloration
I) Caractéristique de la résine utilisée
II) Description de la station 35
III) Description de la station 110
1) Caractéristiques des colonnes 110
2) Schéma de l’installation
IV) Séquences de décoloration
V) Paramètres de marche des colonnes 110
Chapitre 4 : Techniques d’analyses utilisées
Chapitre 5 : Traitement du sujet
I) Plan générale de travail
II) Suivi des paramètres de décoloration
1) Méthodologie
2) Interprétation des résultats et conclusion
III) Carte de contrôle et comparaison des 2 unités de décoloration
1) Carte de contrôle
2) Comparaison des 2 unités 35 et 110
3) Conclusion
IV) Suivi des étapes de régénération
1) Suivi des éluas de régénération et de déplacement
2) Calcul des pertes
a) Cas de la courbe bien calée
b) Cas de la courbe décalée
c) Calcul des pertes
V) Optimisation de la régénération par plan d’expérience
1) Plan de travail pour régler la problématique
a) Plan de criblage des facteurs de régénération
b) Résultats de l’étude
2) Mise en place du plan d’expérience
a) Les facteurs
b) Les réponses
3) Plan choisi et matrice d’expérience
a) Domaine expérimentale
b) Réponse expérimentale
c) Réalisation des essais
Chapitre 6 : Interprétation des résultats et conclusion
I) Plan expérimentale avec les réponses
II) Analyse des résultats
1) Estimation et statistiques des coefficients
2) Analyse de la variance
3) Etude des résidus de la réponse
4) Etude graphique en 2D
5) Courbure de l’équation canonique
6) Etude du chemin optimale
7) Conclusion
III) Vérification des résultats du plan d’expérience
IV) Valeur ajoutée de l’étude
Recommandations et perspectives
Conclusion
Annexe
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