Principe de la chromatographie par échange d'ions


L’échange d’ions est un procédé permettant de récupérer une famille ionique d’une solution contaminée par échange contre un autre type d’ion.

Cette réaction a lieu sur des bases ioniques positionnées sur des particules sphériques qui forment une résine qui confère une structure rigide au procédé de traitement, on parle ainsi de résine échangeuse d’ions. Cette résine est agencée en colonnes à travers lesquelles l’eau percole verticalement, on désigne donc également ces dispositifs comme des colonnes chromatographiques. Cette technique est particulièrement adaptée à la récupération d’ions métalliques présents dans des effluents miniers pollués. Elle est donc recommandée pour le traitement des ions de chrome hexavalent que l’on trouve dans les eaux de ruissellement des bassins versants du masssif de Koniambo. Les réactions d’échanges d’ions sont réversibles et sélectives. Si l’on note X  la partie active de la résine, on a donc des réactions du type :

Figure 1 : Schéma de l'intéraction entre la résine et l'ion retenu dans le cas d'une résine anionique.
(source: http://www.123bio.net/cours/chromato/echange.html)


C’est donc cette grande interactivité entre la phase fixe et les ions de la phase mobile qui permet d’utiliser cette technique dans le traitement des eaux.

Il existe différents types de résines, certaines sont faites pour récupérer des cations, d’autres fixent les anions. Utilisées principalement en déminéralisation, les résines échangeuses de cations  sont divisées en deux catégories, permettant de fixer aussi bien des ions issus de solutions fortement acides (la résine est alors préparée avec des bases sulfonates) ou de solutions au pH plus neutre (bases carboxylates). De même, chez les résines échangeuses d’anions, on retrouve une différenciation similaire avec des groupes fonctionnels ioniques à l’ammonium quaternaire servant pour les solutions faiblement basiques, et préparées à l’ammonium non quaternaire pour les pH les plus élevés.
Une résine échangeuse d’ions fonctionne par cycle décomposé en différentes phases. On distingue :

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La phase de saturation de la résine durant laquelle on fait percoler la solution polluée jusqu’au maximum de capacité de la résine.

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La phase de soulèvement qui permet d’éliminer les particules qui sont restées bloquées en amont de la résine en procédant à un fort contre-lavage.

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La phase de régénération où l’on fait percoler dans la colonne une solution chargée en ions spécifiques qui viendront prendre la place des molécules capturées dans les groupes fonctionnels. Cette réaction est induite par l’inversion de l’équilibre chimique provoquée par les importantes concentrations en régénérant utilisées. On utilise généralement une solution à base d’acide chlorhydrique, d’acide sulfurique, de soude  ou une solution salée, choisie selon le pH et les caractéristiques de la résine.

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Une dernière phase de rinçage qui permet d’éliminer les traces de régénérant restés en excès à l’intérieur de la résine.

La figure 2 illustre ces quatres étapes.
Figure 2 : Description des quatre phases d'un cycle de chromatographie