Adoucissement de l'eau par ├ęchange d'ions

Cette étape a pour but d'adoucir le courant d'eau, c'est-à-dire de réduire sa teneur en ions calcium et magnésium (qui ont tendance à précipiter très facilement, surtout en présence d'ions carbonates) en les remplaçant par des ions sodium (qui sont nettement plus solubles et qui ont donc moins tendance à précipiter).
Pour cela, nous faisons passer l'eau à travers une membrane échangeuse de cations fortement acide : la Duolite C-20.

L'adoucissement se décompose en quatre opérations :

  • La phase dite de service : c'est la partie active de l'adoucissement, où le courant à traiter passe à travers la membrane. La réaction d'échange est la suivante : $$ 2 R-Na + Ca^{++} ⇔ R_{2}-Ca + 2 Na^{+} $$
    D'après les données du constructeur, la plage de fonctionnement de la résine est située entre 5 et 40 volumes de lit par heure (1 volume de lit est égal à 1m3 d'eau par m3 de résine).
    Donc pour un débit d'entrée fixé à 60m3/h, un volume de résine de 1,5m3 à 12m3 est nécessaire. Pour des questions de transport, les colonnes utilisées ne pourront pas dépasser 3m de longueur avec un diamètre de 60cm permettant de conserver un bon ratio entre longueur et diamètre de colonne. Chaque colonne aura donc un volume de 0,85m3.
    Il faudra donc au moins entre 2 et 15 colonnes avec les paramètres définis au-dessus.

    Pour bien faire, il aurait fallu trouver les données expérimentales comme le débit optimal dans la colonne afin d'obtenir précisément le volume de résine nécessaire, ainsi qu'une courbe de percée liée à la résine Duolite C-20. Cela nous aurait permis, au moyen de l'isotherme d'adsorption pour cette résine (que nous pouvons obtenir par le calcul) si la dureté initiale de l'eau utilisée dans l'expérience était différente de la nôtre et de calculer le temps de fonctionnement nécessaire au bout duquel il faut procéder à la régénération de la résine.


     
  • La phase de rétro-lavage : un courant d'eau est injecté à contre-courant pour décompacter la résine et ainsi en éliminer les éventuelles traces de solide. Le constructeur indique qu'une dilatation du lit de 50% est nécessaire et que cette étape doit durer entre 5 et 15 min. Grâce au graphe fourni sur la fiche produit de la Duolite C-20, le débit d'eau nécessaire (à 20°C) au rétro-lavage est de 11m3/h.

                                          

  • La phase de régénération : une solution de saumure (eau + chlorure de sodium), contenant 8 à 12% de sel, passe à travers la membrane chargée en ions calcium et magnésium. La réaction inverse de la phase de service permet alors à la résine de se recharger en sodium. La saumure sort de la résine chargée non plus en ions sodium, mais en ions calcium et magnésium. Le débit opératoire est compris entre 2 et 8 volumes de lit par heure. Le temps de contact entre la résine et la solution de saumure doit être d'au moins 30 minutes.
  • La phase de rinçage constituée de deux sous étapes : le rinçage lent, qui élimine le surplus de solution de rinçage, puis un rinçage rapide qui permet d'éliminer les éventuelles produits de réactions.

La fuite de dureté, c'est-à-dire la dureté persistante en sortie de la résine, est d'après une entreprise commercialisant la Duolite C-20 inférieure à 1% de la dureté initiale. Ainsi la précipitation des ions calcium et magésium sera bien moindre, et en agissant sur le pH de la solution, il sera possible de neutraliser leur précipitation.


Bibliographie

F. de Dardel, Regeneration Methods, dardel.info/IX/processes.

T.V. Arden, F. de Dardel, Échange d'ions, Techniques de l'Ingénieur.

1GRD Conseil en Traitement des Eaux, www.1grd.fr/documents.htm .