L E S A U T R E S T H È M E S

L’EAU POTABLE

N° 306 - L’EAU, L’INDUSTRIE, LES NUISANCES - 59www.revue-ein.com

E n traitement d’eau potable, l’échanged’ions n’est généralement qu’unetechnologie d’appoint. Parmi les

centaines de nouveaux projets à l’étudeactuellement à travers le monde, seulsquelques-uns font appel à ce procédé. Il fautdonc se garder de mettre en parallèle laconsommation de résines échangeusesd’ions avec la croissance de la demanded’eau potable. En revanche, l’échange d’ions

est un procédé extrêmement utile lorsqu’ils’agit d’éliminer sélectivement certainscontaminants de l’eau potable. Il existe denombreux cas où c’est même la seule façonde retenir ces composants indésirables.

Les contaminantsLe tableau 1 contient certains des contami-nants spécifiques que l’on peut trouver dansdes eaux destinées à la consommation

ABSTRACTion exchange in treatmentof drinking water.Ion exchange is the technology of choice to

remove specific contaminants from drinking

water. Compared to other processes, ion

exchange is very selective, and has been suc-

cessfully implemented in many different appli-

cations, including the removal of hardness,

nitrate, boron, natural organics, perchlorate,

chromate, uranium, heavy and transition

metals. A dedicated resin line meeting drinking

water requirements is used. The article gives

examples and process performance.

In sea water and brackish water desalination,

ion exchange is the ideal complement to reverse

osmosis to remove boron down to the recom-

mended limit for drinking water and irriga-

tion. The world’s first two plants using resin for

this purpose were installed in Israel and

Cyprus in 2006 and 2007.

Les résines échangeusesd’ions en traitementd’eau potable

L'échange d'ions est la technologie de choix pour éliminer des contami-nants spécifiques de l'eau potable. Comparé à d'autres procédés, l'échanged'ions est très sélectif, et se trouve utilisé dans de nombreuses applica-tions à grande échelle, pour l'élimination ciblée de la dureté, des nitrates,du bore, des matières organiques naturelles, des perchlorates, des chro-mates, de l'uranium et de divers autres métaux. L'article donnera plusieursexemples réels et des détails sur les performances de chaque procédé.En dessalement d'eau de mer, l'échange d'ions est un complément idéal del'osmose inverse lorsqu'il s'agit de réduire la teneur en bore jusqu'au niveaurecommandé pour l'eau potable et les eaux d'irrigation. Deux installationsde grande taille sont déjà en fonctionnement dans le bassin méditerranéen.

François de Dardel,directeur technique, Rohm and Haas

Tableau 1: Contaminants à éliminer dans l’eau potable

Contaminant Résine Amberlite™ Remarques

Dureté SR1L Na, Carix™, PWC13 Nombreuses installationsNitrate PWA5, Carix Nombreuses installations

(y compris ADN*)Bore PWA10 2 installations industriellesMatières organiques naturelles PWA9 Fonctionne comme un “scavenger”Chromate PWA7 Très efficaceUranium PWA8 En Allemagne p.ex.Perchlorate PWA2 Principalement USAMétaux lourds PWC13 Pas encore communRadium, barium PWC14 “Super-adoucissement”Métaux divers IRC748 Limité par réglementationFluor Pas de solution par échange d’ions Alumine activéeArsenic Pas de bonne solution par Hydroxyde de fer granulé

échange d’ions(* ADN = Amberpack™ Avancé pour dénitratation)

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humaine. Pour beaucoup d’entre eux, unerésine échangeuse d’ions de sélectivité adé-quate existe.Les résines utilisées doivent être d’une qua-lité particulièrement propre pour le traite-ment de l’eau potable et dans la plupart despays, elles sont soumises à une réglementa-tion établie par les autorités sanitaires. Enfin d’article, on trouvera une table desrésines mises au point pour ces applicationsavec leur description générale.Il faut être conscient que l’échange d’ions nemodifie pas la qualité bactériologique del’eau, et qu’il doit donc être associé à desprocédés de désinfection si nécessaire.Parmi les contaminants du tableau 1, onaura vu qu’il n’y a pas de solution par échan-ge d’ions pour éliminer le fluor ou l’arsenic.Aucune résine n’a suffisamment d’affinitépour l’ion fluorure, et pour l’arsenic il existedes solutions éprouvées utilisant des sub-strats minéraux que l’échange d’ions ne peutconcurrencer de façon économique. Nousallons maintenant examiner les autres cas.

Dureté - adoucissementet décarbonatationL’adoucissement classique avec régénéra-tion au chlorure de sodium est surtout uti-lisé à l’échelle individuelle, et assez peu dansdes installations municipales. Nous ne nousétendrons donc pas sur ce cas bien connu.L’élimination de la dureté temporaire, oudureté carbonatée, sur une résine échan-geuse de cations faible avec régénération àl’acide, est un procédé communémentappelé décarbonatation. Il existe des instal-lations de grande taille, surtout au Royaume-Uni. Ce procédé est aussi largement utiliséen brasserie en particulier en Allemagne, en

Belgique et aussi en Grande-Bretagne. Larégénération à l’acide chlorhydrique estrecommandée en raison des risques de pré-cipitation si l’on utilise l’acide sulfurique. Leprocédé est ancien, mais efficace pour deseaux contenant à la fois une teneur élevéeen dureté et en bicarbonate, et les détails ensont généralement connus.

DénitratationLes nappes phréatiques sont souvent conta-minées par des nitrates provenant d’unexcès d’engrais ou de l’épandage de lisiersde porcs. Le nitrate est toxique pour les nou-veaux nés (méthémoglobinémie ou syn-drome de l’enfant bleu) bien que relative-ment inoffensif pour les adultes. La régle-mentation actuelle devrait faire baisser laconcentration de ces nitrates, mais cela peutdurer des années. Entre-temps, l’une desméthodes les plus efficaces pour éliminer lenitrate est l’utilisation d’une résine échan-geuse d’anions régénérée avec du chlorurede sodium, un procédé analogue à l’adoucis-sement, avec lequel il peut d’ailleurs êtrecombiné, la saumure de régénération ser-vant alors aux deux résines.Bien que des résines fortement basiquesclassiques (styréniques de type 1 ou 2 ouacryliques) puissent être utilisées en dénitra-tation, ces résines ont une plus forte affinitépour l’ion sulfate que pour le nitrate, et éli-minent aussi une bonne partie des bicarbo-nates. Comme ces derniers constituent uneprotection des circuits en y maintenantl’équilibre calco-carbonique, on a donc sou-vent intérêt à utiliser des résines ayant uneplus grande sélectivité pour l’ion nitrate afind’éviter une corrosion des canalisations. Cesrésines sont disponibles depuis plusieurs

années, et sont en place dans de nom-breuses installations. Une régénération àcontre-courant est recommandée pour obte-nir la fuite en nitrate la plus basse possibleet minimiser la consommation de sel. Pourles eaux de surface, une résine à squeletteacrylique permet en outre d’éviter sonencrassement par les acides humiques et ful-viques. La figure 1 montre un exemple d’ins-tallation de type ADN (Amberpack Avancéde dénitratation) à quatre colonnes, donttrois en service et une en régénération ou enattente, permettant de traiter un débit totalde 180 m3/h.Des procédés de recyclage de la saumure derégénération avec destruction électrolytiquedu nitrate, transformé en azote, sont encours de développement. Lorsque de telsprocédés seront disponibles à un coût rai-sonnable, la dénitratation sur échange d’ionssera un procédé très écologique.

DéboratationQuelques régions du monde ont une concen-tration élevée de bore dans le sous-sol. C’estpar exemple le cas du plateau anatolien enTurquie. L’organisation mondiale de la santé(OMS) recommande une teneur maximumde 0,5 mg/L de bore dans l’eau potable.Le cas du dessalement d’eau de mer est par-ticulièrement intéressant : l’eau de mercontient environ 5 mg/L de bore (comme B)sous forme d’acide borique. Dans les sta-tions de dessalement par osmose inverse,les membranes sont très efficaces pourréduire la salinité générale de l’eau, mais ontune mauvaise réjection de l’acide borique,qui est une petite molécule très peu disso-ciée, de sorte que le perméat de premièrepasse contient en général une concentrationde 0,8 à 2 mg/L de bore. On peut évidem-ment installer une deuxième passe et, pourassurer l’élimination de l’acide borique, lafaire fonctionner à pH élevé, mais ceci estcoûteux et demande l’utilisation d’antitartre.C’est là que l’utilisation d’une résine sélec-tive du bore est une solution idéale : cetterésine a un groupe fonctionnel très spécial(N-méthyl-glucamine) qui forme un com-plexe avec l’acide borique. La résine est sisélective qu’elle n’élimine rien d’autre del’eau à traiter, et permet d’abaisser la teneuren bore jusqu’à des niveaux de l’ordre de20 µg/L. La figure 2 montre un profil typiquedu cycle d’échange.Les deux premières installations indus-

Figure 1: Dénitratation ADN au Royaume-Uni.

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trielles de dessalement utilisant l’osmoseinverse combinée à l’échange d’ions sélectifont été mises en service en Israël en 2006(270 m3/h) et à Chypre en 2007 (1.000 m3/h,voir figure 3). Bien que la résine puisse enprincipe être régénérée à co-courant, lesdeux clients ont choisi la technologieAmberpack, un mode de construction parti-culièrement compact et offrant des volumesde rinçage minimaux. On peut noter ici quele rendement en eau d’une telle installationpar échange d’ions est de plus de 99 %(moins de 1 % de rejet) alors que ladeuxième passe d’osmose inverse n’aura unrendement en eau que de 90 %. L’échanged’ions se combine donc parfaitement à l’os-mose inverse en dessalement d’eau de merlorsque l’on veut obtenir une eau à faibleteneur en bore, qui est requise à la fois pourl’eau potable et pour les eaux d’irrigation decertaines cultures, en particulier lesagrumes. Il est inutile de construire uneseconde passe d’osmose quand seul le boredoit être éliminé : l’échange d’ions est pluséconomique dans ce cas.

Matières organiques naturellesCes substances provenant des eaux de sur-face peuvent donner une couleur déplai-sante à l’eau et éventuellement poser desproblèmes organoleptiques. Le cas se pré-sente principalement dans le nord de l’Eu-rope et de l’Amérique. Les matières orga-niques responsables de la couleur jaunâtrede l’eau sont principalement des acides

faibles (acides humiques) et peuvent être éli-minés efficacement à l’aide d’une résine for-tement basique macroporeuse sous formechlorure, régénérée avec du chlorure desodium. Le procédé est le même que celuiconnu en traitement d’eau industriel sous lenom de “scavenger” ou piège à matièresorganiques. Une résine à squelette acryliquemacroporeux est particulièrement efficace,c’est d’ailleurs la même que l’on utilise pourdécolorer les jus de canne à sucre. Plusieursinstallations de 10 à 170 m3/h sont en serviceen Europe du Nord, dont une douzaine aumoins en Norvège. Des procédés de recy-clage de la saumure de régénération sontdisponibles. Il convient toutefois de noterque l’élimination n’est pas totale, et que pourune seule colonne on arrive à une réductionde 50 à 80 %. En mettant deux colonnes ensérie, et en particulier en plaçant une résineacrylique en tête et une styrénique en fini-

tion, on peut obtenir des taux d’éliminationde l’ordre de 90 %.

Plomb et cadmiumLes valeurs limites recommandées de cesdeux métaux sont basses: 10 µg/L pour Pb et3 µg/L pour Cd. Une élimination sélective deces métaux peut être réalisée sur une résineéchangeuse de cations faiblement acide. Lafigure 4 montre le profil d’échange sur deuxcolonnes en série. La résine est la même quecelle utilisée en décarbonatation, mais ici lecycle est poursuivi au-delà de la fuite endureté. On voit que les valeurs résiduelles deplomb sont très basses. La valeur à l’entréeétait de 18 µg/L. Le cadmium est lui aussiparfaitement éliminé.

Radium et bariumLe cas du radium est quelque peu exotique,mais techniquement intéressant : dans laclassification périodique de Mendeleïev, Raest le dernier élément des alcalino-terreux,donc en principe un élément participant à ladureté de l’eau. Et de fait, les résines de typesulfonique utilisées en adoucissement ontune affinité très élevée pour le radium. Leproblème du radium est, on l’imagine, autreque celui d’un entartrement des conduites. Ilexiste des cas où le sous-sol contient natu-rellement du radium. L’OMS exprime lesvaleurs guides en terme de radioactivité etnon en concentration chimique. Les cas sontrares où le radium doit être éliminé de l’eaupotable, mais plusieurs exemples sontconnus, principalement aux États-Unis.Comme les résines ont une très bonne sélec-tivité, on peut en principe faire un “super-adoucissement”, c'est-à-dire utiliser unerésine forme sodium et poursuivre le cycleau-delà de la fuite normale en dureté(Ca+Mg). Mais on se trouve alors en face

Figure 2: Élimination du bore.

Figure 3: Déboratation à Chypre.

mais la toxicité chimique de l’uranium, dontla valeur guide est de 15 µg/L. Plusieurs paysd’Europe ont des sous-sols contenant de

d’un dilemme: si l’on poursuit le cycle troplongtemps, le radium se concentre sur larésine jusqu’au point de lui conférer uneradioactivité excessive qui la transforme endéchet radioactif et requiert alors toutessortes de précautions et de techniques pouréliminer la résine épuisée. En pratique, cen’est guère viable et les installations améri-caines se contentent de faire un adoucisse-ment normal, au cours duquel tout le radiumest éliminé, mais celui-ci retourne dans l’en-vironnement avec la saumure de régénéra-tion.Le procédé de “super-adoucissement” esttoutefois utilisable pour l’élimination dubarium, qui n’est pas radioactif et dont lavaleur recommandée dans l’eau potable estde 0,7 mg/L.

UraniumIci, le problème n’est pas la radioactivité

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l’uranium. Il a été démontré récemmentqu’une résine acrylique faiblement basiquepouvait éliminer l’uranium efficacement. Onpeut aussi utiliser des résines fortementbasiques sous forme sulfate, qui forment uncomplexe très stable avec l’ion uranyle :[UO2(SO4)2]

2–.

ChromateLa présence de chromate dans les eaux dedistribution est une pollution d’origineindustrielle : pendant des décennies, les

tours de refroidissement industrielles ontété conditionnées avec du dichromate depotassium. Le chrome VI est particulière-ment toxique. Toutes les résines échan-geuses d’anions ont une forte affinité pourl’ion chromate, à tel point que les résinesfortement basiques ne sont pratiquementpas régénérables. En revanche, une résinefaiblement basique phénolique peut être uti-lisée, comme le montre la figure 5. Dans lesconditions de l’étude, le cycle est très long:à un débit spécifique de 20 volumes parheure, il correspond à plus de 2000 heuressoit environ trois mois. La valeur limite del’OMS est 0,05 mg/L en chrome total.

NickelLe nickel et plusieurs autres métaux de tran-sition (fer, zinc, cuivre) peuvent être retenussur une résine chélatante (complexante)ayant des groupes fonctionnels iminodiacé-tiques. Une étude a été publiée sur l’élimina-tion de nickel en Rhénanie. L’augmentationde la concentration de nickel dans les eaux

Figure 5: Élimination de chrome (PWA7).

Figure 6: Profil de fuite en nickel.

Figure 4: Élimination de plomb.

est due à la solubilisation de ce métal pré-sent dans des couches contenant de lapyrite, cette solubilisation étant attribuée àl’action oxydante des nitrates, lesquels pro-viennent de l’activité humaine. La valeurlimite pour le nickel est de 20 µg/L en Alle-magne. Dans l’étude où deux colonnesétaient mises en série, la valeur d’arrêt avaitété fixée à 5 µg/L. La figure 6 montre le profilde fuite. Pour une teneur à l’entrée de l’ordrede 100 µg/L, les cycles sont de l’ordre dedeux mois. La résine se régénère très bien.Elle élimine aussi le plomb et le cadmium sibesoin est, mais maintient la teneur en cal-cium et magnésium de l’eau. Toutefois, laréglementation en vigueur dans la plupartdes pays n’autorise pas encore l’usage de cetype de résine pour l’eau potable.

PerchlorateIl s’agit d’un autre cas exotique, maissérieux : dans certaines régions des États-Unis, le sous-sol a été contaminé par dessels de perchlorate, sous-produits des com-bustibles utilisés dans les fusées. Les autori-tés sanitaires de Californie ont fixé unelimite de 6 µg/L pour cet anion. Une résinenouvelle a été mise au point avec une affi-nité 30 fois plus élevée pour l’ion ClO4

— queles échangeurs d’anions classiques. Plu-sieurs installations ont été construites aveccette résine. La fuite est inférieure à 1 µg/Let le cycle est très long, mais la résine ne

peut pas être régénérée. Des contaminationsdu même genre peuvent être attendues dansles autres pays qui lancent régulièrementdes fusées dans l’espace.

Le procédé Carix™

Mis au point à l’Institut de RecherchesNucléaires de Karlsruhe, ce procédé est dis-tribué par Veolia-Wabag. Il s’agit d’une démi-néralisation partielle sur des résines régéné-rées au dioxyde de carbone, qui élimineprincipalement la dureté, les métaux lourds,le bicarbonate et le sulfate. Les résines sontutilisées en lit mélangé: il s’agit d’un échan-geur de cations méthacrylique faiblement

acide et d’un échangeur d’anions acryliquefortement basique. Ces deux résines demeu-rent à l’état mélangé en permanence, y com-pris pendant la régénération. Le schéma deprincipe est illustré par la figure 7. Le régé-nérant est donc du gaz carbonique injectésous une pression modérée de moins de 1MPa (10 bar). La réaction d’échange surl’échangeur de cations produit du gaz carbo-nique qui est récupéré et recyclé. Aucunautre produit chimique n’est utilisé, ce quirend ce procédé particulièrement écolo-gique, puisqu’il n’augmente pas la salinité dumilieu.Ce point est considéré particulièrement cri-

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Figure 7: le procédé Carix.

Tableau 2: Résines pour le traitement d’eau de boisson

Amberlite Squelette Type* Application

PWA2 Styrénique Gel AF Perchlorate, résine sélectivePWA5 Styrénique Macro AF Nitrate, résine sélectivePWA6 Styrénique Gel AF 1 Divers (nitrate et autres)PWA7 Phénolique Macro Af Chromate (non regen.)PWA8 Acrylique Gel Af UraniumPWA9 Acrylique Macro AF Matières organiques naturellesPWA10 Styrénique Macro Af BorePWC11 Méthacrylique Macro Cf Principalement CarixPWA12 Acrylique Gel AF Carix + diversPWC13 Acrylique Macro Cf Décarbonatation et métaux lourdsPWC14 Styrénique Gel CF Radium + diversPWA15 Styrénique Gel AF 1 DiversPWA16 Styrénique Gel AF 2 Chromate + diversPWA17 Styrénique Gel AF 1 Nitrate + divers

(* Types: Échangeurs d’anions faibles [Af] et forts [AF] de type 1 & type 2 le cas échéant, échangeurs de cations faibles [Cf] et forts [CF]).

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tique par le gouvernement des Länder alle-mands, où plusieurs installations ont étéconstruites avec des débits de 60 à 700 m3/h.Les performances typiques du procédéCarix sont:• Dureté: 40 à 65 % de réduction• Métaux lourds (Pb, Cd et autres): près de100 % d’élimination• Bicarbonate: 40 à 60 % de réduction• Sulfate: 50 à 80 % de réduction• Nitrate: 10 à 50 % de réduction• Chlorure: sans changement• Rendement en eau : environ 90 % (10 %d’effluents)Ce procédé est surtout utilisable pour deseaux contenant à la fois une dureté et unealcalinité élevées. C’est le cas, il faut le dire,de beaucoup de nappes phréatiques en Alle-magne, en France et en Belgique.

ConclusionsL’échange d’ions est un procédé très efficacepour éliminer de l’eau potable des contami-nants spécifiques très variés. C’est même leseul procédé capable de traiter des concen-

trations basses de ces contaminants, notam-ment les impuretés métalliques. Lesexemples donnés dans le tableau 2 ne sontpas exhaustifs, et d’autres contaminantspeuvent être fixés sur des résines.

Enfin, la déboratation par échange d’ions estle complément idéal de l’osmose inversepour obtenir une eau potable ou une eaud’irrigation exempte de bore à partir d’eausaumâtre ou d’eau de mer. ■

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