Applications

Deux techniques sont utilisées pour un traitement pratique par échange d'ions au laboratoire : la méthode par lot (méthode batch) et la méthode par colonne.

Méthode par lot

Les procédures d'échange d'ions par lot sont favorables quand les réactions doivent être effectuées en système clos et l'entrée de nouvelles substances dans la résine est techniquement impossible, comme dans le cas des applications de catalyse. Dans cette méthode, la résine échangeuse d'ions et les solutions sont mélangées dans un récipient, on laisse l'échange s'équilibrer, puis la résine est filtrée pour retirer la solution, avant d'être lavée et régénérée dans un système spécialement conçu.

Méthode par colonne

Tant pour l'analyse que pour la production, le passage d'une solution à travers une colonne qui contient une matrice de résine échangeuse d'ions est analogue au traitement de la solution dans une série infinie de récipients en méthode par lot. La séparation est donc équivalente à celle obtenue au cours d'un processus par lot. Le remplissage de la colonne est facile à effectuer et ne nécessite que quelques étapes pratiques. La résine échangeuse d'ions est d'abord mélangée avec de l'eau distillée dans un bécher. En général, deux heures suffisent pour réhydrater la résine. Ensuite, la résine échangeuse d'ions est transférée dans la colonne sous forme de gel pour obtenir un remplissage uniforme de la colonne. La résine échangeuse d'ions doit être complètement couverte d'une couche aqueuse pour éviter les bulles d'air, et l'excédent d'eau doit être constamment éliminé. Une boule de coton est placée en haut de la colonne, puis celle-ci est lavée plusieurs fois à l'eau distillée.

Étapes des cycles de travail de l'échange d'ions

• Échange d'ions
• Lavage de la colonne d'échange d'ions
• Régénération ou nouvelle élution

Des étapes de lavage sont nécessaires pour éliminer l'excédent de solution d'alimentation. La régénération ramène la résine échangeuse d'ions à sa forme ionique antérieure. Cela signifie que les ions qui ont été échangés lors de la procédure sont éliminés de la résine par lavage et que celle-ci est mélangée avec une solution contenant les ions destinés à les remplacer. Il est également possible d'éluer et de collecter les ions échangés.

Champs d'application

• Chélation des échangeurs d'ions pour enrichir les ions métalliques traces
• Détermination de la concentration totale en sels de solutions et de l'eau par échange d'ions d'hydrogène
• Élimination des cations et anions interférents
• Séparation chromatographique
• Désintégration de composés difficiles à mettre en solution
• Échangeurs d'ions utilisés comme catalyseurs

Chélation des échangeurs d'ions pour enrichir les ions métalliques traces

Particulièrement dans le domaine de l'analyse des éléments traces inorganiques, il est possible de concentrer les ions métalliques traces à partir de solutions diluées. Chelex® -100 est un échangeur d'ions de chélation formé d'un copolymère styrène-divinylbenzène contenant des groupes d'acide iminodiacétique. La résine échangeuse d'ions effectue la chélation préférentielle des cations divalents et polyvalents. Sa capacité à lier les ions métalliques dépend du pH. Une liaison optimale nécessite un pH compris entre 4 et 7. Après concentration des ions métalliques sur l'échangeur d'ions, ces derniers sont élués de la résine à l'aide d'acide nitrique à 5 %, ce qui ajoute des protons aux groupes iminodiacétate. La méthode par colonne est recommandée pour cette chromatographie d'échange d'ions de chélation.

Détermination de la concentration totale en sels de solutions et de l'eau par échange d'ions d'hydrogène

Pour la détermination de la concentration totale en sels, la solution est appliquée à un échangeur cationique fortement acide et l'acide libéré dans l'éluat est ensuite titré. Cette méthode implique que les cations soient échangés contre des protons de manière quantitative et que l'acide généré puisse être titré avec une base. Cette technique peut être utilisée pour toutes les solutions qui contiennent des ions chlorure, bromure, iodure, nitrate, perchlorate, sulfate, phosphate, bromate, iodate, periodate, borate, acétate ou oxalate.

Élimination des cations et anions interférents

Dans certains cas, la présence de cations interfère avec la détermination des concentrations d'anions. Ces cations peuvent être éliminés à l'aide d'un échangeur cationique fortement acide. Les anions peuvent alors être quantifiés dans l'éluat.

Détermination quantitative du sulfate dans l'eau selon le DIN

Les cations sont échangés contre des protons à l'aide d'un échangeur cationique fortement acide. Une solution standard de chlorure de baryum est ajoutée en excès pour réagir avec le sulfate, et la quantité de chlorure de baryum non consommée est déterminée par titrage complexométrique en retour. Ce test peut être utilisé pour le dosage du sulfate dans l'eau potable, les eaux usées et les eaux de surface comportant une concentration en sulfate > 5 mg/l. Les échantillons à plus faible concentration en sulfate doivent d'abord être évaporés.

Détermination quantitative du nitrate dans l'eau selon le DIN

La présence de fer interfère avec le dosage colorimétrique du nitrate à l'aide de la méthode allemande du salicylate de sodium. Dans ce cas également, l'utilisation d'un échangeur cationique fortement acide élimine le cation avant l'analyse.

Dosage photométrique des fluorures dans l'eau potable à l'aide de lanthane-alizarine-complexane après séparation des ions interférents par échange d'ions

Les ions fluorure ont tendance à former des complexes stables. Les cations présents dans l'eau de ville doivent donc être éliminés avant l'analyse. Selon une technique de Kempf, les ions interférents sont échangés à l'aide d'un échangeur cationique fortement acide. Les fluorures sont ensuite mélangés avec le réactif et le complexe bleu d'alizarine-fluor généré est déterminé par des moyens photométriques.

Séparations chromatographiques

Il est possible d'utiliser la chromatographie pour séparer les cations ou anions dissous à l'aide de résines échangeuses d'ions. Le principe de la séparation repose sur l'affinité des ions envers la résine échangeuse d'ions. Cette sélectivité dépend du type de charge, de la charge, de la taille et de la forme des ions à échanger. L'élution est effectuée par un gradient par paliers de solutions acides ou basiques. Des agents complexants, tels que l'acide éthylène diamine tétraacétique (Titriplex III), l'acide tartarique ou l'acide citrique, sont souvent utilisés comme éluants pour améliorer l'efficacité de la séparation.

Résines échangeuses d'ions pour la désintégration de sels difficiles à dissoudre

Les gels aqueux de sels à peine solubles peuvent être dissous à l'aide d'échangeurs d'ions solides en mode batch si la solubilité du produit des sels n'est pas trop faible. En raison de leur vitesse de réaction supérieure, les échangeurs d'ions comportant des protons sont particulièrement adaptés à cette application. Au cours de la procédure d'échange d'ions, des protons sont constamment générés, ce qui augmente la solubilité. Cette technique peut être utilisée pour dissoudre les phosphates de calcium, de strontium, de baryum, de manganèse, de zinc, de cobalt et de nickel, ainsi que les sulfates de calcium, de strontium, de baryum et de plomb à hautes températures.

Échangeurs d'ions utilisés comme catalyseurs acides/bases

Les acides et bases sont bien connus pour être utilisés comme catalyseurs pour de nombreuses réactions, comme l'estérification, l'hydrolyse, la condensation, la polymérisation, la déshydratation, la cyclisation et le réarrangement. Des résines fortement acides fournies sous forme protonée sont couramment utilisées comme catalyseurs fortement acides, à la place des acides solubles. Leur activité catalytique pour les réactions d'estérification, d'époxydation, d'hydrolyse, d'alkylation de phénol et autres réactions catalysées par les acides est comparable à celle de l'acide sulfurique. Les échangeurs cationiques faiblement acides ne peuvent pas être utilisés comme catalyseurs, parce que le site ionique fonctionnel n'est pas fortement dissocié. Dans le cas des réactions catalysées par les bases, des échangeurs d'anions fortement ou moyennement basiques fournis sous forme d'ions OH- peuvent être utilisés.

Avantages des résines échangeuses d'ions par rapport aux catalyseurs dissous dans la phase de réaction homogène

• Séparation aisée du catalyseur du mélange de réaction par simple filtration du produit/mélange réactif. Les catalyseurs de type résine sont utilisés en mode par colonne, ce qui facilite un processus plus continu.
• Très souvent, les catalyseurs de type résine peuvent être réutilisés directement, sans régénération.
• Une meilleure sélectivité de la direction de la réaction est souvent possible à l'aide de résines échangeuses d'ions utilisées comme catalyseurs. Les réactions parasites sont parfois réduites ou même éliminées. Dans certains cas, il est possible d'isoler des intermédiaires de réaction qui ne peuvent pas être obtenus à l'aide de catalyseurs solubles.
• En général, les catalyseurs de type résine évitent la contamination du produit de la réaction par des impuretés ioniques. De plus, ils empêchent les réactions parasites interférentes, ce qui permet d'atteindre une pureté supérieure des produits de la réaction. Ils augmentent le rendement par rapport aux réactions avec des catalyseurs solubles en phase homogène.
• Les résines échangeuses d'ions sont plus faciles à manipuler que leur équivalent soluble.
• La contamination des eaux usées est également fortement réduite.

Réactions principales catalysées par les échangeurs d'ions

• Estérifications
• Condensations
• Crotonisation
• Oligomérisation
• Synthèse de cyanhydrines
• Nitrations
• Inversion de sucres
• Hydrolyses
• Hydratations
• Polymérisations 
• Alkylations
• Formations d'acétates
• Époxydations
• Réactions de réarrangement

Notre offre de produits

• Échangeur d'ions I
• Échangeur d'ions II
• Échangeur d'ions III
• Échangeur d'ions IV
• Échangeur d'ions V
• Échangeur d'ions Amberjet® 4200
• Échangeur d'ions Amberlite® IR-120 (forme H+)
• Échangeur d'ions Amberlite® IR-120 (forme Na+)
• Échangeur d'ions Amberlite® IRA-67
• Échangeur d'ions Amberlite® IRA-402
• Échangeur d'ions Amberlite® IRA-410
• Échangeur d'ions Amberlite® IRN-150
• Échangeur d'ions Amberlite® MB-3
• Échangeur d'ions Amberlite® MB-6113
• Échangeur d'ions Amberlyst® 15
• Échangeur d'ions Dowex® 50 WX 4
• Échangeur d'ions Dowex® 50W-X8
• Échangeur d'ions Dowex® 1-X8
• Résine adsorbante Amberlite® XAD-4