Brevet FR2116558A1 — publié le 19720713

La présence d'ions de métaux alcalino-terreux dans les courants résiduaires provenant d'installations industrielles représente une source importante de pollution en raison de leur nature fortement basique qui peut altérer fortement le pH d'un 5 lac, d'une rivière ou d'un cours d'eau. Les courants résiduaires provenant d'installations industrielles contenant de tels ions peuvent en être pratiquement débarrassés par l'utilisation de résines destinées à enlever les ions calcium et magnésium. Cependant, si l'on doit effectuer un tel traitement à grande échelle 10 et d'une manière continue, il est nécessaire de régénérer la résine d'une manière simple. Diverses solutions au problème de la régénération ont été proposées, mais aucune d'entre elles n'a donné une réponse tout à fait satisfaisante à ce problème fondamental. La présente invention se propose de fournir une voie 15 étonnament efficace pour régénérer ces résines dans le but d'enlever les ions calcium et magnésium. En bref, la présente invention concerne un nouveau procédé de régénération d'une résine échangeuse d'ions modérément à faiblement acide, chargée d'ions calcium ou magnésium, qui 20 consiste à mettre ladite résine en contact avec une bêta-dicétone cycloaliphatique en solution dans l'eau ou dans un solvant organique pour enlever les ions de la résine. De préférence, la bêta-dicétone cycloaliphatique est utilisée sous la forme d'une solution 0,1 à 1,0N. 25 La présente invention se propose donc: - de fournir un nouveau procédé de régénération des résines échangeuses d'ions faiblement acides; - un nouveau procédé de régénération de résines échangeuses d'ions faiblement acides chargées d'ions calcium ou ma- 30 gnésium; - de régénérer des résines échangeuses d'ions faiblement acides du type acide polyméthacrylique; - d'utiliser les bêta-dicétones cycloaliphatiques comme ligand pour capturer les ions calcium et magnésium. 35 D'autres buts et avantages de la présente invention res- sortiront de la description qui va suivre. La présente invention s'applique en général à des matières échangeuses de cations, de préférence des matières catio-niques faiblement acides par exemple "BlO-REX 63" (acide phospho-40 nique, modérément acide, du type polystyrène), "Amberlite CG-50" L .71 43682 2 2116558 (acide carboxylique, faiblement acide, du type polyméthacrylique) et "Chelex-100" (un acide iminodiacétique, très faiblement acide, du type polystyrène). La présente invention peut s'appliquer au procédé décrit 5 dans la demande de brevet en France déposée ce .jour parla Demanderesse sous le N°7I 4^680 pour "Procédé d'élimination et de récupérationcte substances minérales polluantes de l'eau", pour le traitement préalable d'eaux de gypse, dans le but d'enlever les ions calcium et magnésium produisant un entartrage et un encrassement de 10 courants d|alimentation d'installations de dessalage de l'eau par distillation rapide, par échange d'ions, osmose inverse ou électrodialyse. Le procédé de la demande de brevet précitée, en association avec la technologie des métaux alcalino-terreux, peut également s'appliquer comme procédé de déminéralisation totale T.') pour l'eau de gypse. On prépare une eau de gypse synthétique simulant la composition prévue provenant d'une installation de capture d'un effluent acide de mine neutralisé. La composition est basée 3ur la neutralisation avec de la chaux d'un effluent acide de mine 20 ayant un pH de 2,4 et une composition comprenant 205 PPm de Fe, 20 ppm de Al, 10 ppm de Mn, 27 ppm de Mg, 95 PP"i de Ca et 1200 ppm de sulfate. On suppose que cet effluent a été neutralisé jusqu'à un pH de 7 avec de la chaux et que le fer, l'aluminium et le manganèse se sont déposés. Pour préparer cette solution, on dis-25 sout 1,576 g de sulfate de calcium anhydre et 0,119g de sulfate de magnésium heptahydraté dans de l'eau désionisée puis on dilue la solution avec de l'eau désionisée jusqu'à un volume de 1 litre L'analyse de cette eau de gypse synthétique en vue de la détermination de la teneur en magnésium, en calcium et en soufre par 30 spectroscopie d'émission, indique les compositions -suivantes: PPm ca. PPm S0i[, PP"i 25 384 1260 Les exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. Les parties et pourcentages 35 y sont exprimés en poids sauf indication contraire. Exemple I - On met en suspension un total de 4g de résine "AG3-X4" (résine du type polyamine, forme chlorure, Bio-Rad Laboratories), poids sec, dans 500 ml de NaOH 0,5 N, et on l'agite pendant trois 40 heures pour la transformer en la forme 0H~. On sépare la résine par filtration en utilisant un filtre en verre fritté, on la'lave 71 43682 3 2116558 avec 2000 ml de méthanol et on la laisse sécher. On mélange intimement la résine AG-3X séchée (forme 0H~) avec 2,5 g de résine échangeuse de cations "CG-50" (du type acide polyméthacrylique, forme H+, Mallinckrodt). On met en suspension le mélange de 5 résines dans environ 40 ml de l'eau de gypse synthétique et on le charge dans une colonne de chromâtographie en verre de 305 x 9,5 nim. On place la colonne dans un ensemble contenant un collecteur automatique de fractions utilisant une pipette de 10 ml à siphon automatique pour recueillir des fractions de 10 ml d'é-10 luat. On fait passer dans la colonne un supplément de 160 ml d'eau de gypse synthétique. Ceci constitue un total de 200 ml, y compris les 40 ml initiaux utilisés pour charger la résine dans la colonne. On recueille des fractions de 10 ml d'éluat et les fractions 1, 5, 10, 15 et 20 sont analysées par spectroscopie d'é-15 mission pour la détermination de la teneur en calcium, magnésium et soufre. Les résultats obtenus sont les suivants : Concentration en ions trouvée, ppm N° de la fraction d'éluat Calcium Magnésium soufre 1 19 3,5 80 20 5 ±5 10 i- 5 15 ^ 5 20 6 ^2 60 L'analyse des concentrations en soufre par ce procédé n'est 25 pas très précise au-dessous de 100 ppm; cependant, ces valeurs indiquent une très faible concentration en sulfate. Ces résultats montrent que la résine en lit mixte a enlevé de l'eau de gypse essentiellement tous les sulfates de calcium et de magnésium. En raison des petites quantités de matière utilisées dans l'essai, 30 il n'est pas possible d'utiliser certains des procédés plus classiques pour la séparation des résines. Par contre, les résines sont séparées par leur différence de densité et de dimension par-ticulaire en utilisant une technique de sédimentation. La résine échangeuse anionique moins dense finement divisée est de couleur 35 jaune et pouvait aisément être identifiée par comparaison avec la résine échangeuse cationique blanche plus dense et plus grossière. Les résines sont retirées de la colonne, mises en suspension dans l'eau et soumises à une séparation par sédimentation dans une colonne de 12,7tomx 91,4 cm ayant une section amovible d'une longueur 40 de 152,4mm à la base munie d'un disque fritté amovible. Les ré- 71 43682 4 2116553 slnes se déposent , la résine anionique jaune au sommet, la résine cationique blanche plus dense à la base. L'eau est entraînée à travers le disque fritté, le disque est enlevé et le bouchon de résine est expulsé de la section de base de la colonne à l'aide d'un 5 plongeur. On découpe le bouchon de résine en trois parties: la résine échangeuse cationique blanche, la résine échangeuse anionique jaune et environ 1g de l'interface où un certain mélange s'est produit. La résine échangeuse cationique usée blanche est remise en suspension dans l'eau. Chargée dans une colonne de chro-10 matographie de 6,35 x 228,6 mm et éluée avec 50 ml d'une solution 2N de 1,3-cyclohexanedione dans du méthanol. On prépare cette solution en dissolvant 11,2g de 1,3-cyclohexanedione dans du méthanol et en diluant jusqu'à 50 ml. On recueille des fractions de 3 ml d'éluat. L'analyse des fractions d'éluat par spectroscopie 15 d'émission donne les résultats suivants , qui indiquent une régénération efficace de la résine cationique par échange du cation fixé sur la résine avec l'hydrogène du ligand. Concentrations en ions métalliques dans la solution du chélate régénérant, ppm Fraction N° Calcium Magnésium 1 A 2 2 ^ 10 ^2 3 228 74 4 492 146 5 492 146 6 420 112 9 480 52 12 523 55 15 810 70 30 On lave la colonne avec environ 20 ml supplémentaire de mé thanol et on prélève de nouvelles fractions d'éluat. On trouve que la fraction 23 contient moins de 10 ppm de calcium et 2 ppm de magnésium. On met en suspension dans l'eau la résine échangeuse anionique usée jaune, on la charge dans une colonne de chroma-35 tographie de 6,35 x 228,6 mm et l'élue avec 100 ml d'une solution 2N de 2-aminoéthanol dans du méthanol. On prépare cette solution en dissolvant 12,2 g de 2-aminoéthanol dans du méthanol et en diluant jusqu'à 100 ml avec du méthanol. On recueille des fractions de 3 ml d'éluat. L'analyse des fractions d'éluat pour en 71 43682 5 2116558 déterminer la teneur en soufre par spectroscopie d'émission donne les résultats suivants qui indiquent une régénération efficace de la résine échangeuse anionique. Fraction n° Concentration en soufre, ppm 5 1 2 3 5.200 4 18.000 =(54.000 ppm de SOj) 5 5-900 10 6 3.500 7 1.700 10 320 15 100 Du fait que la solution provenant de cet essai est plutôt 15 diluée en cation et contient un certain excès d'agent de chéla-tion, on a décidé de précipiter les carbonates en utilisant du carbonate d'ammonium pour ajuster le pH. Les fractions 13, 14 et 15 ( de 2 ml chacune après enlèvement d'échantillons en vue de l'analyse) sont réunies et traitées par une solution aqueuse sa-20 turée de carbonate d'ammonium. La précipitation d'une matière solide blanche dense et fine se produit presque immédiatement. On sépare le précipité blanc par centrifugation, on le lave à l'eau puis avec du méthanol, et on le sèche. On constate que le précipité de carbonate métallique pèse 0,0261 g. La solution de ligand 25 régénérée contenant un excès de carbonate d'ammonium est dégazée sous vide pour enlever CO^ et l'excès d'ammoniac, puis on la fait passer à travers 3 g (poids sec) de résine cationique "Dowex 50-X8" (fortement acide, du type polystyrène). Le pH de la solution varie de l'état basique à l'état acide ce qui indique l'é-30 change de l'ion ammonium du chélate pour l'ion hydrogène de la résine. La solution de chélate a ainsi été régénérée en vue du recyclage. La résine échangeuse cationique chargée d'ammonium est lavée avec du méthanol, séchée, puis chauffée à 100°C, température à laquelle NH^ se dégage comme l'indiquent l'odeur et une réaction 35 basique des vapeurs au papier indicateur de pH humide. Cette température se situe dans la gamme supérieure de stabilité des résines du type polystyrène, comme l'indiquent les fabricants de résine. Le précipité de carbonate métallique-ci-dessus est mis en suspension dans la fraction d'éluat N° 4 du courant de régénérant 71 43682 6 2116558 anionique (2 ml restant après l'analyse en vue de la détermination de la teneur en soufre). Le mélange est chauffé et il se forme un précipité blanc fin et un précipité floculant. Il ne se dégage pas de gaz. Le liquide surnageant est séparé par décantation et 5 et les précipités sont lavés avec du méthanol et chauffés. Le précipité floculant se décompose en donnant C02 comme indiqué par passage du gaz dégagé dans une solution d'hydroxyde de baryum qui forme un précipité blanc. Il se forme une faible quantité de sous-produit liquide par décomposition thermique. Ce sous-jro-10 duit est ida±ifié parsoncdeur comme étant de 11 aminé libre.Il reste un résidu de sulfate de calcium. L'ion sulfate est identifié par l'essai au chroranilate. Exemple II - Une résine échangeuse d'ions du type acide polyméthacrylique 15 vendue dans le commerce sous le nom d'"Amberlite CG-50", est chargée d'ions calcium et magnésium par mise en contact avec l'eau de mine synthétique décrite ci-dessus. La résine chargée est ensuite traitée par une solution méthanolique de 1,3-cyclohe-xanedione. Les résultats sont indiqués aux Fig. 1 et 2 du dessin 20 annexé. La présente invention s'applique également à la régénération de la résine chargée en utilisant une solution aqueuse d'une bêta-dicétone cycloaliphatique. Ce résultat est démontré par 1'exemple suivant : 25 Exemple III - Un lit de résine gonflée à l'eau est introduit dans une colonne de 9,5 x 3048 mm. Le lit contient 0,2 g de résine "Amber-lite CG-50" chargée de magnésium (10,5 rai lliéqui valent s de Mg/g de résine sèche) et 2,45g de résine "Amberlite CG-50" chargée 30 de calcium (4,0 milliéquivalents de Ca++/g de résine sèche). Ceci donne un rapport Mg/Ca de 25 ppm de Mg/384 ppm de Ca, ce qui correspond à celui calculé pour le captage de mine acide neutralisé de la région des Appalaches. La résine gonflée à l'eau est éluée avec 100 ml d'une solution 1,0N environ de 1,3-cyclohexanedione 35 qui a été préparée de la manière suivante: on dissout 11,2g de 1,3-cyclohexanedione dans 100 ml d'eau désionisée. L'éluat provenant de l'utilisation de cette solution pour traiter la résine "CG-50" chargée est recueilli en fractions de 3 ml et analysé par photométrie à la flamme pour la détermination de Ca++ et Mg++. 71 43682 7 2116558 L'ion calcium est déterminé à une longueur d'onde de 622 m/11 et le spectrophotomètre de Beckman DK-2 est ajusté pour donner une réponse de 100 unités pour une solution étalonnée de 100 ppm L'analyse concernant le magnésium est effectuée à une lon-5 gueur d'onde de 383 nyu et l'appareil est réglé à 50 unités pour une solution étalonnée de 100 ppm. La fraction organique dans la solution (1,3-cyclohexanedione) semble donner une réponse parasite seulement dans le cas du magnésium, laquelle s'élève à 240-250 ppm environ. Cet effet disparaît à une dilution supérieure à 10/1. 10 35 CALCIUM MAGNESIUM Fraction N° lecture facteur de dilution ppm en moyenne lecture facteur de dilution ppm en moyenne 15 1 7 1 7 0 1 0 2 49 4 196 12 1 24 3 58 40 2320 53 8 848 4 90 40 3600 45 20 1800 5 94 40 3760 74 10 1480 20 6 86 40 3440 75 10 1400 7 93 40 3720 37 10 740 8 ,9,10 95 40 38OO 10 10 200 11 83 40 3320 3* 10 680 12,13 59 40 2360 100 2 400-240=160 25 14 51 40 2040 71 2 284-240= 44 15 16 64 20 1280 77 2 308-240= 68 17 18,19 35 10 350 64 2 256-240= 16 30 20 21 22 — — — — — — 23 24 25 26 23 90 92 72 288-240= 48 '232-240= 0 40 1 90 58 2 La présente invention est applicable aux bêta-dicétones cycloaliphatiques telles que la 1,3-cyclohexanedione, la 1,3-cyclopentanedione,et les bêta-dicétones cycloaliphatiques-à subs titution méthyle, éthyle et autres alkyle . Les bêta-dicétones 71 43682 8 2116558 cycloaliphatiques peuvent être utilisées dans des solvants très divers comme l'eau, le méthanol, l'éthanol, le propanol, les po-lyols, les polyéthers, etc. Ces résultats montrent que la résine échangeuse de cations 5 est très efficacement régénérée avec une solution aqueuse de 1,3-cyclohexanedione. Etant donné queles carbonates de calcium et de magnésium sont très insolubles dans l'eau, la précipitation des carbonates après réglage du pH se produit presque quantitativement comme dans la solution alcoolique humide. 10 La résine "Amberlite CG-50" est de l'acide polyméthacry lique. Elle est fabriquée par Rohm & Haas Co., Philadelphie. La qualité particulière utilisée dans les exemples est vendue par Mallinckrodt Chemical Works et est de qualité pour réactif analytique, d'une'dimension particulaire de 0,149-0,074 mm, et elle 15 a une capacité d'échange totale de 10,0 milliéquivalents/g. 71 43682 9 2116558 REVENDICATIONS 1 - Procédé de régénération d'une résine échangeuse d'ions modérément ou faiblement acide, chargée d'ions calcium ou magnésium, caractérisé en ce qu'on met èn contact cette résine avec 5 une bêta-dicétone cycloaliphatique en solution aqueuse ou dans un solvant organique afin d'enlever lesdits ions de la résine. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la bêta-dicétone cycloaliphatique est en solution méthanolique. 10 3 - Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la résine est une résine polyméthacrylique. 4 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bêta-dicétone aliphatique est la 1,3-cyclohexanedione. 15 5 - Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bêta-dicétone cycloaliphatique est présente en une quantité suffisante pour fournir une solution 0,1N ou 1,0N.