Mise en pratique

Avant de démarrer une réaction d’échange d’ions, les circuits sont purgés de la solution de chlorure de sodium qu’ils contiennent et rincés à l’eau permutée. Cette solution sert à la fois à préserver les membranes, qui ne doivent pas s’assécher et qui peuvent se déformer si la concentration en ions est trop faible, ainsi qu’à éviter le développement d’algues lors de périodes de non-utilisation prolongées.

3. F représente la charge globale d’une mole de charges élémentaires ; c’est le produit de la charge élémentaire e (environ 1,602·10−19C) par le nombre d’Avogadro NA (environ 6,022·1023mol−1).

Chapitre 2 Synthèse

Figure 2.2 : Schéma du système d’électrodialyse à quatre compartiments utilisé.

2.3 Électrodialyse Plutôt que d’utiliser deux circuits séparés, un pour l’anolyte et l’autre pour le ca-tholyte, comme ce peut être le cas dans certaines configurations d’un système d’élec-trodialyse, les deux sont reliés et constituent un seul et unique électrolyte. Ce dernier a pour rôle de transmettre le courant électrique venant des électrodes aux solutions des circuits traversant le stack et inversement. Par conséquent, il faut s’assurer qu’il ne limite pas la conductivité de l’ensemble, en introduisant une solution de concentra-tion supérieure à celle des autres réactifs et en choisissant une espèce qui soit stable au niveau des électrodes. Par exemple, le chlorure de sodium n’est pas adapté car il est sensible aux réactions d’oxydation comme l’illustre la réaction 2.7. Généralement, à pH neutre et si les circuits Feed ne contiennent pas de cation divalent, le sulfate de sodium est utilisé, sinon l’amidosulfonate de sodium lui est préféré [33].

La figure 2.2 met en évidence que le cation de l’électrolyte passe dans le circuit

Product 1 ; il faut donc introduire le sel contenant le cation d’intérêt dans le circuit Feed 1 et celui contenant l’anion d’intérêt dans le circuit Feed 2, afin de récupérer

le sel voulu dans le circuit Product 2, ce dernier ne pouvant pas être contaminé par l’électrolyte. Les circuits Product quant à eux sont initialement remplis d’eau per-mutée. Le montage utilisé requiert un volume minimum de 250 mL de solution dans chaque circuit afin que les pompes centrifuges soient toujours submergées. Dans le cas contraire, la présence de bulles nuirait au passage du courant et pourrait endommager les membranes si la pression transmembranaire en certains points devenait excessive. Une fois tous les circuits convenablement remplis, les pompes centrifuges sont mises en route. La vitesse de circulation des fluides à l’intérieur du stack doit être suffisam-ment importante pour promouvoir un bon transfert de matière, mais les débits doivent rester raisonnables afin de minimiser les gradients de pression pouvant endommager les membranes4. De ce fait, les vannes situées en aval des circuits Feed et Product sont ouvertes progressivement et de concert ; idéalement, jusqu’à ce que les débitmètres in-diquent une valeur entre 40 et 80 L/h, correspondant à un débit nominal de 4–8 L/h pour chacune des dix paires de cellules dans le stack [33]. Le débit de l’électrolyte dans les compartiments des électrodes est généralement supérieur, sans que cela n’induise de gradient de pression transmembranaire.

Le temps nécessaire pour le réglage des débits permet à la fois de vérifier l’absence de fuite5 et d’évacuer les bulles d’air, généralement en secouant un peu le stack. À partir du moment où plus aucune bulle n’est présente dans les circuits, le courant peut être allumé. Dans le cas d’ions assez volumineux, il convient de choisir une in-tensité raisonnable — de 0,1 A pour le cation 2,2-diméthyltriazanium par exemple — pour éviter que les membranes ne soient endommagées par le passage forcé des ions et qu’elles ne perdent leur sélectivité si elles venaient à se percer. Pour des ions plus petits, il est tout à fait possible d’augmenter l’intensité, le système utilisé supportant jusqu’à 5 A [33]. En théorie, la tension appliquée ne doit pas dépasser une certaine valeur pour éviter la création de points chauds, c’est-à-dire de zones où l’intensité

4. La différence de pression transmembranaire maximale acceptable est de 0,5 bar [33].

5. Une fuite de moins de 0,5 mL/min par paire de cellule est jugée acceptable ; cependant, avec un montage correct, la valeur de 0,05 mL/min peut être atteinte [33].

Chapitre 2 Synthèse

du courant est élevée, ce qui pourrait endommager les membranes. Pour le système utilisé, cette limite correspond à une chute de tension de 2 V par paire de cellules, soit 20 V pour le stack, plus 5 V pour l’électrolyte, soit une différence de potentiel de 25 V maximum [28, 33]. Cependant, étant donné que les circuits Product ne contiennent initialement que de l’eau permutée, leur conductivité est extrêmement faible (infé-rieure à 8 µS). Pour forcer le passage du courant, le générateur de courant continu utilisé augmente la tension entre les bornes du stack (conformément à la loi d’Ohm :

U = R × I), et ce, au maximum de ses possibilités, soit 36 V. Cette valeur par défaut peut être ajustée afin de ne pas dépasser la différence de potentiel maximale recom-mandée de 25 V. Au bout de quelques minutes, la conductivité de tous les circuits est suffisante pour que le système fonctionne à courant constant ; une tension de quelques volts suffit alors à assurer le passage d’un courant de 0,1 A.

Quand la réaction d’échange arrive à son terme, la conductivité des circuits Feed a fortement diminué, ce que le générateur de courant a compensé en augmentant la tension. Le générateur de courant est donc éteint quand la différence de potentiel aux bornes du stack atteint de nouveau 25 V. Les pompes sont ensuite rapidement stoppées pour éviter les phénomènes de diffusion, dus aux gradients de concentrations entre les circuits Feed et Product, qui diminueraient le rendement. Il ne reste plus qu’à évaporer la solution du circuit Product 2 pour récupérer le sel voulu. Il faut également noter que lors du processus d’échange, la température des solutions de chaque circuit augmente ; par exemple, pour un échange durant 40 min à 0,1 A, elle est passée de 20–25◦C à environ 40◦C. Cette hausse de température est un paramètre à surveiller, car la plupart des membranes seraient endommagées à plus de 60◦C [31, 33].

Pour finir, les circuits sont rincés plusieurs fois à l’eau permutée et conservés de cette manière si l’utilisation suivante est prévue dès le lendemain. Par contre, si le système doit rester inutilisé pendant plus de quelques jours, il convient de conditionner les circuits avec une solution de chlorure de sodium. En outre, il faudra veiller à ce que les membranes soient toujours humides, en faisant circuler les solutions régulièrement, en fonction des fuites constatées au niveau du stack.