Procédé cyclique d'échange d'ions pour l'élimination sélective du fluor présent en trace dans l'eau de consommation

A cyclic ion exchange process for the selective removal of trace fluoride from drinking water

¹ Laboratoire des Sciences du Génie Chimique - CNRS, Groupe ENSIC 1, rue Grandville, BP 451, 54001 NANCY Cedex
² École Européenne d'Ingénieurs en Génie des Matériaux, 6 rue B. Lepage, 54000 NANCY

Résumé

Les normes sur l'eau potable devenant de plus en plus sévères, il est nécessaire de concevoir des procédés capables de réduire sélectivement la teneur d'une espèce donnée. Un procédé original a été développé pour éliminer sélectivement le fluorure dissous dans l'eau à l'état de trace en présence d'un anion en excès comme par exemple l'hydrogénocarbonate. Ce procédé cyclique d'échange d'ions met en oeuvre deux colonnes. La colonne de séparation, parcourue alternativement par l'eau dans les deux sens, sert à séparer le fluorure des autres anions et à restituer la matrice ionique. Elle n'est jamais régénérée. La seconde colonne permet de stocker transitoirement le fluorure, qui est élue lors de la régénération. Le principe de fonctionnement du procédé est démontré numériquement et expérimentalement sur l'exemple d'une eau reconstituée bicarbonatée, dont les anions majeurs sont le chlorure et le sulfate. Le système évolue rapidement vers un régime permanent caractérisé par l'établissement d'un profil limite stable de concentrations à l'intérieur de la colonne de séparation. Ce régime permanent existe à condition que le volume qui parcourt la colonne de séparation dans les deux sens soit conservé à chaque cycle. Les conditions opératoires de l'exemple présenté permettent l'établissement du régime permanent en 17 cycles de fonctionnement et permet simultanément l'élimination du fluorure et la restitution de la matrice ionique de l'eau. Ce procédé particulièrement adapté au traitement des eaux embouteillées se transpose facilement à l'échelle industrielle et s'applique à toute espèce trace de faible affinité pour les résines échangeuses d'ions.

Abstract

Since standards on drinking water impose lower concentration values for many trace éléments, the conception of sélective processes is required. The present process was developed for the sélective removal of fluoride traces from drinking waters containing an union in excess e.g. hydrogenocarbonate. It is a cyclic ion exchange process working with two columns. The first one is the separation column, through which the water alternately percolates downflow and upflow. This column aims at separating fluoride from the other anions and restoring the ionic matrix. It is never regenerated. Fluoride is transiently stored in the second column and removed during régénération. In the current example, the water is composed of hydrogenocarbonate in excess (1.76 g L^-1), chloride and sulphate as major anions (resp. 35 and 48 mg L^-1), fluoride as minor anion (2 mg L^-1) and sodium as a cation; both columns are initially preequilibrated with hydrogenocarbonate. A cycle is composed of two steps:

a saturation step: water percolates downflow through both column in séries up to a volume V, roughly corresponding to chloride breakthrough at the 1^st column outlet. The effluent, sodium hydrogenocarbonate, is transiently stored in a tank.

a production step : this solution percolates upflow through the 1^st column. Up to the eut point V^cut, the effluent has the same composition as the initial water and could be recycled. From V^cut to V, the effluent is the produced water, Le. the water with no fluoride. The choice of V^cut détermines the produced water quality, since there is a compromise between a high fluoride removal and a good restoration of the ionic matrix.

After afew cycles, a stationary state is reached: the concentration profiles in the lst column tend to asymptotic profiles at the end of each step. Convergence is ensured if the volume V is kept constant at each cycle.

Breakthrough curves and profiles are predicted by numerical simulations, with the aid of a computer code developed for the transport of reactive species in porous média. The évolution of the System towards a steady-state is demonstrated, as well as the ability of the process to selectively remove fluoride from the chosen water. 17 cycles are required to reach the steady-state.

Numerical results are then validated by bench scale pilot experiments. The et-up is composed of 127 mL séparation column and a 1.77 L storage column, two pumps, storage tanks, an electropneumatic valve Systems monitored by a PC. The columns are respectively filled with Rohm and Haas resins HP-555 and IRA- 458, authorised for contact with drinking water. The chosen value for V is 4 L, V^cut equals 0.125 V, the flow-rate in the System is IL h^-1 and a cycle runs in 8 h. The storage column is regenerated each three cycles with sodium hydrogenocarbonate and rinsed with deionized water. Expérimental results are in perfect agreement with predicted values. With the operating parameters, fluoride is removed after 15 cycles and 90% chloride and sulphate are restored. The treatment objective is then reached.

This process is particularly adapted to the treatment of minerai or source waters, since it is really sélective. It can be easily scaled up to treat a continuous flow-rate of a few tens of m³ h¹ with reasonable column sizes. It works for fluoride removal, but it is also able to remove any trace species of weak afflnity for ion exchange resins. The great prédictive power of the numerical simulations enables us to answer immediately whether a given water can be treated or not. The point to develop at the moment is the optimisation of the treatment of the regeneration stream.