Introduction à la chimie de l'eau

Introduction ` la chimie de l’eau
a

1 Qu’est-ce que l’eau
2 Les solides en suspension
3 Les ráctions ` l’´quilibre
e a e
4 Quelques polluants et leur traitement
5 Les qualit´s d’eau utilisés dans l’industrie
e e

Enrico Riboni Purification de l’eau dans l’industrie

Les points ` retenir
a

1 L’eau dissous tout (ou presque) ! ! !
2 Conductivit´, pH et potentiel R´dox dćrivent l’´tat de
e e e e
ráctions ´quilibrés
e e e
3 Attention ` la vari´t´ d’unit´s utilisés !
a ee e e


EAU

Eau : H2 O plus polluants
Caract´ristiques remarquables :
e
Densit´ plus faible ` l’´tat solide
e a e
Tension de surface ´levé
e e
Chaleur de vaporisation ´levé
e e
Solvant universel : ce qui nous próccupe !
e


La mol´cule d’eau
e

La molécule d'eau

Traitement de l' eau ozone.ch, 2017 Boudry, http://www.ozone.ch E. Riboni, U. Moerschell


L’eau, solvant universel

L'eau, solvant universel



Classes d’impuret´s
e
Classes d'impurtés

Impurtés

Solubles Insolubles

Micro-
Inorganiques Organiques Inorganiques Organiques
organismes

Ionisées Non ionisées



Les composants peuvent changer

Au contact avec l’air : oxyg`ne, CO2 , pH, radon, fer,
e
chlore.
Par activit´ biologique : composants organiques sont
e
d´grad´s en CO2 , CH4 , NO− , NO− , NH3 , H2 S, avec ou
e e 2 3
sans consommation d’oxyg`ne.
e
Dans le sol : dissolution de roches.
Eau d´min´ralis´e : dissolution de traces dans r´servoirs
e e e e
et conduites.


La mesure des polluants

Turbidit´
e
Coloration
SDI
pH
Potentiel R´dox
e
Conductivit´
e
Duret´
e
Concentrations (ppm, mg/l)


Analyse d’eau Equivalents pour une analyse d'eau
- exemple
pH 7.2
Conductivité 730 µS/cm
Dureté totale 26.5 °fH
Alcalinité méthylorange 3.3 mmol/L
Equivalents
Calcium 85.0 mg/L 4.248 mval/L
Magnesium 9.6 mg/L 0.787 mval/L
Sodium 18.2 mg/L 0.791 mval/L
Potassium 9.5 mg/L 0.242 mval/L
Fer 0.5 mg/L 0.018 mval/L
Barium 0.02 mg/L 0.000 mval/L
Strontium 11.5 mg/L 0.262 mval/L
6.349 mVal/L
Bicarbonates 201.2 mg/L 3.299 mval/L
Sulfates 62.8 mg/L 1.308 mval/L
Chlorures 39.1 mg/L 1.101 mval/L
Nitrates 30.0 mg/L 0.484 mval/L
Fluorures 2.0 mg/L 0.103 mval/L
6.294 mVal/L
Silice comme SiO2 20.0 mg/L


Solides en suspension

1 Probl`mes :
e
1 Pompes
2 Membranes d’osmoseurs
3 Produit ﬁni (Qualit´)
e
2 Comment les ´liminer de l’eau :
e
1 Filtration
2 Clariﬁcation


Solides en suspension : mesure

1 SDI :
1 Spćifique aux membranes d’osmose inverse
e
2 Interpr´tation :
e
1 < 3 : pas ` peu d’entartrage de la membrane
a
2 3 ` 5 : conditions normales d’utilisation
a
3 > 5 : entartrage excessif ` pr´voir
a e
2 Turbidit´ :
e
1 Probl`mes si turbidit´ > 1 NTU
e e
3 Comptage de particules :
1 Relativement cher
2 Rarement réllement nćessaire
e e


Comptage de particules Malevern — Exemple


Les r´actions ` l’´quilibre : pH, R´dox et conductivit´
e a e e e

1 Qu’est-ce que c’est ?
2 `
A quoi ca sert ?
¸


pH et ´quilibre chimique de l’eau
e

L’eau est en partie dissoci´e : H2 O
e H+ + OH−
D´ﬁnition : pH = −log [H+ ]
e
Ke = [H3 O+ ] × [OH− ] = 10−14 mol/l ` 25˚C
a
Ke est la constante de dissociation de l’eau


D´ﬁnitions :
e

Un acide est un donneur d’ions H+
Une base est un accepteur d’ions H+
Un acide fort est compl`tement dissoci´ dans l’eau
e e
Un acide faible est partiellement dissoci´ dans l’eau
e


`
A quoi ¸a sert ?
c

1 Est-ce que l’eau est acide ou basique ?
2 Le pH inﬂuence la limite de solubilit´ de de divers
e
min´raux dans l’eau.
e


`
A retenir :

` `
A quoi ca sert ? A savoir si une eau est acide ou basique
¸
(ou neutre)
Plus une eau est acide, plus elle est corrosive
Plus une eau est basique, plus il y aura de pr´cipitations
e


Exemples d’acides

Acides forts : HCl, HBr
Acides faibles : Acide carbonique H2 CO3 , Sulfurique
H2 SO4 (K2 = 0, 012)


Oxydor´duction
e

La d´ﬁnition classique (Lavoisier) :
e

L’oxydation signiﬁe combinaison avec l’oxyg`ne. Par
e
exemple : 2Hg + O2 −→ Hg2 O2
Une r´duction est l’extraction d’un m´tal de son oxyde. Par
e e
exemple :SO2 −→ S + O2


Oxydor´duction
e

Les d´ﬁnitions modernes :
e

Oxydation : perte d’un ou plusieurs ´lectrons. p.ex :
e
Fe ↔ Fe++ + 2e−
Reduction : acceptation d’un ou plusieurs ´lectrons.
e
p.ex. : Cl2 + 2e − ↔ 2Cl−, O + 4e− + 2H O ↔ 4OH−
2 2
Ensemble de ces r´actions : oxydor´duction.
e e
Oxydant : substance qui peut accepter des ´lectrons
e
R´ducteur : substance qui peut donner des ´lectrons
e e
Le potentiel R´dox d’une solution : potentiel d’une
e
´lectrode de platine dans la solution par rapport ` une
e a
´lectrode standard
e


Et ` quoi tout cela peut bien servir ?
a

Par exemple, ` savoir si le fer va pr´cipiter dans l’eau, avec un
a e
diagramme potentiel-pH ou diagramme de Pourbaix :


Utilisation du diagramme de Pourbaix

Fe2+ + 2OH− Fe(OH)2 ↓
Fe3+ + 3OH− Fe(OH)3 ↓
Fe(OH)2 , Fe(OH)3 et Fe pr´cipitent.
e


Conductivit´ /R´sistivit´
e e e
Conductivité /Résistivité

100000 CaCl2
KCl
KHCO3
MgCl2
en µS/cm
Conduct.

10000
NH4Cl
NaCl
NaNO3

1000 NiSO4
ZnCl2
ZnSO4
HCl
100
H2SO4
1 10 100 1000
NaOH
Concentration m Val/L
118µS/cm pour 1 mval/L

−→ La conductivit´ de l’eau est une mesure approximative
e
de la quantit´ totale de solides dissous dans l’eau.
e


Dissolution et Precipitation

Les sels min´raux se dissolvent dans l’eau
e
Il s’agit d’une r´action qui peut ˆtre ` l’´quilibre, p.ex. :
e e a e
NaCl Na+ + Cl −
CaSO4 Ca++ + SO2−
4
Na2 SO4 2Na+ + SO2−4
CaCl2 Ca++ + 2Cl−
Dissolution jusqu’` ´puisement du sel ou saturation
ae


Ions dans l’eau : unit´s de concentration
e

Unit´ plus courante : mg/l
e
Souvent : ppm. Sauf indication contraire, 1 ppm = 1 mg/l
Autres unit´s : Mol/L et val/L ou equ/L
e
Grain : fr´quent dans la litt´rature anglo-saxone :
e e
1 grain = 1/7000 lb
1 grain/gal US = 17.1 mg/l
”Comme CaCO3 ” : utilis´ dans la litt´rature anglo-saxone,
e e
pratique pour les calculs d’´quilibre, source d’innombrables
e
erreurs


Facteurs de conversion pour les ions plus courants

Ion mMol/l mVal/l Comme CaCO3
Ca++ 40 20 2.50
Na+ 23.5 23.5 23.5
Mg++ 24.3 12.2 4.12
Cl− 35.5 35.5 1.41
SO2−
4 96 48 1.04
HCO−3 61 61 0.82


Duret´
e

D´ﬁnition : Quantit´ totale de Ca++ et Mg++ dans l’eau.
e e
Degr´s de duret´ :
e e
1˚Fran¸ais = 10 mg/l CaCO3
c
1˚ Allemand = 10 mg/l CaO
1˚ UK = 1g/ UK Gal CaCO3
1˚ US = 1 ppm CaCO3


Conversion des degr´s de duret´
e e

France UK Allemagne USA
1.43 1 0.8 14.3
1 0.7 0.56 10.0
1.79 1.25 1 17.9
0.1 10.07 0.056 1


Alcalinit´
e

D´ﬁnition : l’alcalinit´ est la mesure du pouvoir tampon d’une
e e
eau, c’est-`-dire de sa capacit´ ` r´sister ` un
a ea e a
accroissement ou ` un abaissement du pH
a
Mesure : somme des concentrations d’ions de bicarbonate,
de carbonate et d’hydroxyde, exprim´e comme
e
concentration ´quivalente de carbonate de calcium
e
(CaCO).
Utilit´ pratique : permets de d´terminer si une eau est
e e
incrustante ou corrosive


Calcaire

Est en g´n´ral le composant principal de la duret´
e e e
Provenance : dissolution de roches calcaires par l’eau de
pluie (acide)
Probl`me : precipitations (entartrage) !
e

Comment savoir si il y aura formation de tartre ?


L’´quilibre calco-carbonique de l’eau
e

CO2 + H2 O H2 CO3 H+ + HCO−
3
HCO−
3 H+ + CO−−
3
CaCO3 Ca++ + CO−−
3

Si l’on combine les r´actions :
e
Ca++ + 2HCO−
3 CO2 + H2 O + CaCO3 ↓


Eau aggressive, eau formant d´pˆts
e o

L’agressivit´ de l’eau, ou au contraire, sa tendance ` former des
e a
d´pˆts de tartre, sera fonction des param`tres suivants :
e o e
La temp´rature
e
L’alcalinit´
e
Le pH
La duret´
e
La concentration totale de solides dissous


Nomogramme de Langelier et Ryznard


Calcul, indice de Langelier

LSI = pH − pHs (1)
Avec :
pH : pH mesur´
e
pHs : pH ` saturation
a


Calcul, indice de Langelier – 2

pHs peut ˆtre estim´ par :
e e

pHs = (9.3 + A + B) − (C + D) (2)
Avec :
log10 (TDS) − 1
A= (3)
10
B = −13.12 × log10 (T + 273) + 34.55 (4)
C = log10 (Durete) − 0.4 (5)
D = log10 (Alcalinite) (6)


Calcaire : Pr´vention du tartre - M´thodes
e e

1 Injection d’acide
2 Adoucisseur
3 Inhibiteurs chimiques
4 Champ ´lectrique
e


Calcaire : Pr´vention du tartre par adoucissement
e

L’addoucisseur enl`ve le calcium et ´vite ainsi les
e e
pr´cipitations.
e
Echangeur d’ions r´g´n´r´ avec du sel
e e ee
Methode la plus sˆre
u


Calcaire : Pr´vention du tartre - Inhibiteurs chimiques
e

Exemple : polyphosphates
Sont cens´s emp´cher les pr´cipitations de se former ou de
e e e
coller aux installations
Courants pour chaudi`res et tours de refroidissement
e
Pas recommand´s en amont d’un osmoseur
e


Calcaire : Pr´vention du tartre par champ ´lectrique
e e

Retardent la formation du tartre
Impossible de v´rifier le bon fonctionnement
e
Difficile d’´valuer si les promesses des fournisseurs sont
e
rálistes
e


Le CO2 dans l’eau

Le CO2 dans l’eau est sous diﬀ´rentes formes en fonction du
e
pH :


Le CO2 dans l’eau — Implications pratiques

Implications :

1 D´gazage : toujours ` bas pH
e a
2 La pr´sence de CO2 aﬀecte la capacit´ des ´changeurs
e e e
d’ions


Sulfates SO2−
4

Contenus dans pratiquement toutes les eaux naturelles
Se forment lors d’une injection d’acide
Forment du tartre avec des quantit´s minimes de Barium,
e
Strontium et plomb.
Avec du Calcium en quantit´ cons´quente, formation de
e e
plˆtre.
a


Sulfate SO2− — Traitement
4

Addoucissement enl`ve les cations susceptibles de former
e
des prćipit´s.
e e
Inhibiteurs peuvent ˆtre une solution pour les sulfates tr`s
e e
peu solubles, mais pas pour le plˆtre (trop grande quantit´
a e
de prćipit´)
e e
Les prćipit´s de sulfate existants resistent aux nettoyages
e e
acides et ne peuvent ˆtre ´limin´s qu’avec des agents
e e e
complexants, p.ex. EDTA.


Silice SiO2

Soluble ` 120 ppm
a
A pH ´lev´ : en partie ”activ´e” :
e e e
SiO2 + H2 O H+ + H3 SiO− 4
Silice colloidale : en combinaison avec des mol´cules
e
organiques (squ´lette de certaines algues)
e
Probl`me : chaudi`res, turbines (d´pˆts)
e e e o


Silice SiO2 - Traitement

Osmose inverse : silice ráctive : 98%, silice colloidale :
e
100%.
Echangeur d’ions : silice ráctive ¡ 0.2 ppm. Silice
e
colloidale passe.
Probl`me : Savoir quand la r´sine est ´puis´, puisque la
e e e e
silice n’affecte pas la conductivit´.
e


Fer

Pr´sent sous forme ionique dans toutes les eaux
e
souterraines, donc pratiquement toutes les eaux potables
Entartrage de membranes d’osmoseur possible
Elimination :
Oxydation au chlore avant un filtre ` sable
a
Sable vert ou autre m´dia d´ferrisant (MTM, BIRM, etc.)
e e
Mangan`se : ráctions analogues, plus rare mais prćipit´
e e e e
plus volumineux.


Chlore

Cl2 + H2 O HOCl + H+ + Cl− OCl− + 2H+ + Cl−

A pH ´lev´, l’´quilibre se d´place vers la droite.
e e e e

C’est le d´sinfectant, ajout´ ` l’eau par le distributeur d’eau.
e ea


Chlore - Formes utilis´es
e

Gaz Cl2 (seulement pour de tr`s grandes quantit´s,
e e
stockage diﬃcile)
Comme liquide (solution d’hypochlorite, pour des quantit´s
e
normales)
Dioxyde de chlore ClO2 ou chloramines NH2 Cl (restent
plus longtemps dans l’eau)


Chlore et osmose inverse

Le chlore sous toutes ses formes oxyde les membranes en
polyamide des osmoseurs.
Elimination du chlore : par charbon actif


Chloramines

Attention : difficiles ` ´liminer.
ae
Charbon actif ne les enl`ve que tr`s peu.
e e
Metabisulfite : nćessite un dosage tr`s ´lev´ (env. 50 fois
e e e e
le dosage habituel).
Les membranes en polyamide sont oxydés aussi par des
e
chloramines
Probl`me potentiel avec certaines eaux potables
e


Trihalom´thanes
e

Trihalom´thanes :
e
HCCl3
HCCl2 Br
HCClBr2
HCBR3
Origine : ”d´bris” organiques
e
Causent des cancers
Pas de m´thodes eﬃcaces de les ´liminer. Il faut donc
e e
´liminer les pr´curseurs
e e
P.ex. utiliser l’ozone au lieu du chlore


Substances organiques

Beaucoup de substances diff´rentes
e
Probl`mes :
e
Coloration de l’eau
Favorisent la croissance de bact´ries
e
Proc´d´s d’´limination possibles :
e e e
Ozone
Charbon actif
Prćipitation/dćantation, filtration
e e


Substances organiques : ´limination
e

Acides humiques, restes de v´g´taux : ultraﬁltration
e e
Pesticides : ozone et charbon actif
Eau de surface : ultraﬁltration (ou ozone) et charbon actif


Microorganismes

Beaucoup de sortes diff´rentes
e
Analyse
Quantit´ totale
e
Quelques sortes dangereuses ou r´v´latrices (E-Coli)
e e
Proc´d´s courants d’analyse :
e e
Filtration et comptage
Incubation de 100 mL avec nutrients et indicateur
Recherche spćifique :
e
Colibact´ries (pollution fćale)
e e
Bact´ries m´sophiles (potentiellement phatog`nes)
e e e
Traitement : voir chapitre d´sinfection de l’eau
e


Est-ce que je dois me próccuper des micro-organismes ?
e

Quelques raisons de se próccuper des micro-organismes :
e

Taches sur les pi`ces rincés
e e
Les biofilms dans les conduites peuvent relarguer
Les biofilms dans les appareils de traitement de l’eau
peuvent affecter :
Membranes
R´sines
e


Les qualit´s d’eau dans l’industrie
e

L’eau potable ou de ville
L’eau industrielle ou de refroidissement
L’eau adoucie
L’eau osmosé
e
L’eau d´min´ralisé
e e e
Les eaux spćifiques ` certaines industries : eau purifié,
e a e
WFI, eau 18 Mega Ohm


L’eau potable

Solides dissous : de l’ordre de 150 ` 350 ppm
a
G´n´ralement l´g`rement incrustante
e e e e
pH typiquement entre 7 et 8.5
Toujours chlor´e
e
Micro-organismes pr´sents
e
Particules en suspension : rouille, sable, etc.


L’eau industrielle

Provenance : forage ou surface
Charge en particules et micro-organismes fortement
variable
Filtration toujours n´cessaire
e


L’eau adoucie

ATTENTION ` la d´ﬁnition !
a e
Eau ` l’´quilibre calco-carbonique, ou bien
a e
Eau ` 0˚dF ?
a


L’eau osmos´e
e

De l’ordre de 6 ` 20 µS/cm (3 ` 10 mg/l solides dissous)
a a
pH : typiquement 5 ` 6
a
Eau corrosive !
Eau d´sinfect´e mais bact´riologiquement instable
e e e


L’eau d´min´ralisé
e e e

Gń´ralement : conductivit´ inf´rieure ` 1 µS/cm
e e e e a
pH : typiquement 5 ` 6
a
Eau corrosive !
Eau bact´riologiquement tr`s instable
e e
Tend ` se re-min´raliser
a e
−→ Nćessit´ d’une boucle pour maintenir la qualit´ de
e e e
l’eau.


Introduction à la chimie de l'eau

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (8)

Similaire à Introduction à la chimie de l'eau

Similaire à Introduction à la chimie de l'eau (6)

Introduction à la chimie de l'eau