Chimie: Traitement de l'eau

1. Introduction

Les eaux de pluie, continentales (de surface ou souterraines) et de les eaux de mer sont dites des eaux naturelles.

Dans ue eau naturelle, on peut trouver des:
- Matières en suspension MES, qui sont des particules de taille 1mm-1µm, visible à l'oeil nu, décantables, et non filtrables,
- Matières colloidales de taille 1µm- 1nm, visibles au microscope, non décantables et filtrables,
- Matières dissoutes de taille 1nm (atomique), invisibles, non décantables, et filtrables. Elles sont constitués de gaz dissous sous forme moléculaire (oxygène et gaz carbonique surtout) et des sels minéraux dissous sous formes d'ions, dont les principaux sont:
* Cations: Calcium Ca²⁺, Magésium Mg²⁺, K⁺, Na⁺, H⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, et Mn²⁺
* Anions: Bicarbonate HCO₃^-, Carbonates CO₂^{2 -}, (OH)^-, Cl^-, SO₄^{2 -}, NO₃^-, PO₄^{3 -}, et HS_iO₃^-.

En industrie, en utilise une eau pour un refroidissement (via un échangeur de chaleur), pour une chaudière (en vue de produire de la vapeur), ou une eau de procédés (utilisée dans la fabrication d'un produit). Les problèmes rencontrés lors de son utilisation sont essentiellement l'entartrage, l'embouage, la corrosion, et le primage.

- L'entartrage est la formation de dépôt dur et adhérant de matières solides dissoutes comme les sels minéraux CaCO₃, CaSO₄, et S_iO₃, qui rédui les écoulements et les échanges thermiques. Le dépôt de calcaire CaCO₃ du à la décomposition du bicarbonate de calcium Ca(HCO₃)₂ est un exemple.

- L'embouage est la formation de dépôts friable et non adhérants, du à la présence des matières en suspension qui réduisent les échanges thermiques et causent des encrassements.

- La corrosion est due à la présence des gaz oxygène O₂ et dioxyde de carbone CO₂ qui cause un percement ou une usure progressive du métal.

- Le primage est un effet physique rencontré dans les eaux de chaudière. Une fois l'eau est chauffée à haute température, sa vapeur entraine avec elle des gouttelettes d'eau riche en matières solides dissoutes qui formeront un dépôt, avec un effet abrasif sur le métal.

Le caractère d'une eau est déteminé par ce qu'elle contient; ainsi, on défini des paramètres pertinents afin de d'évaluer. Ce sont le RSF (Résidu Sec Filtrable), le pH, la conductivité, la turbidité, la dureté, l'alcalinité; ainsi que d'autres concentrations comme celle des chlorures et des phosphates.

2. Caractéristiques d'une eau

1. Une évaporation d'un litre d'une eau contenant de matières solides chauffée à 105 ^oC laisse un résidu qu'on peur peser. La masse de ce résidu donne sa concentration en mg/L, qui renseigne sur la quantité de résidu sec total contenu dans cette eau.

Si on filtre cette eau, on obtient deux résidus: filtrables et non filtrables. Les non filtrables, une fois séchés à 100%, et pesés; la masse de ce résidu non filtrable, donc sa concentration en mg/L renseigne sur la quantité du résidu sec non filtrable. Ce résidu constituait en fait les matières en suspension (MES).
En ce qui concerne la matière filtrée appelée filtrat, on la chauffe à 105 ^oC. Une fois évaporée, on obtient un résidu qu'on peut peser. La masse de ce résidu filtrable, et donc sa concentration en mg/L renseigne sur la quantité du résidu sec filtrable. Ce résidu constituait en fait les matières colloidales et les matières dissoutes en solution.

2. On mesure le pH de la solution directement à l'aide d'un pHmètre. Cet appareil, une fois étaloné, donne, par affichage numérique, la concentration en ions H⁺, utilisant la formule pH = - log [H⁺].

3. La conductivité se mesure à l'aide d'un conductimètre qui opère selon le mode de l'éléctrolyse. La conductance caractérise la facilité de passage du courant électrique dans le milieu, contrairement à une résistance. Celle-ci se mesure en ohm (Ω), la conductance se mesure en mho ou Siemens. La conductivité est la conductance par unité de longueur. Elle se mesure en micro Siemens/cm: µS/cm et se note κ. Pour une eau que l'on veut évaluer, la conductivité rensigne sur la quantité de matière minérale dissoute sous forme d'anions et de cations, qui sont chargés électriquement. Le κ d'une eau distillée est de 1 à 8 µS/cm. Celle d'une eau pure est de l'ordre de 0.04 µS/cm. Il existe cependant, une relation expérimentale entre la conductivité (en µS/cm) et la concentration des RSF (en mg/L) d'une eau:   0.55 < (RSF/κ) < 0.9.
Pour une eau distillée de κ = 4 µS/cm, on aura 0.55 < (RSF/4) < 0.9 → 2.2 < RSF < 3.6. Une moyenne donnera: RSF = (2.2 + 3.6)/2 = 2.9 mg/L


4. La turbidité est synonyme de pas clair, non transparente, et non limpide. Elle se mesure au moyen d'un Turbidimètre. Cet appareil affiche numériquement l'unité en NTU: Nephelometric Turbidity Unit (UTN Unité de turbidité néphélométrique). Le spectrophotomètre du type HACH, qui mesure l'absorbance mesure aussi la turbidité en UTN, étalonné avec une solution appropriée (comme l'eau distillée).

La mesure d'une concentration se fait en nombre de moles par litre ou en mg/L. Cependant la concentration des ions présents dans l'eau se mesurant en mg/L peut aussi se mesurer en milli équivalent de charges par litre: méq/L. L'unité courante pour mesurer la concentration des ions dans une eau est le mg/L de calcaire CaCO₃.

Une quantité X mg d'une substance ionique, de masse molaire M (en g/mol) et de charge ionique |q|, présente dans un litre de solution, correspond à (X/M)millimoles. Le produit |q| x (X/M) est la quantité de charge ionique présente dans ce X mg de substance. Cette quantité |q|X/M est le nombre d'équivalent de cette solution. Ainsi: 1 (mg/L) = |q|/M (méq/L).
Le méq/L étant ramené à l'unité de calcaire égale à 50 mg/L; on a donc:

1 (mg/L) = |q|/M (méq/L) = 50|q|/M (mg/L CaCO₃)
Une eau qui contient 40 mg/L d'ions calcium Ca²⁺ aura 40 x 2/40 = 2 méq/L = 100 (mg/L CaCO₃).