Qu'est-ce que l'eau Unités de mesure Polluants et impuretés

Introduction à la chimie de l'eau

Qu'est-ce que l'eauUnités de mesurePolluants et impuretés

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

EAU

Eau: H2O + polluantsCaractéristiques remarquables:

Densité plus faible à l'état solideTension de surface élevéeSolvant universelChaleur de vaporisation élevéeTension de surface élevée


La molécule d'eau


L'eau, solvant universel


Classes d'impurtés

Impurtés

Solubles

Inorganiques

Ionisées Non ionisées

Organiques

Insolubles

Inorganiques OrganiquesMicro-

organismes


Les composants peuvent changer

Au contact avec l'air: Oxygène, CO2, acidité/alcalinité, Radon, FerPar activité biologique: composants organiques sont dégradés en CO2, CH4, NO2

-, NO3-, NH3, H2S, avec ou sans

consommation d'oxygèneDans le sol: dissolution de rochers


La mesure des polluants

TurbiditéColorationSDIpHPotentiel rédoxConductivitéDuretéConcentrations (ppm, mg/l)


Analyse d'eau - exemple


Solides en suspension

Problèmes:PompesMembranesProduit fini (Qualité)

Méthodes: FiltrationClarification


Solides en suspension: mesure

SDI<3 : pas à peu d'entartrage de la membrane3 à 5 : conditions normales d'utilisation>5: entartrage excessif à prévoirConsulter le fournisseur de membranes

Turbidité entartrage excessif si turbidité > 1 NTU

Comptage de particulesCher!Rarement réellement nécessaire


SDI (Silt Density Index, indice de colmatage)

Standard ASTM (cet indice à été introduit par des producteurs de membranes américains)

On mesure la variation du débit à travers un filtre 0.45 µm à une pression constante de 2.1 bar. A partir de cette mesure de débit (temps de remplissage d'un récipient), on calcule la perte de débit en % par minute sur une période de 15 minutes. Dans le commerce, on trouve des "Kits" prévus pour cette mesure pour moins de 500 Fr.

Pratique pour l'eau de robinet et l'eau de puits/source, avec de l'eau de surface le filtre colmate trop vite et on doit mesurer sur une periode plus courte. Ces valeurs obtenus sur une periode plus courte ne sont pas comparables avec les autres. En raison de la courbe exponentielle, les valeurs mesurées sur une période plus courte sont sensiblement plus elevées que celles mesurées sur 15 minutes.


Equilibre chimique de l'eau

H2O = H+ + OH-

En fait: 2H2O = H3O+ + OH-

Ke = [H3O+] x [OH-] : constante de dissociation de l'eauKe = 10-14 mol/l à 25°C Nomenclature:

H+: ion hydrogèneOH-: ion hydroxydeH3O: ion hydronium


pH

pH = -log10 [H+]

pH = 7 : Neutre

pH eaux naturelles: 5 - 9

pH: rarement supérieur à 14 ou inférieur à 1


Acides et basesDéfinitions

Un acide est un donneur d'ions H+Une base est un accepteur d'ions H+

Un acide fort est complètement dissocié dans l'eauUn acide faible est partiellement dissocié dans l'eau


Oxydo-réductionOxydation: perte d'un ou plusieurs électrons.p.ex: Fe -> Fe++ + 2e- , Fe++ -> Fe+++ + e-

Reduction: acceptation d'un ou plusieurs électrons.p.ex.: Cl2+2e- -> 2 Cl-, O2+4e-+2H2O -> 4 OH-

Ensemble: oxydo-réduction.Oxydant: substance qui peut accepter des électronsRéducteur: substance qui peut donner des électronsMesure du potentiel rédox d'une solution:potentiel d'une électrode de platine dans la solution par rapport à une électrode standard


Exemples d'oxydants: Ozone, Chlore, OxygèneExemples de reducteurs: Metaux (élémentaires), Fe2+, substances organiques

Il y a toujours réaction d'un oxydant et d'un reducteur. L'oxydant est converti en un reducteur faible, et le reducteur en un oxydant faible.

Pour tout oxydant, un peut mesurer un potentiel d'oxydation, qui dépend de la concentration des substances impliquées. Les potentiels standard sont mésurés à une concentration de 1mol/l (1bar pression partielle pour des gaz, surface propre pour metaux élémentaires), on peut calculer alors les potentiels à d'autres concentrations. L'électrode à hydrogène (H2/ H+) sert de reférence théorique, mais est peu maniable et st donc remplacé en pratique par une électrode au kalomel (Hg/HgCl/Cl-) ou au chlorure d'argent(Ag/AgCl/Cl-) qui donnent des potentiels très stables; on doit tenir compte de leurs potentiels propres pour les mesures.

Le potentiel d'oxydation renseigne sur la concentration d'oxydants dans l'eau. Ceci est important pour la désinfection (le chlore et l'ozone sont des oxydants) et eventuellement pour protéger des membranes susceptibles à l'oxydation.

Oxydo-réduction (2)


Conductivité /Résistivité

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000

Concentration mVal/L

Con

duct

. e

n µS

/cm

CaCl2

KCl

KHCO3

MgCl2

NH4Cl

NaCl

NaNO3

NiSO4

ZnCl2

ZnSO4

HCl

H2SO4

NaOH

118µS/cm pour 1 mval/L


Dissolution et PrecipitationLes sels minéraux se dissolvent dans l'eau. Il s'agit d'une réaction en équilibre, p.ex.:NaCl <=> Na+ + Cl- K = c(Na+) * c(Cl-)CaSO4<=> Ca2+ + SO4

2- K = c(Ca2+) * c(SO42-)

Na2SO4<=> 2 Na+ + SO42- K = c2(Na+) * c(SO4

2-)CaCl2<=>Ca2+ + 2 Cl- K = c(Ca2+) * c2(Cl-)

Dissolution jusqu'à épuisement du sel ou saturation. Surconcentration d'une solution saturée=précipitation.


Pourquoi s'intéresser à des ions spécifiques?

Toxicité dans le cas de l'eau potable ou pour usage médical Repercussions sur la production Precipitation de substances peu solublesEfficacité du système de purification différente selon les ions


Unités de concentration

Unité plus courante: mg/lSouvent: ppm Sauf indication contraire, ppm exprime un ratio de masse, donc ppm=mg/lMol/L et val/L ou equ/LGrain: fréquent dans la littérature anglo-saxone!

1 grain = 1/7000 lb1 grain/gal US = 17.1 mg/l

"Comme CaCO3": utilisé dans la littérature anglo-saxone, pratique pour les calculs d'équilibre, source d'innombrables erreurs


Particularité de cette unité: la somme des anions est égale à celle des cations à pH neutre. Cela permet de vérifier une analyse d'eau. ppm comme CaCO3 désigne en principe le nombre de charges positives ou négatives par litre d'eau, tout comme l'unité val ou eq. 1val réprésente 1 mol (6 x1023 atomes ou molécules) d'une substance monovalente, 0.5 mol d'une substance divalente etc. Une mol CaCO pèse 100 g et est divalent. 1 mval CaCO3 sont donc 50 mg.Les équivalents sont nécessaires pour le calcul des échangeurs d'ions et addoucisseurs, parce que en général on veut enlever un mélange de substances différentes. Hormis ce cas, il est mieux de ne pas utiliser ppm comme CaCO3 pour ne pas créer la confusion.

ppm comme CaCO3


Ion mg/L/facteur=mmol/L(mval/L)

mg/Lxfacteur=mg/L comme CaCO3

Ca++ 40(20) 2.50

Na+ 23.5(23.5) 2.17

Mg++ 24.3(12.2) 4.12

Cl- 35.5(35.5) 1.41

SO4-- 96(48) 1.04

HCO3- 61(61) 0.82

Facteurs de conversion pour les ions plus courants


Dureté

Définition: Quantité totale de Ca++ et Mg++ dans l'eauDegrés de dureté:- 1°Français = 10 mg/l CaCO3

- 1° Allemand = 10 mg/l CaO- 1° UK = 1g/ UK Gal CaCO3

- 1° US = 1ppm CaCO3


France UK Allemagne USA

1.43 1 0.8 14.3

1 0.7 0.56 10.01.79 1.25 1 17.9

0.1 10.07 0.056 1

Conversion des degrés de dureté


Calcaire

En général: composant principal de la duretéProvenance: dissolution de roches calcaires par l'eau de pluie (surtout acide) et du CO2 (atmosphérique ou par respiration bactérienne)Problème: Precipitations (Entartrage) lorsque l'eau est chauffée ou lors d'augmentations de concentration (osmoseur)Avantage: Protège la tuyauterie de la rouille


Calcaire: Réactions de l'équilibre

CO2+H2O <<->H2CO3

H2CO3<<->H+ + HCO3-

CaCO3 <<->Ca2+ +CO32-

H+ + CO32-<->>HCO3

-

Somme: CaCO3 + CO2 + H2O<-> Ca(HCO3)2 dissoutes comme ions Ca2+ et HCO3

-


Calcaire : réactions de l'équilibre

Influencés par concentrations de Ca2+ et HCO3

-, pH, Temperature, salinité totale (masquage des charges)Valeurs liées: à pH et concentration de HCO3

- données, les concentrations de CO2, CO3

2- et OH- sont fixéesNon linéaire à cause du carbonate bivalentCalcul par ordinateur ou nomogramme


Calcaire et rouille dans les tuyauteries

Fe +1/2O2+H2O <-> Fe2+ + 2OH-

2Fe2+ +1/2O2+H2O <-> Fe3+ +2OH-

Formation de OH-, donc précipitation de Fe(OH)2 et de calcaire s'il y en a en solution.La couche de tartre protège le tuyau.


Evaluation du contenu en calcaire: points de répère

De l'eau en provenance de régions avec des roches calcaires (p.ex. Jura) est saturée en calcaire, donc pas corrosive, mais précipite facilement du calcaireL'eau de pluie, ou de l'eau addoucie, déminéralisée ou additionnée d'acide n'est pas saturée en calcaire, donc corrosive. Utiliser de l'acier inoxydable ou des matières plastiques pour la tuyauterie. Ne précipite pas facilement du calcaire.Si une eau non saturée est chauffée ou concentrée, un calcul devient nécessaire pour déterminer si elle est saturée après.


Evaluation du contenu en calcaire: utilisation du

NomogrammeDonnées de base: salinité totale, concentrations de calcium et des bicarbonates (le tout en équivalents CaCO3), Température et pH.Conversion en °F de la température: °C*9/5 +32Marquer la salinité totale sur l'échelle Ts et la concentration de Calcium sur l'échelle Ca connecter et marquer l'intersectionn de cette ligne avec la ligne libellé T-1.Marquer la concentration de bicarbonates sur l'échelle Alk, la température en °F sur l'échelle t, connecter et marquer l'intersection de cette ligne avec la ligne libellée T-2.Connecter les points marqués sur T-1 et T-2 et lire sur l'échelle pHs le pH auquel l'eau serait saturée. Marquer.Marquer le pH réel sur l'échelle pHa et connecter avec le point marqué sur pHs.Lire sur l'échelle L l'indice Langlier. Valeur positive =tartre, valeur négative=corrosion.Lire l'indice Ryznar sur l'échelle R. Interpretation voir page suivante.Les programmes pour calculer les osmoseurs calculent aussi l'indice Langlier et/ou Ryznar. A recommander, si vous avez ce genre de calculs plus souvent.


Nomogramme Indice Lagnglier/Ryznar


Interpretation Indice Ryznar


L'addoucisseur enlève le calcium et évite ainsi les précipitations. Rend possible une surconcentration importante.Echangeur d'ions régénéré avec du sel Methode la plus sûre, mais chère avec des grandes installations, diminue un peu l'efficacité d'un osmoseur en aval

Calcaire: Prévention du tartre par addoucissement


Calcaire: Prévention du tartre - Inhibiteurs

Aussi appelés agents dispersivsSont censés empècher les précipitations de se former ou de coller aux installations Courant pour chaudières et tours de refroidissementPas recommandés pour des précipitations de calcaire (et de plâtre) dans des osmoseursPour des substances très peu solubles (donc peu de tartre) efficaces aussi pour osmoseurs


Calcaire: prévention du tartre par injection d'acide

L'injection d'acide diminue le contenu (de toute facon minime) en carbonate libre et évite ainsi les précipitations.Surconcentration possible dans certaines limtes.Acides les plus utilisées:

Acide sulfurique (bon marché, stockage aisé, mais éventuellement problèmes avec sulphates.)Acide chlorhydrique (plus cher, désagréable à stocker, mais pas de problèmes de solubilité)

Production de CO2


CO2 et pHQuand le pH diminue, la proportion de CO2 relative à la somme de dioxyde, bicarbonate et carbonate augmente. La majeure partie de CO2 (80%) est liberée entre pH 7.4 et pH 5.4 . Au-dessus d'un pH de 9 et au-dessous d'un pH de 4 les changements de la quantité de CO2 libre sont negliéables (<1% même pour de grandes variations de pH).

Le CO2 libre peut causer des problèmes:- pH et corrosivité d'eau potable - Réaction avec des composants alcalins lors de la dissolution ou dilution de produits chimiques- Charge la résine anionique d'un échangeur d'ions (n'est pas éliminé par le prétraitement avec osmoseur)

Elimination du CO2:a)Procédure standard: dégazage à pH bas, avec air à contre-courant ou sous vide. Problème: microbes.

b) Avec un Osmoseur dont l'eau d'alimentation est addoucie: injection de soude, donc réaction du CO2 (qui traverserait la membrane) pour former des bicarbonates, qui sont retenues par la membrane de l'osmoseur. Méthode pour petites installations ou en cas de sensibilité aux microbes (usage pharmaceutique ou médical)

CO2


Sulfate SO42-

Contenues dans pratiquement toutes les eaux naturellesSe forment lors d'une injection d'acideForment du tartre avec des quantités minimes de Barium, Strontium et plomb. Avec du Calcium en quantité conséquente, formation de plâtre.


Sulfate SO42- - Traitement

Addoucissement enlève les cations susceptibles de former des précipités.Inhibiteurs peuvent être une solution pour les sulfates très peu solubles, mais pas pour le plâtre (trop grande quantité de précipité)Les précipités de sulfate existants resistent aux nettoyages acides et ne peuvent être éliminés qu'avec des agents complexants, p.ex. EDTA.


Silice SiO2

Neutre à pH neutre, soluble à 120 ppmA pH élevé: en partie "activée":

SiO2 H2O = H+ + H3SiO4-

Silice colloidale: en combinaison avec des molécules organiques (squélette de certaines algues)Problème: chaudières, turbines (dépôts)


Silice SiO2 - Traitement

Osmose inverse: silice réactive: 98%, silice colloidale:100%, inhibiteur pour protégér les membranes de précipitationsEchangeur d'ions: silice réactive < 0.2 ppm. Silice colloidale passe.

Problème: Savoir quand la résine est épuisé, puisque le silice ne change pas la conductivité


Fer

Présent sous forme ionique dans toutes les eaux souterraines, donc pratiquement toutes les eaux potablesEntartrage de membranes par précipitation d'une forme plus oxydéeElimination:

Oxydation au chlore avant un filtre à sableSable vert (couche de MnO2, oxydant)

Manganèse: réactions analogues, plus rare mais précipité plus volumineux.


ChloreCl2 + H2O = HOCl + H+ + Cl- <--> OCl- + 2H+ + Cl-

A pH elevé, l'équilibre se déplace vers la droite.

En plus du chlore élémentaire, l'acide hypochlorique et les hypochlorites agissent comme désinfectant:

CLO- + H2O + 2 e- <--> CL- + 2 OH-


Chlore - Formes utilisées

Gaz Cl2 (seulement pour de très grandes quantités, stockage difficile) Comme liquide (solution de hypochlorite, pour des quantités normales) Dioxyde de Chlore ClO2 ou chloramines NH2Cl (restent plus longtemps dans l'eau)


Chlore et osmose inverse:

Le Chlore sous toutes ses formes oxyde les membranes en polyamide des osmoseurs.

Si une desinfection de tout l'osmoseur est souhaitée, les membranes en acétate de cellulose sont des fois utilisées, mais elles ont des désavantages: moindre rétention des sels, pression plus élevé, débit plus bas, moindre tolérance au pH, peuvent être dégradés par des bactéries...

Elimination du Chlore par charbon actif ou injection de sulfites (agents reducteurs, env. 2 g de sulfite de sodium par g de chlore, mesurer le résidu).


Attention - difficiles à éliminer. Charbon actif ne les enlève que très peu.Metabisulfite: nécessite un dosage très élevé (env.50 fois le dosage habituel). Les membranes en polyamide sont oxydées aussi par des chloramines ...

Chloramines


Trihalométhanes

Trihalométhanes:HCCl3HCCl2BrHCClBr2

HCBR3 Origine: "débris" organiquesCausent des cancersPas de méthodes efficaces de les éliminer. Il faut donc

éliminer les précurseurs utiliser l'ozone


Substances organiques

Beaucoup de substances différentes, souvent essai nécessaireProcédés d'élimination possibles:

OzoneCharbon actifPrécipitation/décantation, filtration

Cas courants:Acides humiques: UF, eventuellement ozonePesticides: Ozone + charbon actifEau de surface: Précipitation, décantation, filtration, éventuellement UF ou charbon actif et ozone


Microorganismes

Beaucoup de sortes différentesAnalyse

Quantité totale Quelques sortes dangéreuses ou revelatrices

Procédés courants:Filtration et comptageIncubation de 100 mL avec nutrients et indicateurRécherche spécifique:

Colibactéries (pollution fécale) bactéries mésophiles (potentiellement phatogènes).


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