3. Remerciements
Ce livre est issus des cours Pratiques et ´conomie de la purification de l’eau dans
e
l’industrie organis´s par la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique. Ces
e
cours de formation continue s’adressent ` des praticiens de l’industrie. Tout comme ces
a
cours, le pr´sent livre ne s’adresse donc pas ` des personnes ayant d´j` des connaissances
e a ea
approfondies en chimie de l’eau ou en traitement de l’eau, mais ` des ing´nieurs et
a e
techniciens ayant des bases techniques g´n´rales mais pas de connaissances particuli`res
e e e
concernant l’eau : ce livre constitue une introduction ` ce domaine.
a
Depuis 1997, je donne ces cours en coop´ration avec Madame Uta Moerschell, Ing´nieur
e e
Chimiste Diplˆm´ de la Haute Ecole sp´cialis´e de N¨renberg.
o e e e u
Mes remerciements vont donc tout naturellement ` Madame Uta Moerschell, qui a
a
beaucoup contribu´ au d´veloppement du cours et en particuliers ` ses chapitres relatifs
e e a
a
` la chimie de l’eau, ` la d´min´ralisation de l’eau et les ´tudes de cas, et aussi bien sˆr ` la
a e e e u a
version allemande du cours. Je tiens aussi ` remercier Monsieur Fischer, responsable des
a
cours de formation continue ` la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique,
a
qui nous a permis de faire ces cours et nous a encourag´ ` les am´liorer continuellement.
ea e
Mes remerciements vont aussi ` tous les participants des cours de purification de l’eau
a
de la Fondation Suisse pour la Recherche en Microtechnique depuis 1997, qui, par leurs
avis et propositions d’am´lioration du cours nous ont permis d’am´liorer le cours et ont
e e
donc une part de m´rite significative pour ce qui est de la qualit´ du pr´sent ouvrage.
e e e
L’auteur
Ing´nieur m´canicien diplˆm´ de l’Ecole Polytechnique F´d´rale de Lausanne, Enrico
e e o e e e
Riboni a acquis sont exp´rience de traitement de l’eau d’abord en travaillant comme
e
chef de projet aupr`s d’un grand bureau d’ing´nieurs-conseils, puis comme responsable
e e
de la filiale Europe et Moyen-Orient d’un fabriquant de mat´riel de traitement de l’eau
e
pour l’industrie (Osmonics). Enrico Riboni est actuellement g´rant de ozone.ch (Boudry,
e
Suisse). Cette soci´t´ propose des services d’ing´nieurs-conseil et des produits innovants
ee e
pour le traitement de l’eau et l’utilisation de l’ozone.
Version et disponibilit´
e
Vous avez entre vos mains la version 21.2 de ce livre. Elle a ´t´ pr´par´e en d´cembre
ee e e e
2002 et am´lior´e en mars 2003. Des versions futures sont pr´vues. Le manuel est dis-
e e e
ponible gratuitement en t´l´chargement en format PDF ` partir du site de ozone.ch :
ee a
http ://www.ozone.ch. La version imprim´e peut ˆtre obtenue contre une participation
e e
forfaitaire aux frais d’impression et d’envoi de CHF 100.00 (Suisse) EUR 70.00 (Union
Europ´enne). Format : classeur A4, noir et blanc. Conditions sp´ciales pour clients de
e e
ozone.chet ceux qui ont particip´ ` un cours FSRM sur la purification de l’eau sur
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demande.
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4. Copyright
c Enrico Riboni, Ch´zard-Saint-Martin, Suisse, 1997-2003. Le manuel peut ˆtre utilis´
e e e
librement pour un usage en enseignement, entreprise et en cadre priv´. Il ne peut en
e
aucun cas ˆtre propos´ ` la vente, sauf par Enrico Riboni, ozone.chet la Fondation
e e a
Suisse pour la Recherche en Microtechnique.
ozone.ch S`rl
a ii http://www.ozone.ch
16. 1. Introduction
1.1. L’eau : aussi omnipr´sente que m´connue
e e
L’eau est omnipr´sente dans l’industrie. Il n’y a pas de produit qui n’est pas au moins
e
rinc´ avec de l’eau au cours de sa production, et l’eau est un composant essentiel de
e
la production de bien des produits alimentaires et chimiques, par exemple. Les qualit´s e
thermodynamiques de l’eau en font un fluide caloporteur de choix : elle a une enthalpie
d’´vaporation tr`s ´lev´e et une chaleur sp´cifique tr`s ´lev´e ´galement.
e e e e e e e e e
Pourtant, le praticien confront´ ` la conception du syst`me de traitement de l’eau pour
ea e
l’industrie devait jusqu’` pr´sent se tourner vers des ouvrages en anglais, par ailleurs sou-
a e
vent excellents, ou se r´soudre ` utiliser des ouvrages en fran¸ais destin´s au traitement
e a c e
de l’eau potable. Cette situation n’´tant pas satisfaisante, j’ai entrepris l’´criture de cet
e e
ouvrage, sur la base du cours qui existe depuis 1997 aupr`s de la FSRM et des nouveaux
e
cours avanc´s de la FSRM introduits en 2002.
e
Le traitement de l’eau est un domaine ` la fronti`re de plusieurs disciplines. La chimie
a e
joue un rˆle primordial, mais aussi la m´canique et, pour les installations d’une certaine
o e
importance, aussi le g´nie civil. La conception d’une nouvelle installation requiert en
e
principe la collaboration d’au moins un chimiste et un ing´nieur en m´canique.
e e
Lorsqu’on parle de “traitement de l’eau”, on englobe en fait une s´rie de disciplines
e
tr`s diverses. Il y a en effet peu en commun entre une installation de potabilisation d’eau
e
souterraine, qui est essentiellement un ouvrage de g´nie civil, et une petite installation
e
de production d’eau ultrapure pour la micro´lectronique, qui, si elle ne n´cessite pas de
e e
g´nie civil, fait appel´ ` des technologie de pointe, des m´thodes de mesures sophistiqu´e
e ea e e
et exige une maintenance tr`s soign´e par ses op´rateurs.
e e e
Le livre ne traite pas du sujet des eux us´es. Le traitement des eaux us´es industrielles
e e
fait appel en partie aux mˆmes technologies que la purification de l’eau, mais aussi ` de
e a
nombreuses autres techniques, comme les bior´acteurs. Les aspects l´gaux sont souvent
e e
d´terminants. Il en r´sulte qu’il est pratiquement impossible de les traiter dans le cadre
e e
d’un ouvrage traitant de la purification de l’eau.
La grande majorit´ des utilisateurs d’eau dans l’industrie disposent d’eau potable. Le
e
sujet du livre sera donc essentiellement la purification de l’eau potable pour la rendre
utilisable dans les processus industriels.
Dans de rares cas, l’industrie doit utiliser de l’eau non potable, provenant de forages,
de la nappe phr´atique ou de rivi`res ou de lacs. Un chapitre sera consacr´ au traitement
e e e
additionnels n´cessaires si l’on emploie de l’eau encore ` potabiliser. Dans la plupart des
e a
cas, ces traitements sont assez simples.
2
17. ´ ´
1.1. L’EAU : AUSSI OMNIPRESENTE QUE MECONNUE
Fig. 1.1.: Le traitement de l’eau, un sujet ` la fronti`re de plusieurs disciplines
a e
Fig. 1.2.: Les domaines du traitement de l’eau
Comme le cours, ce livre est organis´ selon les lignes directrices suivantes : les deux
e
premi`res parties sont consacr´es aux connaissances de bases n´cessaires : la partie 1
e e e
est une introduction ` la chimie de l’eau. Il est en effet indispensable de comprendre le
a
produits que nous allons traiter. Ensuite, une 2e partie, tr`s importante par le volume de
e
ses pages, est consacr´e aux technologies qui sont ` notre disposition pour le traitement
e a
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a 3 http://www.ozone.ch
18. CHAPITRE 1. INTRODUCTION
de l’eau. Enfin, dans la 3e partie de l’ouvrage, nous mettrons en pratique les connais-
sances acquises pour la conception de nouvelles installation et l’analyse et l’optimisation
d’installations existantes. Comme bien des branches industrielles, la purification de l’eau
utilise des technologies parfois fort anciennes. Certaines, comme l’ozone, on connu un
d´veloppement rapide avant de retomber dans l’oubli, pour faire ensuite un retour en
e
force a une ´poque tr`s r´cente. D’autres, comme l’osmose, sont r´centes, ´taient d’une
` e e e e e
utilisation assez complexe mais se se sont aujourd’hui popularis´es.
e
La 3e partie de l’ouvrages est consacr´e ` la conception de nouvelles installations
e a
et l’optimisation d’installations existantes. Ces sujets sont trait´s du point de vue de
e
l’utilisateur d’installation.
1.2. Rappel historique
La s´dimentation date de l’antiquit´ classique : des documents en grec d´crivent des
e e e
techniques employ´es dans l’Egypte Ptol´ma¨
e e ıque d´j` au 2e si`cle avant notre ˆre. La
ea e e
filtration par tamisage avec un textile est encore plus ancienne : elle ´tait connue en
e
e
Gr`ce au 5 si`cle avant notre ˆre. Le filtre ` sable, qui est utilis´ aujourd’hui dans
e e e a e
toutes les piscines et dans bien des applications industrielles est d’origine incertaine,
mais il semble qu’il ´tait d´j` connu dans l’Egypte Ptol´ma¨
e ea e ıque. En Europe, il est utilis´
e
d`s le 17e si`cle. Les filtres-presse sont un produit de la r´volution industrielle : les
e e e
premiers brevets datent de l’an 1800.
Les technologies de d´sinfection de l’eau sont toutes beaucoup plus r´centes. En effet,
e e
il faut attendre les d´veloppement de la biologie et l’apparition de la notion de micro-
e
organisme dans les ann´es 1860 pour que la n´cessit´ de d´sinfecter l’eau apparaisse.
e e e e
Pasteur aurait dit que nous buvons presque toutes nos maladies. Le chlore et l’ozone
sont les premi`res m´thodes de d´sinfections utilis´es, ` la fin du 19e et ` l’aube du
e e e e a a
e
20 si`cle. Les premiers brevets pour la st´rilisation UV datent aussi du d´but du
e e e
20e si`cles. Malheureusement, l’Europe en 1918 dispose de nombreuses grandes usines
e
de chlore, alors que la fin de la guerre cause un effondrement de la demande pour ce gaz.
Le chlore est d´sormais bon march´, et il devient le d´sinfectant de choix pour l’eau : la
e e e
st´rilisation par rayonnement UV et l’ozonisation resteront confin´e ` des applications
e e a
de niche jusqu’aux ann´es 1960.
e
Les techniques de d´min´ralisation par ´changes d’ions sont plus r´centes. Le premier
e e e e
adoucisseur est mis en service en 1905. La premi`re d´min´ralisation totale date de 1937,
e e e
en Angleterre : l’application est la production de la bi`re. La cartouche filtrante jetable
e
est aussi un produit des ann´es 1930 . A l’´poque, le grand fabriquant de cartouches je-
e e
table est la soci´t´ Sartorius, de G¨ttingen, en Allemagne, qui existe encore aujourd’hui.
ee o
A la fin de la guerre plusieurs ing´nieurs de Sartorius seront amen´s aux USA o` ils
e e u
travailleront pour le d´partement de la d´fense, avant de participer ` la fondation de la
e e a
soci´t´ Millipore, qui est aujourd’hui l’un des g´ants mondiaux de la cartouche filtrante
ee e
industrielle.
L’osmose inverse a un d´veloppement tr`s lent. Bien que le ph´nom`ne de l’osmose
e e e e
e
soit connu depuis la 2`me moiti´ du 19 si`cle, il faut attendre les ann´es 1950 pour que
e e e e
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19. 1.3. TENDANCES ACTUELLES
des installations d’osmose inverse soient r´alis´e ` l’´chelle du laboratoire. Les premi`res
e e a e e
installations industrielles datent des ann´es 1960, et il faut attendre les ann´es 1980 pour
e e
la technologie se g´n´ralise, d’abord aux USA puis en Europe.
e e
1.3. Tendances actuelles
Les ann´es 1990 ont vu une baisse de prix des installations ` membrane (Osmose
e a
inverse) et des syst`mes d’ozonisation de l’eau, ce qui fait que ces technologies sont de
e
plus en plus fr´quemment utilis´es. Cette p´riode a aussi vu des fournisseurs proposer
e e e
des ´quipements standard, sur catalogue, ` des prix tr`s comp´titifs aussi pour des d´bits
e a e e e
1
tr`s importants .
e
La 2e moiti´ des ann´es 1990 a aussi vu l’apparition de membranes d’osmose inverse
e e
a
` pression plus faible, qui ont r´duit le coˆt d’exploitation des osmoseurs de 20 ` 30%,
e u a
favorisant ainsi encore une fois cette technologie.
Les technologies membranaires se sont impos´es contre la d´min´ralisation par ´change
e e e e
d’ions. Un domaine ou l’´change d’ions se maintient actuellement est l’adoucissement
e
de l’eau. Il existe une technologie membranaire, la nanofiltration, qui constitue une
alternative potentielle ` l’adoucisseur. La technologie peine ` s’imposer au niveau des
a a
2
installations domestiques , mais elle s’est fortement implant´e dans l’industrie agro-
e
alimentaire3 .
La baisse des prix des membranes d’osmose inverse s’explique principalement par :
• L’augmentation du volume de production
• Le fait que longtemps les membranes en polyamides ´taient l’apanage de la soci´t´
e ee
Filmtec4 sur la base d’un brevet qui a ´t´ d´clar´ public en 19935 : depuis 1994 d´j`,
ee e e ea
la concurrence est s´v`re dans le domaine des membranes.
e e
En pratique il est devenu essentiel de n´gocier les prix lors d’achats de membranes.
e
1
A titre d’exemple, un fabricant am´ricain, ´galement repr´sent´ en Europe, propose sur catalogue
e e e e
des osmoseurs standard, construits en s´rie, pour des d´bits allant jusqu’` plus de 70 m3 /h
e e a
2
La soci´t´ allemande qui avait lanc´ le premier appareil domestique de nanofiltration a cess´ sa
ee e e
production en 1998. A notre connaissance aucune soci´t´ n’a encore repris le flambeau, mais cela ne
ee
saurait tarder
3
De nombreuses usine de Coca-Cola sont munies de syst`mes d’ultrafiltration pour adoucir l’eau, et
e
permettre ` tous les habitant de la plan`te de boire une boisson qui a le mˆme goˆt
a e e u
4
Filiale de Dow Chemical
5
La motif de la suspension de la protection accord´e ` Filmtec par son brevet ´tait le fait que les
e a e
membranes en polyamide avaient ´t´s d´velopp´es pendant un projet financ´ par l’arm´e US, et aux
ee e e e e
USA une invention r´sultant d’un d´veloppement financ´ par l’argent public ne peut ˆtre prot´g´e
e e e e e e
par un brevet
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20. 2. Introduction ` la chimie de l’eau
a
2.1. Qu’est-ce que l’eau ?
Il est usuel de croire que l’eau est H2 O. En fait, une description plus pr´cise de ce
e
liquide serait : l’eau, c’est H2 O plus une s´rie d’impuret´s. Le praticien du traitement
e e
de l’eau doit connaˆ ces impuret´s, leurs cons´quences sur les propri´t´s de l’eau, et
ıtre e e ee
aussi les unit´s de mesures employ´es pour exprimer ces impuret´s afin de comprendre
e e e
les analyses d’eau.
Cet ouvrage s’adressant ` des praticiens de l’industrie, nous ne traiterons pas ici des
a
m´thodes d’analyse de l’eau, mais bien de l’interpr´tation des r´sultats d’analyses que
e e e
nous pourrons obtenir de laboratoires. Les polluants de l’eau ayant des cons´quences
e
directes sur les caract´ristiques de l’eau, l’on utilise pour l’eau de nombreuses mesures.
e
Nous ne d´crirons pas ici les m´thodes d’analyse de l’eau, qui font l’objet de nombreux
e e
autres ouvrages, mais il est important pour pouvoir concevoir des syst`mes de traitement
e
de l’eau et les utiliser de mani`re optimale de bien comprendre les analyses d’eau, et la
e
significations de grandeurs telles que le pH, le potentiel d’oxydo-r´duction, etc.
e
L’eau est un fluide qui a des caract´ristiques tout ` fait remarquables :
e a
• Sa densit´ est plus faible ` l’´tat solide qu’` l’´tat liquide
e a e a e
• La tension de surface est tr`s ´lev´e
e e e
• On l’appelle parfois le solvant universel, car elle dissout plus de substances que tout
autre fluide connu.
• Sa chaleur de vaporisation ´lev´e, ce qui en fait un fluide caloporteur de choix
e e
Ces caract´ristiques sont dues ` la mol´cule d’eau (voir figure 2.1).
e a e
La mol´cule d’eau est une mol´cule mol´cule polaris´e. Ces mol´cules tendent a rester
e e e e e `
ensemble ` l’´tat liquide plus que d’autres fluides, ce qui explique la chaleur de vapori-
a e
sation ´lev´e. Elle tend aussi ` s´parer les ions : il en r´sulte que l’eau est un excellent
e e a e e
solvant. Le volume de l’eau augmente lorsqu’elle passe de l’´tat liquide ` l’´tat solide :
e a e
elle est l’une des 3 seules substances connues dans la nature dans ce cas.
2.2. Les classes de polluants
L’eau, de part sa nature de solvant universel, n’existe pratiquement pas sous forme
de H2 O pure. L’on trouve litt´ralement de tout dans l’eau. Afin de pouvoir analyser
e
les traitements de purification envisageables, il est indispensable dans un premier temps
6
21. 2.2. LES CLASSES DE POLLUANTS
Fig. 2.1.: La mol´cule d’eau
e
de classifier les impuret´s. Il y a plusieurs mani`res de classifier les impuret´s. L’int´rˆt
e e e ee
d’une classification est ´videmment conditionn´ par l’utilit´ de celle-ci pour d´finir les
e e e e
traitements de purification.
Fig. 2.2.: Classification des impuret´s
e
Les principales classes de polluants sont :
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22. `
CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU
• Les ´l´ments solubles : on pourra les ´liminer par osmose inverse ou ´change d’ions1
ee e e
• Les micro-organismes : on pourra les d´truire par des m´thodes de d´sinfection
e e e
• Les compos´s insolubles : il faudra pr´cipiter ou filtrer
e e
• Les composants organiques : ils constituent une nourriture pour d’´ventuelles bact´ries,
e e
il faudra donc les ´liminer, en g´n´ral par oxydation ou par absorption sur charbon
e e e
actif
2.3. Une classification alternative
Une autre mani`re de classifier est de parler de polluants primaires ou secondaires, en
e
fonction de leur concentration habituelle dans l’eau.
2.3.1. Polluants primaires
Les polluants primaires, dont la concentration dans l’eau d´passe souvent les 5 ppm
e
sont :
• Bicarbonate HCO−
3
• Calcium Ca++
• Chloride Cl−
• Magn´sium Mg++
e
• Silice SiO2
• Sodium Na+
• Sulfate SO2−4
2.3.2. Polluants secondaires
On d´finit comme polluants secondaires ceux dont la concentration d´passe souvent
e e
0.1 ppm :
• Ammoniac NH3
• Bore B+3
• Fluor F−
• Fer Fe++
• Nitrate NO−
3
• Potassium K+
• Strontium Sr++
2.3.3. Polluants tertiaires
Les polluants tertiaires sont ceux dont la concentration d´passe souvent 0.01 ppm :
e
• Aluminium
1
A noter que l’osmose inverse mais pas l’´change d’ions ´liminera aussi des composants solubles non
e e
ionis´s, comme par exemple le sucre et d’autres substances organiques en solution
e
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23. 2.3. UNE CLASSIFICATION ALTERNATIVE
• Arsenic
• Baryum
• Bromide
• Cuivre
• Plomb
• Lithium
• Mangan`se
e
• Phosphate
• Zinc
2.3.4. Les traces
Les traces sont ces polluants dont la concentration est g´n´ralement inf´rieure ` 0.01
e e e a
ppm :
• Antimoine
• Cadmium
• Chrome
• Cobalt
• Mercure
• Nickel
• Etain Sn
• Titane Ti
2.3.5. Composants non permanents
La concentration de nombreux composants de l’eau est soumise ` des changements
a
dˆs au contact avec l’air, avec les mat´riaux de r´cipients et conduites, ou ` l’activit´
u e e a e
biologique. Il s’agit en particulier de :
Acidit´ et alcalinit´
e e
Produits de cycles biologiques Il s’agit en particulier des produits des cycles suivants :
Cycle du carbone CH4 , CO, CO2 , carbone organique
Cycle de l’oxyg`ne O2 , CO2
e
Cycle de l’azote azote organique, NH3 , NO− , NO−
2 3
R´actions r´dox En r´sultent 2 classes de produits :
e e e
Oxydants , parmi lesquels il faut distinguer
Naturels : O2 , S
R´sidus de traitement : Cl2 , CrO−2
e 4
R´ducteurs : Naturels : organiques, Fe+2
e
R´sidus de traitement : organiques, Fe+2 , SO2 , SO−2
e 3
Radionucl´ides : essentiellement le Radon, qui est un probl`me r´el pour la sant´ hu-
e e e e
maine par exemple dans certaines r´gions de l’arc jurassien, mais pose rarement
e
des probl`mes pour les applications industrielles de l’eau.
e
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24. `
CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU
2.4. Les unit´s de mesure
e
L’eau est un produit complexe. il n’est donc pas ´tonnant que l’on utilise un nombre
e
important d’unit´s de mesure pour le d´crire.
e e
Les unit´s de mesure g´n´ralement utilis´es sont :
e e e e
Mesure de concentrations : ppm, mg/l, grains
pH : exprim´ sans dimension
e
Potentiel r´dox : exprim´ en mV
e e
Duret´ : exprim´e g´n´ralement en degr´s
e e e e e
S’y ajoutent diff´rents indices, tels que :
e
Indice de Langelier : formule qui indique si l’on va avoir des pr´cipitations.ou si l’eau
e
sera corrosive. Si cet indice est n´gatif, il y a tendance ` la corrosion. Si il est
e a
positif, il y a tendance ` la formation de calcaire
a
Turbidit´ : Nephtelometric turbidity units ou NTU
e
SDI : Indice sp´cialis´, souvent sp´cifi´ par les fabricants d’osmoseurs
e e e e
P´n´tration des UVc : un autre indice sp´cialis´, g´n´ralement exprim´ en % sur une
e e e e e e e
lame d’eau de 1 cm.
2.4.1. Unit´s de mesure des substances dissoutes
e
Pour exprimer la concentration d’une substance dissoute dans l’eau, plusieurs unit´s e
sont utilis´es. L’unit´ de concentration la plus courante est le mg/l , souvent exprim´e
e e e
par “ppm” (partie par million). Les indications en ppm peuvent induire en erreur : en
principe, en traitement de l’eau, l’on parle de ppm massique, qui correspondent donc ` a
des mg/kg, soit mg/l pour l’eau. Il faut faire attention au fait que le monde de l’envi-
ronnement exprime g´n´ralement les concentrations des polluants gazeux en ppm, mais
e e
il s’agit cette fois de ppm volumiques (ppmv). Quand ces deux mondes se rencontrent,
comme cela est les cas par exemple dans les applications de lavage de fum´es ou l’ozoni-
e
sation de l’eau, les erreurs dues ` l’interpr´tation du terme “ppm” sont h´las fr´quentes.
a e e e
Le Grain est une unit´ fr´quente dans la litt´rature anglo-saxonne :
e e e
• 1grain = 1/7000lb
• 1grain/gal US = 17.1mg/l
Les concentrations de polluants sont en g´n´ral indiqu´es comme ion. Parfois, l’on
e e e
rencontre le terme ”Comme CaCO3 ” : utilis´ dans la litt´rature anglo-saxonne, cette
e e
unit´ qui comptabilise les charges ´lectriques est pratique pour les calculs d’´quilibre
e e e
´lectrique et d’´change d’ions, mais est la source d’innombrables erreurs.
e e
L’int´rˆt de l’unit´ ppm comme CaCO3 est que la somme des concentrations des anions
ee e
doit ˆtre ´gale ` la somme des concentrations des cations ` pH neutre. Cette unit´ est
e e a a e
utile aussi le calcul de syst`mes d’´change d’ions : l’on peut additionner les concentrations
e e
des diff´rents ions et ainsi obtenir le total de ce que une r´sine ´changeuse d’ions doit
e e e
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a 10 http://www.ozone.ch
25. ´
2.4. LES UNITES DE MESURE
enlever de l’eau. Hormis ces deux cas il vaut mieux ne pas utiliser les ppm comme CaCO3
. Pour obtenir le facteur de conversion pour passer de la concentration comme ion ` laa
concentration comme CaCO3 , il faut diviser la masse molaire du carbonate de calcium
par la ”masse ´quivalente”, qui est la masse molaire divis´e par la valence. Cette unit´
e e e
est pratique pour exprimer la duret´, c’est plus facile ensuite pour calculer la capacit´
e e
de l’adoucisseur.
Les chimistes utilisent aussi les unit´s mMol/l et mVal/l, qui expriment la quantit´ de
e e
mol´cules - respectivement la quantit´ de charges ´lectriques - contenues dans l’eau. Une
e e e
Mole d’une substance a la meme masse en grammes que sa masse mol´culaire relative.
e
Un V al est ainsi une Mole divise par le nombre de charges ´lectriques.
e
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
Tab. 2.1.: Facteurs de conversion pour les ions les plus courants
2.4.2. Unit´s de mesure des solides en suspension
e
Les solides en suspension dans l’eau posent une s´rie de probl`mes importants ` l’uti-
e e a
lisateur d’eau dans l’industrie. Si l’eau sert ` la production d’un produit, la qualit´ de
a e
celui-ci peut ˆtre affect´e par les particules en suspension. D’autre par des ´l´ments du
e e ee
syst`me de purifcation d’eau lui-mˆmˆ doivent g´n´ralement ˆtre prot´g´s des solides en
e e e e e e e e
suspension : c’est le cas des pompes et des membranes des osmoseurs, par exemple.
Pour r´duire la quantit´ de solides en suspension l’on peut utiliser la filtration 2 et la
e e
clarification.
En purification de l’eau, on utilise deux mesures diff´rentes de la quantit´ de solides
e e
en suspension dans l’eau ` traiter : le SDI Silt Density Index, et la turbidit´.
a e
SDI
Le SDI (Silt Density Index) est un indice de colmatage. Il est important pour les
applications de filtration tangentielle. Il est d´fini comme ´tant la r´duction moyenne
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sur 15 minutes, en % par minute du d´bit ` travers un filtre 0.45 µm ` une pression
e a a
constante de 2.1 bar. il s’agit d’un param`tre am´ricain (ASTM Standard), cette origine
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est due au fait que les producteurs de membranes d’osmose inverse sont presque tous
am´ricains ou japonais. S’il est impossible de l’obtenir, la turbidit´ peut ˆtre utilis´,
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2
Voir page 27
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26. `
CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU
mais c’est un param`tre moins fiable pour pr´dire le risque d’entartrage des membranes.
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En cas de litige avec le fournisseur de membranes, cela peut ˆtre un probl`me. Un
e e
laboratoire d’analyse devrait ˆtre capable de mesurer le SDI, mais ce n’est pas toujours
e
le cas. Par contre, l’on trouve dans le commerce des kits pour la mesure du SDI. Le SDI
doit imp´rativement ˆtre mesur´ sur place.
e e e
Les valeurs du SDI peuvent ˆtres interpr´t´es comme suit :
e ee
• Inf´rieur ` 3 : pas ` peu d’entartrage de la membrane
e a a
• Entre 3 et 5 : conditions normales d’utilisation
• Sup´rieur ` 5 : entartrage excessif ` pr´voir
e a a e
En pratique, il faut consulter le fournisseur des membranes lors de l’installation de
l‘osmoseur et lui demander quelle est la valeur limite acceptable du SDI pour ses mem-
branes .
Turbidit´
e
En pratique, on peut s’attendre ` un entartrage excessif des membranes si la turbidit´
a e
est sup´rieure ` 1 NTU.
e a
Comptage de particules
Le comptage des particules est cher et rarement n´cessaire. Il est utilis´ seulement
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apr`s une filtration, pour analyser ou comprendre un ph´nom`ne inexpliqu´ .
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2.4.3. Duret´
e
La duret´ est d´finie comme la somme des concentrations des ions Calcium Ca++ et
e e
++
Magn´sium M g
e
il faut ˆtre attentif au fait que la duret´ est g´n´ralement indiqu´e en degr´s, et qu’il
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y a plusieurs degr´s de duret´ diff´rents :
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1◦ Fran¸ais : 10 mg/l comme CaCO3
c
1◦ Allemand : 10 mg/l comme CaCO
1◦ Anglais : 1 mg par gallon anglais comme CaCO3
1◦ US : 1 mg/l comme CaCO3
Pour une fois, nos amis am´ricains sont les plus logiques dans la d´finition des unit´s.
e e e
Le tableau 2.4.3 donne les facteurs de conversion entre ces diff´rentes unit´s.
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2.5. pH, acides et bases
Equilibre chimique de l’eau
H2 O H+ + OH− (2.1)
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27. 2.5. PH, ACIDES ET BASES
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
Tab. 2.2.: Conversion des degr´s de duret´
e e
En fait :
2H2 O H3 O + OH− (2.2)
Ke = [H3 O+ ] × [OH− ] (2.3)
O` Ke est la constante de dissociation de l’eau
u
Ke = 10−14 mol/l ` 25◦ C
a
Nomenclature
H+ : ion hydrog`ne
e
OH− : ion hydroxyde
H3 O+ : ion hydronium
H+ : il s’agit d’un radical, il est peu probable qu’il existe. En fait, ce que l’on trouverait
dans l’eau serait plutˆt l’ion H3 O+ , mais en pratique, on utilise toujours H+ dans les
o
calculs.
Ke a ´t´ nomm´ ainsi pour honorer Mr. Kohrlausch, qui la mesura. Ke varie en
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fonction de la temp´rature.
e
D´finitions :
e
Un acide est un donneur d’ions H+
Une base est un accepteur d’ionsH+
Un acide fort est compl`tement dissoci´ dans l’eau
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Un acide faible est partiellement dissoci´ dans l’eau
e
De mani`re analogue, une bases partiellement dissoci´e sera dite faible, une compl`tement
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dissoci´e forte.
e
Acides et bases faibles
Exemples d’acides :
Acides forts : HCl, HBr
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CHAPITRE 2. INTRODUCTION A LA CHIMIE DE L’EAU
Acides faibles : Acide carbonique H2 CO3 , Sulfurique H2 SO4 (K2 = 0, 012)
L’acide sulfurique est un acide fort quand ` son premier hydrog`ne. C’est le seul acide
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polyprotique fort.
2.6. Oxydo-r´duction
e
Un oxydant est une substance qui peut accepter des ´lectrons. Les oxydant r´agissent
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avec les r´ducteurs. Pour toute oxydation, il y a une r´duction. On parle donc de
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r´actions d’oxydo-r´duction. On distingue les potentiels normaux de chaque substance
e e
et le potentiel r´dox d’une solution.
e
Potentiels normaux : mesur´s avec une concentration de 1 mol/kg d’eau, avec ´lectrode
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du mˆme m´tal, par rapport ` un gaz ` un bar et une ´lectrode de platine
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Potentiel d’une solution : potentiel d’une ´lectrode de platine dans la solution par
e
rapport ` une ´lectrode standard
a e
2.7. Conductivit´ de l’eau
e
L’eau th´orique, sans aucune impuret´, a une conductivit´ faible. Sa r´sistivit´ est de
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18.3 MΩ × cm. La conductivit´ de l’eau est environ proportionnelle ` la concentration
e a
totale de solides dissous.
2.8. Dissolution et pr´cipitation
e
Les diff´rents sels min´raux se dissolvent dans l’eau. Il s’agit d’une r´action en ´quilibre,
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comme par exemple :
NaCl Na+ + Cl− (2.4)
CaSO4 Ca++ + SO−−
4 (2.5)
Na2 SO4 2Na+ + SO−−
4 (2.6)
CaCl2 Ca++ + 2Cl− (2.7)
Si l’on concentre une solution satur´e, l’on cause donc une pr´cipitation.
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