Chimie: Traitement d'une eau

1. Tendence d'une eau

Une eau est soit entartrante soit corrosive. L'indice de langelire permet de spécifier cette tentence. Cet indice s'ecrit:
I = pH - pH_s
pH est mesuré et pH_s est déterminé graphiquement.
Si I est positif → l'esu est entartrante. Si I est négatif → l'eau est corrosive. Si I est nulle, l'eau n'est pas entartrante et n'est pas corrosive.

En effet, l’équilibre relatif au carbonate de calcium appelé l'équilibre calco-carbonique:
Ca²⁺(aq) + 2 HCO₃^- (aq) ↔ CaCO₃(s) + CO₂ (g) + H₂O (l)

peut se déplacer à gauche, favorisant les réactions de dissolution du carbonate de calcium CaCO₃ (dit calcaire) lorsque l’eau est sous saturée en CaCO3. Dans ce cas l'eau est douce et peu alcaline; elle est dite agressive ou corrosive.

Cet équilibre peut aussi se déplacer à droite favorisant la précipitation du carbonate de calcium. Ici, l'eau est saturée en CaCO3, dure et alcaline, et est appelé entartrante (le tartre protège les coduite d'eau).

La méthode graphique permettant de déterminer la valeur du pH_s de saturation utilise le nomogramme de Hoover Riehl :
La salinité totale (RSF: Résidu Sec Filtrable) (1) et la température (2) définissent le point (3). Le point pivot (4) est défini en joignant le point (3) au point représentant la dureté calcique (5). Le pHs est ensuite défini par la droite joignant (4) à l’alcalinité (6).
Exemple:
RSF = 210 mg/L à 10 ^oC, avec une une dureté calcique de 100 mg/L et une alcalinité totale de 100 mg/L CaCO₃ , donne un pH_s de 7.8.

2. Clarification

Clarifier une eau, c'est éliminer ses MES et ses MC. Les MES (Matières (ou Masses) En Suspension) sont des particules de taille 1 mm - 1 µm, décantables, visibles à l'oeil nu et retenues par les filtres. Les MC (Matières Colloidales) sont des particules de taille 1 µm - 1 nm non décantables, visibles au microscope et non retenues par les filtres.

En d'autres termes, la clarification consiste en la décantation accélérée par des additifs chimiques. Elle comprend trois étapes: la coagulation, la floculation, et la décantation.

* La coagulation consiste en neutraliser les particules colloidales de charges négatives et les ramasser en des petits blocs appelés microflocs. On utilise pour ce procédé des additifs comme le sulfate d'alluminium Al₂(SO₄)₃ appelé Alun et le sulfate ferrique Fe₂(SO₄)₃.

* La floculation consiste à rendre les microflocs des macroflocs décantables, sorte de polymères comme le polyacrylamide [CH₂ CH CO NH₂]_n.

* la décantation utilise la gravité pour faire précipiter les particules.

3. Adoucissement à la chaux

Adoucir une eau à la chaux, c'est reduire ses ions Ca²⁺, Mg²⁺et HCO₃^-, c'est à dire réduire sa dureté totale en reduisant son alcalinité ou sa dureté temporaire.

Le principe c'est d'ajouter l'hydroxyde de calcium, appelé chaux à l'eau qui réagiront avec le bicarbonate de calcium et le bicarbonate de magnésium:

Ca(HCO₃)₂ (aq) + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ (s) + 2H₂O
Mg(HCO₃)₂ (aq) + 2 Ca(OH)₂ → 2CaCO₃ (s) + Mg(OH)₂ (s) + 2H₂O


L'expérience montre que:
* La quantité de chaux nécessaire est fonction de l'alcalinité totale et de la dureté magnésienne:
Ca(OH)₂ (mg/L) = 0.74 [Alc T (mg/L CaCO₃) + Mg²⁺ (mg/L CaCO₃)]
* Son controle de qualité est fonction de l'alcalinité P et T:
2P - T = 10 (mg/L CaCO₃)

Après une clarification (coagulation, floculation et décantation) et un traitement à la chaux on peut filtrer l'eau dans le but d'éliminer les MES (masses en suspention) résiduelles; en utilisant un sable de silice ou une anthracide.

4. Déminéralisation d'une eau

Il existe un autre adoucissement, c'est l'adoucissement sur résine (zéolite), qui consiste à réduire d'avantage la dureté d'une eau jusqu'à 0.5 ppm CaCO₃. On passe l'eau à travers une résine cationique de type ZNa₂ qui élimine tous les cations, et génère des ions Na⁺ (qui ne sont pas entartrants) en présence des anions:
Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^- → [ZNa₂] → Na⁺, HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-

La résine ZNa₂ agi de la façon suivante:

Ca²⁺ + ZNa₂ → ZCa + 2 Na⁺

La déminéralisation d'une eau se fait en deux étapes. La faire passer à travers une résine cationique pour éliminer tous cations (Ca²⁺ Mg²⁺) et ensuite à travers une résine anionique pour éliminer tous lea anions (HCO₃^-, SO₄^{2 -} et Cl ^-).

Une résine cationique du type ZH₂ élimine tous les cations sauf les H⁺, une résine anionique du type Z(OH)₂ élimine tous les anions sauf les (OH)^-. Une combinaison des deux élimine donc tous les ions en formant de l'eau:

ZH₂ + Ca²⁺ → ZCa + 2H⁺
Z(OH)₂ + 2 Cl^- → ZCl₂ + 2(OH)^-
2H⁺ + 2(OH)^- → H₂O

Ce méchanisme est appelé échange ionique. Une eau ainsi déminéralisée est faiblement conductrice (κ: de 5 à 20 µS/cm) est pratiquement neutre (pH de 7 à 9). Une résine cationique possède un groupement fonctionnel SO₃^-, tandis qu'une résine anionique possède un groupement fonctionnel amine NR₃⁺.

5. Autres traitements d'une eau

Une chloration d'eau consiste à ajouter à l'eau du chlore, de l'hpochlorite de sodium NaCLO ou de calcium Ca(ClO)₂.
Un conditionnement consiste en des ajouts d'agents chimiques dans le but de contrer les effets résiduels sur l'entartrage et la corrosion.

Pour contrer l'entartrage, on ajoute du phospahte de sodium Na₃PO₄. Une fois dissous, les ions PO₄^3- se combinent avec les cations Ca²⁺ et Mg²⁺ pour former un précipité boueux éliminable par des purges.

En ce qui est de la corrosion, on élimine l'oxygène et le dioxyde de carbone. On utilise deux additifs pour l'oxygène: le sulfate de sodium Na₂SO₃ et l'hydrazyne NH₂-NH₂ qui réagissent respectivement de la façon suivante:

Na₂SO₃ + (1/2)O₂ → Na₂SO₄
NH₂-NH₂ + (1/2)O₂ → N₂ + 2H₂O

Pour le dioxyde de carbone, on ajoute une amoniaque NH₄OH ou une amine filmante. La première neutralise H₂CO₃, la seconde forme un film protecteur sur l'interface métal-eau.

Le dégazage consiste ne chauffer l'eau pour permettre au gaz de s'évaporer puisqu'il moins soluble à haute température.