• Traitement de l’eau brute pour la rendre potable


    En France , l’eau est prélevée pour les deux tiers dans les nappes d’eau souterraines. Ces nappes
    résultent de l’infiltration des eaux de pluie dans le sol puis de leur circulation dans le sous-sol, à
    travers une roche poreuse ou fissurée.
    Le tiers restant provient des eaux qui s’écoulent à la surface du sol - appelées eaux superficielles ou
    eaux de surface - telles les rivières et les fleuves.
    Ainsi, les captages sont majoritairement réalisés dans les nappes souterraines. Ces dernières, en
    effet, présentent des avantages indéniables : leur eau, épurée par le sol, est généralement de bonne
    qualité et moins vulnérable aux pollutions. A l’inverse, les eaux superficielles sont exposées à tous les types de pollutions et de disponibilité variable selon les saisons. 

    Cependant l'eau brute captée en milieu naturel n'est pas toujours potable. Elle doit alors être
    acheminée par des canalisations jusqu'à une usine spécialisée dans le traitement de l'eau, qui la rend
    "potable" c'est à dire consommable sans risque.

    Protéger la santé
    A partir des recommandations émises par l'Organisation Mondiale de la Santé (OMS), des
    réglementations nationales et internationales ont été mises en place afin d'éviter la présence de
    micro-organismes et de substances chimiques indésirables dans l'eau potable.

    Les étapes de la production d'eau potable
    L’eau brute subit donc plusieurs traitements :
    Dégrillage et tamisage : L'eau est d'abord filtrée à travers une grille afin d'arrêter les plus gros
    déchets, puis elle passe dans des tamis à mailles fines retenant des déchets plus petits.
    Clarification : elle permet de rendre l'eau limpide en la débarrassant des petites matières en
    suspension qu'elle contient.

    Floculation/coagulation et décantation : Un produit chimique (chlorure de fer ou sulfate
    d’aluminium) est ajouté à l'eau qui provoque le regroupement (agglomération )des particules
    encore présentes (poussières, particules de terre, etc.). en flocons. Ceux-ci s'agglomèrent et se
    déposent au fond du bassin par décantation.
    90 % des matières en suspension (MES) sont ainsi éliminées.

    Filtration :
    Pour éliminer les 10 % de MES restantes, l'eau traverse un filtre, lit de sable fin et/ou un filtre à
    charbon actif. La filtration sur sable élimine les matières encore visibles à l'oeil nu.
    Les filtres à charbon actif retiennent en plus les micro-polluants, comme les pesticides et leurs sous produits

    , les composés à l’origine des goûts et des odeurs (cette filtration peut avoir lieu après la
    désinfection également car ils retiennent également des sous-produits de désinfection)
    Il existe des procédés de filtration encore plus poussés comme la filtration sur membranes.
    Désinfection : c'est la dernière étape : elle élimine tous les micro-organismes qui pourraient être
    dangereux pour notre santé.

    Ozonation : L'eau est désinfectée grâce à l'ozone, qui a une action bactéricide et antivirus. Ce gaz,
    mélangé à l'eau, agit aussi sur les matières organiques en les cassant en morceaux. Il améliore
    également la couleur et la saveur de l'eau.
    Chloration. Du chlore est ajouté à la sortie de l'usine de production et sur différents points du réseau
    de distribution afin d'éviter le développement de bactéries et de maintenir la qualité de l'eau tout au
    long de son parcours dans les canalisations.

    Traitement des eaux usées
    Les stations d’épuration sont tenues de traiter l’eau afin que lors de sa restitution dans le milieu
    naturel (rivière, fleuve,…) la qualité de l’eau respecte un cahier des charges (JO de la RF: arrêté 2
    février 1998 ) en termes de MES, pH, DCO, DBO, azote, métaux , etc…
    Dans les stations, les traitements varient selon la nature des eaux usées et de la sensibilité à la
    pollution du milieu récepteur. Ils nécessitent des étapes successives faisant appel à des procédés
    physiques, chimiques, physico-chimiques et biologiques.

    Les principales étapes :
    Le dégrillage : à l’arrivée dans la station, les eaux usées passent à travers des grilles qui retiennent les
    déchets solides les plus grossiers (papiers, matières plastiques…). Il s’agit d’une simple étape de
    séparation physique.

    Le dessablage : il permet d’ôter le sable et les graviers des eaux usées, qui se déposent au fond d’un
    bassin où ils sont récupérés
    Le déshuilage et dégraissage : l’injection de bulles d’air permet de faire remonter les huiles et les
    graisses en surface d’où elles sont éliminées
    La floculation/décantation : ce traitement physico-chimique permet d’éliminer une forte proportion
    des matières en suspension.
    Le traitement biologique : le coeur du traitement consiste à faire dégrader les matières organiques
    dissoutes par des bactéries naturellement présentes dans ces eaux. Des dispositifs d’aération
    permettent d’insuffler de l’oxygène aux bactéries qui se développent en se nourrissant des matières
    organiques.

    Quelques exemples de techniques de traitement biologique :

    Les boues activées : ce procédé imite l’épuration naturelle observée dans les cours d’eau, en
    l’intensifiant : l’eau, dans laquelle on insuffle de l‘air, est brassée pour faire se multiplier rapidement
    les microorganismes épurateurs, qui évoluent librement dans les eaux sales. Les bactéries ainsi
    sollicitées sont ensuite séparées de l’eau par décantation.

    Le lagunage : ce procédé, plus rustique, revient à laisser faire la nature, en exposant les eaux usées à
    la lumière du soleil dans une série de bassins de faible profondeur. Les microalgues vivant dans ces
    eaux s’y développent. Elles dégagent ainsi de l’oxygène qui, ajouté à celui qui s’échange entre l’air et
    l’eau permet aux bactéries épuratrices de vite se reproduire.

    Les biofiltres : ce procédé s’inspire de l’épuration naturelle opérée par les sols : l’eau usée passe à
    travers une couche formée de petites billes sur lesquelles les microorganismes épuratoires de cette
    eau affectionnent de se fixer. Le système est aéré artificiellement
    La clarification : elle permet de séparer par décantation l’eau des bactéries qui forment des boues.
    Les eaux clarifiées sont acheminées vers une canalisation de sortie tandis que les boues sont
    évacuées vers la filière de traitement des boues.

    L’eau qui sort d’une station de traitement des eaux usées n’est pas potable car elle contient encore
    des polluants et une charge microbienne résiduelle de faible concentration, que le milieu récepteur
    est en mesure de traiter naturellement.
    Bibliographie :
    Arrêté du 2 février 1998 dans le Journal Officiel de la république Française publié le 3 mars 1998.
    Site de l’observatoire national des services d’eau et d’assainissement
    Dossier CNRS sur l’eau
    http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doseau/decouv/potable/traitEau.html
    Présentation sur le traitement pour eau potable de l'École des Ponts Paris Tech (ENPC)
    http://www.enpc.fr/cereve/HomePages/thevenot/Eau-Potable-Traitement-2005.pdf
    Dossiers de l’Agence de l’ eau Rhône Méditerranée Corse
    http://www.eaurmc.fr/espace-dinformation/brochures-dinformation/scolaires.html
    Site Eduscol Culture Sciences Chimie :http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiersdossierstransversaux-
    eau-DosTransversalEau.html
    Adoucissement et déminéralisation de l’eau : résines échangeuses d’ions

    Pourquoi adoucir l’eau ?
    Une eau dure est une eau riche en ions calcium (Ca2+) et / ou magnésium (Mg2+). Elle ne présente
    aucun danger pour la santé et peut donc être consommée en tant qu’eau de boisson.
    Mais elle peut être à l’origine de certains inconvénients tels que l’entartrage (dépôt de carbonate de
    calcium CaCO3 ou de carbonate de magnésium MgCO3) des appareils dans lesquels l’eau est chauffée
    (lave-linge, lave-vaisselle…) ou de traces sur des surfaces lavées (baignoires, lavabos, robinetterie).
    Utilisée lors de la toilette, elle peut être responsable d’une certaine sécheresse de la peau et des
    cheveux. D’autre part, le savon donne, en présence d’une eau dure, un précipité de carboxylate de
    calcium (R-COO)2Ca et/ou de magnésium (R-COO)2Mg, donc son pouvoir détergent sera réduit et le
    dépôt de ces précipités sur les textiles lors de la lessive rend le linge rêche.
    La dureté d’une eau se mesure en degré hydrotimétrique (°TH) : 1°TH = 10 - 4 mol.L-1 de Ca2+ et/ou
    Mg2+
    Une eau est qualifiée de « douce » si son degré hydrotimétrique est inférieur à 15 ; elle est dite «
    dure » si son °TH est supérieur à 30.
    La dureté moyenne de l'eau du réseau public français est de 45°TH
    Principe du dosage basé sur la formation de complexes stables entre Ca2+ et/ou Mg2+ et l'EDTA (YH4) ou son
    sel disodique 
    (YH2
    2- + 2 Na+) :
    YH2
    2- + Ca2+ = CaY2- + 2 H+
    La fin du dosage est repérée par colorimétrie avec comme indicateur le Noir d'Eriochrome T (NET)
    de couleur "lie de vin" en présence de Ca2+ (ou Mg2+) libres , et qui reprend sa teinte bleue lorsque
    Ca2+ puis Mg2+ sont tous complexés par l'EDTA.
    Les réactions de complexation avec l’EDTA et la couleur du NET sont sensibles au pH.
    Le dosage s'effectue à 9 ≤ pH ≤10 (tampon NH4
    +/NH3). De plus à ce pH, on évite les précipitations de
    Ca(OH)2 et Mg(OH)2

    Les résines échangeuses d’ions
    Constitution
    De nombreux adoucisseurs contiennent des résines échangeuses d’ions, et plus précisément des
    résines échangeuses de cations (ou cationiques). Une résine échangeuse d’ions est un solide
    insoluble, qui, au contact d’une solution, peut échanger les ions qu’il contient avec d’autres ions de
    même signe provenant de la solution.
    Le développement des polymères synthétiques, stables aussi bien vis-à-vis des acides et des bases
    que des oxydants et des réducteurs, a suscité l’apparition d’échangeurs d’ions artificiels de nature
    organique. Ils sont constitués d’un réseau macromoléculaire sur lequel sont fixés un très grand
    nombre de groupements actifs ionisables ; ces groupements portant des charges électriques,
    retiennent à leur voisinage, par attraction électrostatique, les ions de charges antagonistes qui sont
    susceptibles d’être échangés. Les résines les plus courantes sont un copolymère tridimensionnel
    formé de styrène et de divinylbenzène (cas des résines Amberlite IR-120 et IRA-400).
    La vitesse des échanges doit être aussi rapide que possible, la résine doit donc être finement divisée
    afin de présenter une grande surface de contact avec la solution ; c’est sous forme de perles très
    fines que la plupart des échangeurs d’ions sont généralement utilisés.
    Le groupe ionique est introduit dans les résines en général après polymérisation, en substituant un
    atome de carbone du noyau benzénique.

    On distingue les résines cationiques pouvant échanger des cations et les résines anioniques
    échangeant des anions. Dans les résines cationiques, le groupement actif est un anion de type
    sulfonate, phosphate ou carboxylate :
    R-SO3
    - R-PO3
    2- R-CO2
    - (R symbolise la résine)
    Les résines anioniques sont constituées de groupements ammonium quaternaire :
    R-N(CH3)3
    +
    Mécanisme de l’échange
    Lorsqu’on plonge une résine gorgée d’eau dans une solution contenant des ions, ceux-ci traversent
    les mailles du réseau et diffusent jusqu’aux centres actifs ; par suite une quantité équivalente d’ions
    fixés initialement sur la résine passent dans la solution ; nous pouvons représenter ce phénomène
    réversible, dans le cas d’une résine cationique sous forme acide et d’une solution de chlorure de
    sodium (par exemple) par l’équation :
    (R-SO3
    -, H+ ) + Na+ = ( R-SO3
    -, Na+ ) + H+
    Résine Solution Résine Solution
    Ou dans le cas d’une résine cationique sous forme sodique et d’une eau dure contenant des ions
    calcium sodium :

    2(R-SO3
    -, Na + ) + Ca2+ = ( 2R-SO3
    -, Ca2+ ) + 2 Na+

    Résine Solution Résine Solution
    La constante d’équilibre associée à l’équation de la réaction d’échange , à une température donnée
    est élevée (supérieure à 104), on peut donc considérer que la réaction est totale, si bien que les ions
    Na+ sont remplacés quantitativement par des ions H+ dans la solution dans le premier cas et les ions
    Ca2+ sont remplacés quantitativement par des Na+ dans le deuxième cas. Les ions sodium,
    contrairement aux ions calcium et magnésium, ne provoquent pas l’entartrage des canalisations.
    Régénération d’une résine
    L’ion initialement présent dans la résine et qui a été échangé, peut être à nouveau fixé dans la résine
    en utilisant une solution concentrée de cet ion, ce qui a pour conséquence d’inverser le sens de
    l’équilibre d’échange. Par exemple, si l’on veut régénérer une résine cationique initialement sous
    forme sodique ayant fixé des ions calcium, on plongera la résine dans une solution aqueuse saturée
    en chlorure de sodium:
    (2 R-SO3
    -, Ca2+) + 2Na+ = 2(R-SO3
    -, Na+) + Ca2+
    Résine Solution Résine Solution
    2(R-SO3
    -, Na + ) + Ca2+ = ( 2R-SO3
    -, Ca2+ ) + 2 Na+ (2 R-SO3
    -, Ca2+) + 2Na+ = 2(R-SO3
    -, Na+) + Ca2+
    Les adoucisseurs d’eau domestiques
    L’adoucissement d’une eau consiste à remplacer ses cations Ca2+ et Mg2+ par des ions sodium Na+ :
    Le principal inconvénient de l’adoucisseur est l’enrichissement de l’eau en sodium surtout pour celle
    qui en contient déjà naturellement en quantité notable. De telles eaux adoucies peuvent nuire aux
    personnes souffrant d’hypertension, de problèmes cardiaques, aux femmes enceintes, aux
    nourrissons et à toutes les personnes soumises à un régime sans sel.
    D’autre part, une eau contenant trop d’ions sodium peut accroître la corrosion de la tuyauterie
    domestique.
    Il est donc fortement conseillé de n’adoucir que les circuits alimentant les équipements où l’eau est
    chauffée (salle de bains, chauffe-eau, lave-linge, lave-vaisselle), et de consommer en tant qu’eau de
    boisson de l’eau non adoucie.
    publicité pour un adoucisseur d’eau domestique
    Déminéralisation d’une eau minérale sur résine échangeuse d’ions
    L’eau du robinet contient des ions tels que Ca2+, Mg2+, Na+, Cl-, HCO3
    -…
    Déminéraliser une eau consiste à supprimer ces ions (cations et anions ) en les fixant sur des résines
    On passe l'eau sur une première résine sous forme acide qui cède alors des ions H+ et fixe les cations
    Par exemple :
    (R-SO3
    -, H+) + Na+
    = (R-SO3
    -, Na+) + H+
    Résine Solution Résine Solution
    2(R-SO3
    -, H+) + Ca2+
    = (2 R-SO3
    -, Ca2+) + 2H+
    Résine Solution Résine Solution
    Puis l’eau passe sur une résine sous forme basique qui cède alors des ions HO- et fixe les anions :
    Par exemple :
    ( R-N(CH3)3
    +, HO-) + Cl - = ( R-N(CH3)3
    +, Cl -) + HO Résine

    Solution Résine Solution
    Les ions HO- cédés par la deuxième résine réagissent avec les ions H+ cédés par la première selon :
    HO- + H + = H2O
    Il se forme de l’eau !
    Et comme l’eau initiale est neutre, il y a autant de charges + que de charges – dans cette eau, donc
    les résines ont relargué autant de HO- que de H+ . Il y a donc neutralisation.
    En fait seule l'eau déminéralisée venant juste d'être produite possède une acidité d'environ 7, mais
    affecté par la présence de dioxyde de carbone dans l’air, elle atteindra un pH légèrement acide
    (environ 5,8) en deux heures environ selon :
    H2O + CO2 = H2CO3 (acide carbonique)
    H2CO3 + H2O = H30+ + HCO3

    - (ion hydrogénocarbonate)
    Remarque : on peut aussi déminéraliser ou déioniser l’eau par le procédé d’osmose inverse. Cette
    technique consiste à utiliser une membrane semi-perméable qui laisse passer les molécules d’eau
    mais pas la plupart des corps dissous (ions ou molécules organiques). En exerçant dans le
    compartiment de l’eau à traiter une pression assez forte (supérieure à la pression osmotique), on
    force l'eau à traverser la membrane.
    L'osmose inverse est un procédé industriel efficace de dessalement. Avec une pression de 50 à 80
    bars, environ 70% de l'eau d'une eau de mer peut être extraite, le sel se retrouvant concentré dans
    les 30% restant.

    Bibliographie
    http://www.olympiades-chimie.fr/documentation_habitat/docresin.doc
    http://www.lenntech.fr
    http://fr.wikipedia.org/wiki/Osmose_inverse
    http://www.apesa.fr/iso_album/resines_echangeuses_ions.pdf




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