Introduction au traitement des eaux , généralités sur l'eau

1. Utilisation de l’eau

2. Principales utilisations industrielles de l’eau et sources disponibles

3. Autres Utilisations •Fluide caloporteur : apport ou extraction d'énergie thermique des locaux, des process,... •Production d'électricité par turbinage devapeur. Utilisationdes propriétés chimiques: •Solvant : lavage de récipients, de matières premières, de produits finis, de gaz/fumées... Utilisationde l'énergie mécanique: •Entraînement de machines :turbinage •Transport ou déplacement de matières : pâtes à papier, déchets, récupération de pétrole... •Découpe hyperbare, décalaminage, grenaillage,... Utilisation en tant que matière première: •réponse aux besoins hydriques : arrosage, irrigation, boisson,... •fabrications de jus, boissons, conserves, ... •humidification de l'air, •préparation de solutés en pharmacie, cosmétologie,... et aussi les loisirs... piscines, complexes nautiques, bains,

4. Traitement des Eaux de Process A-Généralités sur l’eau

5. Généralités sur l’eau Il s’agit dans ce chapitre de rappels de notions de base : • L’eau • Les propriétés • le bilan ionique • les impuretés (polluants) • l’équilibre calco-carbonique

6. Généralités • Les organismes vivants sont composés d’eau: • 60 à 70 % pour les êtreshumains • 80 à 90 % pour lesvégétaux Sans eau l’etre humain ne peut survivre au-delà de quelques jours Beaucoup de maladies sont dues à une mauvaise qualitéd’eau. Dans le journal Le Monde du 24 mars1997 : "L'eau pourrait bientôt être plus convoitée que lepétrole" La pénurie d’eau peut constituer le « choc pétrolier » du XXIèmesiècle • Si les gouvernements n’améliorent pas l’exploitation des ressources actuelles pour alimenter une population mondiale qui va augmenter de 2 milliards en 25 ans, des catastrophes seront inévitables.

7. Généralités

8. I-Cycle de l’eau

9. Répartition de l’eau :

10. Bilan global de l’eau douce : 500000 Km3 / an Précipitations dans l’océan 390000 Km3 / an Précipitations sur terre 110000 Km3 / an Evaporation sur terre 70000 Km3 / an Bilan de l’eau utilisable 40000 Km3 / an

11. Disponibilité • Eaux renouvelables 40000 km3 / an • 60% de cette eau est concentrée en 6 pays : Brésil , Russie , Chine , Canada , Indonésie , USA • Les disponibilités sont hétérogènes :

12. Stress hydrique Le stress hydrique : pénurie d'eau, c’est une situation dans laquelle la demande en eau dépasse les ressources disponibles L’agriculture est le principal consommateur d’eau

13. Stress hydrique Selon les N U, près de 3 milliards de personnes devraient avoir à faire face à un stress hydrique d’ici 2025. Carte du  World Resources Institute,=> projections de stress hydrique en 2040  

14. Facteurs de risques =>Dissensions politiques - Eclatement de l’URSS et naissance des Républiques en Asie - Deux peuples, uneterre, un aquifère: L’eau et le conflit Israélo-Palestinien =>Rôle des frontières Iran / Irak / turquie Rio Grande : USA / Mexique) => Perturbations écologiques (barrages, diversions) => Niveau de développement Un pays développé peut avoir recours à différentes options Un pays en voie de Développement a des exigences plus importantes

15. l’eau verte, bleue, et grise, Eau verte : => Existeà l’état de flux dans les écosystèmes naturels, sous forme de nuages, brouillard, pluie, => Existe dans les sols et les plantes. Eau bleue: => Prélevée à partir des stocks ( lacs,lesréservoirs et les aquifers souterrains), => Usage pour les activitéshumaines (agriculture , industrie, usage domestique). Eau grise: Résulte des activités humaines. ( les eaux usées)

16. L’eau virtuelle : • Quantité d’eau nécessaire à la fabrication de biens de consommation : (une production, agricole ou industrielle, ou à un service.) On parle d’eau virtuelle car l’eau consommée ne se retrouve généralement pas dans les produits finis Elle est puisée dans : => l'environnement immédiat (pluie, nappe phréatiques, etc.) => les apports artificiels comme l'irrigation  ou les canalisations d’eau. • Le concept d’eau virtuelle est utilisé pour évaluer l’empreinte environnementale d’un produit, d’un service, des échanges commerciaux entre pays ou d’un mode de vie. • L’intérêt du concept est de montrer l’importance en terme de besoins en eau : - physiologiques : 4 l / j / personne - domestiques 40 à 400 l/ j / personne - alimentaires 2.000 à 4.000 l / j / personne * 1 kg de blé  1 m3 d’eau pour le faire pousser * 1kg de bœuf  13 m3 d’eau pour le produire un T-shirt (250g) ……. ? Une tasse de café ….. ?

17. L’eau virtuelle

18. DISCUSSION 1. Supposons que vous ayez la gestion d’une entreprise publique d'eau faisant face à une pénurie due à la sécheresse. Quelles mesures prendriez-vous en réponse à celle-ci? 2. les exigences humaines en eau peuvent conduire à une offre insuffisante pour maintenir les ressources naturelles comme les terres marécageuses et l'habitat halieutique. Comment repartiriez-vous de façon équilibrée l'eau entre les besoins humains et environnementaux? 3. Croyez-vous que l'accès à l'eau potable soit un droit humain fondamental? 4. Comment est-ce que l’eau devrait être tarifée dans les pays en développement, compte tenu des questions potentiellement conflictuelles d’accès abordable à la ressource, et de conservation de celle-ci?

19. Eaux naturelles

20. Les eaux naturelles Ces impuretés peuvent changer : • Au contact avec l'air : O2 , CO2, pH , Fe , Cl2 • Par activité biologique : composants organiques sont degrades en CO2, CH4, NO2ˉ , NO3ˉ , NH3, H2S, avec ou sans consommationd'oxygene. • Dans le sol : dissolution de roches. • Eau déminéralisée : dissolution de traces dans réservoirs et conduites.

21. Eaux naturelles : tailles des impuretés et modes de traitements

22. La molecule d’eau liaison covalente  les électrons sont partagés entre les deux atomes H et O  L'atome O attire plus fortement les électrons que l'atome H => Distribution asymétrique des charges de la molécule => Molécule dipolaire

23. Comment vont s’unir 2 molécules d’eau Pont hydrogène

24. Molécule d’eau La composition moléculaire est à l’origine des propriétés spécifiques de l’eau Les principales sont : Les états physiques : Solide, liquide, vapeur Ces états sont obtenus avec de faibles ∆T La stabilité et capacité thermique : L’énergie de formation est très élevée (58 kcal/mole) La T° de décomposition > 1200 °C. L’eau est un fluide idéal pour le chauffage et de refroidissement Le pouvoir solvant : Grande faculté de dissoudre la quasi totalité des corps rencontrés(roche, fer…).

25. Propriétés atypiques de l'eau => Température de fusion Au voisinage de 0° Celsius :  l’eau se contracte quand on la chauffe  Elle devient plus fluide quand on la comprime. Ses propriétés chimiques sont exceptionnelles :  (elle est unique pour dissoudre les sels, acides ou bases en les dissociant en ions positifs et négatifs, etc....).

26. Les états de l’eau La polarité permet d'expliquer les caractéristiques thermiques élevées :  la dissymétrie électrique crée une liaison entre : * les régions chargées positivement (près des atomes d'hydrogène) * les régions chargées négativement (près de l'atome d'oxygène) . Cette liaison est appelée pont hydrogène => L'énergie de cette liaison est élevée . Elle explique de nombreuses particularités de l'eau : * Sa grande capacité calorifique : pour élever la T° de l'eau il faut briser ces "ponts" et donc fournir une quantité d'énergie proportionnelle. Liquide Solide Gaz

27. Diagramme de changement d’état Pente négative  c’est la raison pour laquelle le ski est possible. La glace est un solide, les skis sont également des matériaux solides  Enprincipe deux solides ne glissent pas l’un sur l’autre. Si le ski est possible, c’est parce qu’une fine pellicule d’eau se forme entre la neige et les skis, c’est la pression du ski qui liquéfie la neige.

28. Liaison hydrogène Un cas particulier d’interaction dipôle-dipôle. C’est la plus forte des liaisons intermoléculaires. Elle se manifeste uniquement entre : - Une molécule qui comporte un atome d’hydrogène lié à un atome très électronégatif - Un autre atome, possédant un doublet libre :

29. Liaison hydrogène 1) Un 1er atome électronégatif (l’oxygène) est lié à l‘Hydrogène par une liaison covalente polarisée  formation du groupe donneur X-H dans le cas de l’eau O - H 2) Un second atome électronégatif ( fraction de charge négative )  (groupe accepteur de liaison hydrogène). La liaison est électrostatique de type dipôle-dipôle.  L‘ Hydrogène porte une fraction de charge plus localisée qui interagit fortement avec le dipôle de l’atome accepteur

30. Qu'est-ce que l'eau ? H₂O (molécules + plus impuretés ) => Les matières insolubles : - Minérales - Organiques - Colloïdes - Micro organismes => Les matières solubles : - Minérales - organiques => Les gaz  Il faut les connaitre à fond pour : - maitriser leurs conséquences directes - concevoir des systèmes de traitement appropriés - exploiter au mieux les propriétés remarquables de ce fluide

31. Matières insolubles Matières organiques :  décomposition des végétaux et rejets industriels. Matières colloïdales en suspension :  huiles minérales, suies, argile  Invisibles à l’oeil nu,  Ont en surface des charges électriques => effet de répulsion => maintien en suspension.  Pour les éliminer => nécessité de : neutraliser leur charges les regrouper en particules plus grosses (floculation).  Organismes vivants : champignons, algues, bactéries…

32. Matières dissoutes et gazeuses 1- Matières dissoutes: • L’ensemble des corps peuvent se dissoudre dans l’eau.  En fonction du seuil de solubilité, de la T° et de la pression du milieu.  Au-delà du seuil de solubilité => précipités . • Pour les sels minéraux (sulfates, chlorures, oxydes…) :  Dissociation du sel sous forme d’ions chargés électriquement. La nature et la concentration des éléments composant l’eau sont à l’origine des problèmes rencontrés tel que l’entartrage et la corrosion. Il est donc nécessaire d’établir des regroupements d’éléments sous forme de titres en vue de permettre une interprétation pratique des analyses d’eau. 2- Matières gazeuses : - l’azote N2 - l’oxygène O2 - le gaz carbonique CO2 Présentes sous deux formes : - libre en tant que gaz dans l’eau - dissout  solubilité : fonction de la T° et la pression du milieu.  Elle augmente avec la pression et diminue avec la température

33. Acquisition de la minéralisation d’une eau La minéralisation : la quantité et la nature des éléments solubilisés. L’analyse qualitative et quantitative de ces éléments révèle : => Les propriétés chimiques => Les modifications des propriétés physico-chimiques sous l’effet du lessivage des roches (érosion), Les éléments fondamentaux => Toujours présents dans une eau naturelle dans les sols ou encore dans l’atmosphère proton (H+), hydroxide (OH-), calcium (Ca2+), bicarbonate (HCO3 ), carbonate (CO3 ).  => Ils sont en relation les uns avec les autres et provoquent une série de réactions d’équilibres qui font intervenir : * La dissolution du gaz carbonique atmosphérique dans l’eau, * La dissociation de l’eau et la précipitation des carbonates.

34. Acquisition de la minéralisation d’une eau Les éléments caractéristiques : - magnésium (Mg2+), - sodium (Na+), - potassium (K+), - chlorure (Cl-), - sulfates et nitrates..

35. Minéralisation Roches alumino-silicatées (granite,basalte): minéralisation faible; Volvic: concentrations plus fortes de Si02, K+ eaux issues du basalte, plus altérable que le granite. Roches sédimentaires: minéralisation plusforte; Evian: Ca, Mg et HCO3- dominent: dissolution des carbonates(CaCO3, CaMgCO3) Vittel, Contrex: minéralisation très forte dûe à SO4– et Ca++: disssolutiondu gypse (CaSO4, 2H2O) en plus des calcaires

36. Regroupements des ions : Exemple

37. Les ions majeurs et classification des impuretés: Cations Anions Calcium Ca⁺⁺ Bicarbonates HCO₃⁻ Magnésium Mg⁺⁺ Sulfate SO₄⁻⁻ Sodium Na⁺ Nitrate NO₃⁻ Potassium K⁺ Chlorures Cl⁻ Fluore F⁻ impuretés primaires: Bicarbonate HCO₃⁻⁻ Calcium Ca++ Chlorure Cl⁻ Magnésium Mg++ Silice SiO2 Sodium Na+ Sulfate SO₄⁻⁻ Eléments en trace : Cd , Cr , Cb , Hg, Ni , Ti …

38. Autre représentation de la minéralisation

39. traitement des eaux de procédés On a besoin de savoir entre autre : La Concentration des ions Le pH (potentiel hydrogène),  Le TH (Titre Hydrotimétrique) ou dureté de l'eau , TA et le TAC (Titre alcalimétrique et titre alcalimétrique complet) La conductivité Turbidité SDI (matières en suspension) Potentiel Redox Cp , ρ, Tension superficielle ,Enthalpie , solubilité

40. Unités de mesure Les (MES) Le potentiel hydrogène La turbidité La conductivité La concentration les titres alcalimétriques TA , TAC Le titre hydrotimétrique TH,etc…

41. Les matières en suspension  C’est l’ensemble des particules minérales et/ou organiques présentes dans une eau naturelle.  Ce sont les particules de sable, de terre et de sédiments arrachées par l’érosion,  Elles correspondent à la concentration non dissoute de matières en suspension  Elles favorisent la réduction de la luminosité  Elles s’obtiennent : * soit par filtration des effluents peu chargées * soit par centrifugation des solutions puis séchage jusqu’à obtenir un résidu sec. La concentration de MES est donnée par le rapport entre la différence des masses avant et après filtration rapportée au volume filtré : CMES ( mg/l ) = ( M1 - M0 ) / V

42. Turbidité • La mesure de la turbidité permet de préciser les informations visuelles sur l'eau. • La turbidité traduit la présence de particules en suspension dans l'eau (débris organiques, argiles, organismes microscopiques…). • On mesure la turbidité en unités de turbidité néphélométriques (NTU) à l’aide d’un turbidimètre. Cet instrument envoie un rayon de lumière à travers un échantillon d’eau et mesure la quantité de lumière qui passe à travers l’eau par rapport à la quantité de lumière qui est réfléchie par les particules dans l’eau

43. Potentiel H L'eau est en partie dissociée : H2O == H+ + OH pH = - log [H+] • Ke = [H3O+] [OH-] = 10ˉ14 mol / l à 25C Ke est la cte de dissociation de l'eau pH influence la limite de solubilité de de divers minéraux dans l'eau. une eau acide  risques de corrosion une eau basique  risques de précipitations • Attention, :  l’échelle pH est logarithmique. Un pH de 4 est 10 fois plus acide qu’un pH de 5 et 100 fois plus qu’un pH de 6 !  le pH diminue lorsque la T° augmente. °C 0 18 50 100 200 pH 7,45 7,0 6,61 6,07 5,7

44. Conductivité • Propriété liée => à la concentration => à la charge et types d’ ions dans l’eau, • L’eau à l’état pur possède une très faible conductivité ; => Ce sont les ions qui transportent le courant électrique. La conductivité électrique d’une solution dépend donc :  de la nature des éléments dissous,  de leur concentration  de la température de la solution. • La mesure directe de la conductivité au moment de l’échantillonnage permet de donner une approche rapide sur la minéralisation totale de l’eau, mais ne donne pas d’indications sur les quantités relatives aux différents composants.

45. Conductivité • C’est une expression de concentration globale en ions dissous.  Plus la minéralisation de l’eau est élevée, plus la concentration en ions dissous est élevée et plus la conductivité électrique est grande. Exemples :

46. conductivité de différentes eaux en µS / cm * Eau relativement pure : 0,36 * Eau faiblement chargée : 20 * Eau moyennement chargée (robinet) : 450 * Eau minérale chargée : 2 000 * Eau hydrothermale : 10 000 * Eau de mer : 50 000 - 60000 => Il est possible d’évaluer la minéralisation d’une eau au moyen de la mesure de sa conductivité en appliquant la formule suivante Minéralisation (mg/l) = 0.7 x Conductivité à 20°C ( µS.cm-1)

47. Unités de concentration Unité la plus courante : mg/l , ppm. Autres unités : Mol / L , eq / L • L’équivalent : Un sel est un ensemble électriquement neutre :  les charges positives neutralisent les charges négatives.  Le nombre de charges (+ ou - ) correspond à la valence du corps. Les réactions chimiques respectent cette neutralité électrique.  l’EQUIVALENT est la masse d’un corps mettant en œuvre une seule charge positive et une seule charge négative. Équivalent = masse molaire / valence Exemple : 1 équivalent NaCl = ( 23 g + 35,5 g ) / 1 = 58,5 g 1 -------------- CaCO3 ? 1 -------------- Al(OH)3 ?

48. Unités de concentration : l’équivalent équilibre des charges • Exemple du CaCl2 (bivalent)  1éq/l CaCl2 = 111/2 = 55,5 g/l

49. Expressions de concentrations Milliéquivalent par litre : meq/L Les masses de sels dissoutes dans l’eau sont très faibles,  On utilise le plus souvent Le milliéquivalent par litre Exemple : 1 meq/L de NaCl = 58,5 mg/L 1 meq = 1 milimole/ valence • Ions Monovalents  1 mEq Na+ = 1mmol Na + 1 mEq HCO3 = 1mmol HCO3+ • Ions Bivalents  1 mEq Ca2⁺ = ½ mmol Ca2⁺ 1 mEq Mg2⁺ = ½ mmol Mg2⁺

50. Exercise- 1 On a contrôlé une eau au laboratoire , les concentrations des principaux ions présents sont les suivantes : Ca2+ : 40,0 mg/L HCO3- : 183,0 mg/L Mg2+ : 24,2 mg/L Cl- : 6,7 mg/L Na+ : 9,2 mg/L SO42- : 57,1 mg/L Quelles sont les expressions de ces concentrations en équivalents de CaCO3 ?