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Science et Ingénierie de l’Environnement Option : Génie de l’Eau et de l’Enviro

Science et Ingénierie de l’Environnement Option : Génie de l’Eau et de l’Environnement Chimie de l’Eau : Caractérisation Pr. Sanaê Kholtei Objectifs Connaissances générales sur : - Le comportement des différents polluants dans l’eau - Les caractéristiques physico-chimiques des eaux - Le choix des paramètres d’analyses pour différents types d’eaux. Chimie de l’eau I- Généralités I.1.Concept environnement On peut aujourd'hui définir l'environnement comme l'ensemble des composants naturels de la planète Terre, comme l'air, l'eau, l'atmosphère, les roches, les végétaux, les animaux, et l'ensemble des phénomènes et interactions s'y déroulant, c'est-à-dire, comme tout ce qui entoure l'Homme et ses activités. Air L’homme Animaux Plantes Eau Sol Composants majeurs de l’environnement Au sens le plus large, à côté de l’environnement naturel, les environnements sociaux et intellectuels en font également partie : dans la suite le concept d’environnement sera utilisé dans un sens restreint. I.2.Le rôle essentiel de la chimie La chimie est essentielle pour assurer le développement durable de notre planète, en intégrant les dimensions socio-économiques et environnementales. Le développement durable devrait être au cœur de toutes les activités de l’industrie. En effet, les produits et les services issus de l’industrie chimique se retrouvent dans quasi toutes nos activités quotidiennes : alimentation, eau potable, habitat, transports, vêtements, communication, loisirs… Près de 90% des produits fabriqués dans le monde incorporent une forme ou l’autre de chimie. I.3. Chimie de l’environnement Parfois on peut entendre le terme de chimie écologique ou d’éco chimie comme synonyme de « chimie de l’environnement ». Avec cette notion d’éco chimie, on dénomme un domaine de recherche interdisciplinaire, qui s’occupe du sort des substances chimiques dans la biosphère : on y inclut aussi l’utilisation de telles substances chimiques et leur influence sur l’environnement, leur transformation à travers les métabolismes, leur décomposition sous des influences environnementales, etc. Océans 1,35.1018m3 97,57% Eau salée Continents 3,36.1016m3 2,43% Eau douce Atmosphère 1,30.1016m3 Glaciers 2,50.1016m3 74,4% Eaux souterraines 8,40.1015m3 25,0% Lacs et rivières 2,00.1014m3 0,3% (dont lac Baïkal : 20% du total) Biosphère 6,00.1011m3 Chapitre I – Les eaux I-Eaux naturelles A- Sources d’eau et cycle de l’eau On retrouve quatre sources principales d’eaux brutes: les eaux de pluies, les eaux de surface, les eaux souterraines et les eaux de mer. Les caractéristiques générales de chacune de ces sources reflètent l’interaction de l’eau et du milieu environnant. Répartition des eaux à la surface de la Terre Répartition des eaux sur les continents Cycle de l’eau B- Classification des eaux d’après leur teneur en minéraux dissous Les composés minéraux présents dans les eaux naturelles ont pour origine des échanges entre l’eau et le sol et entre l’eau et l’atmosphère. Ils résultent aussi du métabolisme des éléments constitutifs de la biomasse aquatique. L’eau peut être subdivisée en diverses catégories d’après la qualité de matières minérales dissoutes : Type d’eau Qualités des minéraux dissous (%massique) Douce 0-0,1 Saumâtre 0,1-1 Salée 1-10 Saumure >10 - Eaux de pluies Les eaux de pluies sont des eaux de bonne qualité pour l’alimentation humaine. Elles sont saturées d’oxygène et d’azote et ne contiennent aucun sel dissous, Comme les sels de magnésium et de calcium; elles sont donc très douces. - Eaux de surfaces Les eaux de surface se répartissent en 3 catégories: eaux de rivière (partie amont), eaux de rivière (partie aval) et eaux de lac. La dureté de toutes les eaux de surface est modérée. ٭eaux de rivière (partie amont) a- turbidité élevée. b- contamination bactérienne faible. c- température froide. d- indice de couleur faible. ٭Eaux de rivière (partie aval) Les eaux y sont donc habituellement de moins bonne qualité et plus difficile à traiter qu’en amont. Les principales caractéristiques de ces eaux sont présentées ci-dessous. a- Contamination bactérienne élevée. b- Contamination organique et inorganique élevée. c- Indice de couleur pouvant être élevé. - Eaux de lac C’est un bassin naturel de décantation dont la période de rétention est longue. Les principales caractéristiques de ces eaux sont: a- turbidité de l’eau faible b- contamination bactérienne peu importante. - Eaux souterraines Les eaux souterraines, enfouies dans le sol, sont habituellement à l’abri de pollution. Les principales caractéristiques des eaux souterraines sont: a-Turbidité faible. b-Contamination bactérienne faible. c-Température constante. d- Indice de couleur faible. e- Débit constant. F- Dureté souvent élevée. g- Concentration élevée de fer et de manganèse. - Eau de mer L’eau de mer contient une concentration massique de minéraux dissous qui avoisine 3,5%. Elles sont caractérisées par leurs concentrations en sels dissous; c’est ce qu’on appelle leur salinité. La salinité de la plupart des eaux de mer varie de 33000 à 37000 mg/l. Environ 75 éléments ont été détectés dans l’eau de mer, mais environ 10 espèces constituent à elles seules plus de 99,9% de masse de la totalité des substances dissoutes. Le tableau1 présente les concentrations des principaux ions qu’on retrouve dans une eau de mer. Ces quantités, valables pour une eau dont la salinité est de 34500mg/l, peuvent être considérées comme les teneurs moyennes des océans. 99,99 34,5 Total 55,04 7,68 0,41 0,19 0,00 0,07 30,69 3,69 1,16 1,10 0,04 18,98 2,65 0,140 0,065 0,0013 0,0260 10,56 1,27 0,40 0,38 0,013 Anions Chlorures Sulfates Bicarbonates Bromures Fluorures Acide borique Cations Sodium Magnésium Calcium Potassium Strontium Quantités totale de matières en solution (%) Salinité (g/l) Types d’ions C – La réactivité dans le milieu aquatique L’eau est le constituant essentiel de la matière vivante (>70% du corps humain et >90% des plantes). Dans les cycles des roches et du milieu vivant, l’eau dissous les roches, précipite les minéraux et transportent des composés chimiques (organiques ou minérales) d’un milieu à un autre. L’eau est considérée donc comme réactif chimique, comme solvant et comme moyen de transport. La composition chimique des eaux naturelles est déterminée par quelques processus importants : C-1- Les processus d’altération Tableau 1 : Concentration des différents ions d’une eau de mer. Le processus d’altération consistent en des réactions de dissolution des roches les plus abondantes (silicates, oxydes, carbonates). (Voir tableau ci-dessous). L’eau de pluie contient du CO2 : CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2HCO3 - C-2- Interaction entre les organismes et l’eau La photosynthèse, P, et le processus de respiration, R, sont schématisés dans l’équation suivante ou de nombreuses substances nutritives sont nécessaires. Photosynthèse : La respiration est l'inverse de la photosynthèse: à partir de l'oxygène libre O2, elle transforme toute matière organique en CO2: 106 CO2 + 16 NO3 - + HPO4 3- + 122H2O + 18H+ + Eléments traces + Energie solaire C106H263O110N16P1 + 138O2 Protoplasme d’algues Le flux d’énergie nécessaire au système est accompagné par le cycle des nutriments et celui des éléments traces. Les substances nutritives sont consommées en surface et sont à nouveau libérées en profondeur. C-3- Le pouvoir tampon dans les eaux naturelles La nature et la teneur des substances chimiques présentes dans l’eau peuvent être expliquées par les processus chimiques à l’interface roche – eau et atmosphère–eau ainsi que les processus biologiques (photosynthèse – respiration). Ainsi les ions Ca2+ et Mg2+ proviennent des carbonates, Na+ et K+des feldspaths et des micas, le sulfate du gypse ou de la pyrite, le phosphate et le fluorure de l’apatite (roche contenant les phosphates, les chlorures, les Si, Cd..). Rq : Les processus de dissolution sont dans une large mesure des réactions acide – base. La composition des mers peut s’interpréter comme le résultat d’un titrage entre les acides des volcans et les bases des roches (silicates, carbonates, oxydes). L’action tampon des sédiments contenant des carbonates et des phosphates rend le pH des océans pratiquement constant et vaut 8,2. Ce pouvoir tampon rend aussi les océans insensibles à l’action des pluies acides, ce qui n’est pas le cas pour les lacs et les nappes phréatiques d’eau douce. La composition des eaux des rivières peut être considérée comme la conséquence de l’influence du CO2 de l’atmosphère sur les minéraux. La composition de l’eau reste remarquablement constante. Le pouvoir tampon est représentatif de la capacité d’un système à maintenir une composition constante. C-3- Réactions d’échanges entre l’atmosphère et l’eau Les gaz et autres substances volatiles sont échangés à l’interface entre l’eau et l’atmosphère. La solubilité des gaz peut être estimée par la loi de Henry. A T cst : [O2(aq)] = KHPO2 KH = constante de Henry (M atm-1). PO2 = la pression partielle de O2 (atm), [O2(aq)] = concentration de O2 (M). Exple : Connaissant la composition du gaz, la pression partielle est calculée. Pour O2 (21% en volume d’une atmosphère sèche), elle se calcule à l’aide de la relation suivante : pO2 = xO2 (PT – w) ; xO2 = rapport moléculaire ou rapport volumique dans le gaz sec (pour l’atmosphère xO2 = 0,21) ; PT = pression totale dans l’atmosphère, w = pression partielle de vapeur d’eau dans l’atmosphère. Tableau3 : Constantes de Henry (25°C) Gaz KH (M.atm-1) CO2 33,8 x 10-3 CH4 1,34 x 10-3 N2 0,642 x 10-3 O2 1,27 x 10-3 C-4- Réactions d’adsorption et de désorption Les substances dissoutes peuvent s’adsorber sur les composantes des sols et les particules solides en suspension et être ensuite désorbées. uploads/Geographie/ chimie-de-l-x27-eau-1-sie8-partie-1-2022-2023.pdf