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CHIMIE DE L’EAU « A l'échelle cosmique, l'eau est plus rare que l'or. » Hubert

CHIMIE DE L’EAU « A l'échelle cosmique, l'eau est plus rare que l'or. » Hubert Reeves LP GASTE Département Chimie-Sète 2 SOMMAIRE 1 Généralités 7 1.1 H2O 8 1.2 cycle de l’eau 10 1.3 eaux naturelles 17 1.3.1 eaux océaniques 18 1.3.2 eaux continentales 19 1.3.2.1 eaux souterraines 20 1.3.2.2 eaux superficielles 21 3 1.4 les paramètres physico-chimiques de l’eau 23 1.4.1 éléments fondamentaux 24 1.4.1.1 unités utilisées 25 1.4.1.2 pH 27 1.4.1.3 alcalinité TA, TAC 28 1.4.1.4 Titre hydrotimétrique TH 31 1.4.2 éléments caractéristiques 37 1.4.3 éléments métalliques 41 1.4.4 éléments non métalliques et autres substances spécifiques 42 1.4.5 balance ionique 44 4 2 Eau potable 46 2.1 Normes 47 2.2 Stress hydrique 51 2.3 Filières de traitement 55 2.3.1 filière classique 58 2.3.1.1 séparation mécanique 58 2.3.1.2 oxydation – pré-oxydation 59 2.3.1.3 clarification 65 2.3.1.4 désinfection 66 2.3.1.5 affinage 69 5 2.3.2 traitements spécifiques 71 2.3.2.1 déferrisation, démanganisation 71 2.3.2.2 turbidité 75 2.3.2.3 ammoniaque 75 2.3.2.4 nitrates 77 2.3.2.5 neutralisation (équilibre calco-carbonique) 78 2.3.2.6 adoucissement, décarbonatation 92 2.3.3 dessalement de l’eau de mer 96 2.3.3.1 distillation 97 2.3.3.2 osmose inverse 99 2.3.3.3 électrodialyse 102 2.3.3.4 impacts environnementaux 105 Echange d’ions 107 6 GENERALITES H2O • Eau Molécule H2O • à pression atmosphérique, Tfusion = 0° C Tébullition = 100°C • État gazeux, H2O • État solide, structure tétraédrique • État liquide, structure tétraédrique instable • Diagramme d’état de l’eau 8 H2O Les propriétés physiques de l’eau : 9 Particularité Signification environnementale Masse volumique Maximum à 4°C Expansion lors des gelées Stratification saisonnière des masses d’eau (mer et lac) Difficultés lors des gelées Point de fusion et d’ébullition Exceptionnellement élevés Possibilité d’eau sous forme liquide sur Terre Capacité calorifique La plus élevée de tous les fluides Eau fluide caloporteur Rôle de volant thermique des océans (inertie thermique) Chaleur d’évaporation Extrêmement forte Tampon face aux températures extrêmes Tension superficielle Elevée Formation de gouttes dans les nuages Grande capillarité Absorption lumineuse Elevée dans les domaines orange/rouge et IR Photosynthèse aquatique Régulation de l’activité biologique et de la température atmosphérique Propriété en tant que solvant Dissous les sels et les molécules polaires Transport de substances dissoutes dans les organismes vivants et dans le cycle biogéochimique CYCLE DE L ’EAU 10 CYCLE DE L ’EAU • Entre les quatre grands réservoirs d’eau de l’hydrosphère que sont les mers et océans, les eaux continentales (superficielles et souterraines), l’atmosphère, et la biosphère, l’échange d’eau est permanent et forme ce que l’on appelle le cycle externe de l’eau. • Le moteur de ce cycle en est le soleil : grâce à l’énergie thermique qu’il rayonne, il active et maintient constamment les masses d’eau en mouvement. • Ce cycle se divise en deux parties intimement liées : - une partie atmosphérique qui concerne la circulation de l’eau dans l’atmosphère, sous forme de vapeur d’eau essentiellement - une partie terrestre qui concerne l’écoulement de l’eau sur les continents, qu’il soit superficiel ou souterrain. 11 CYCLE DE L ’EAU La dynamique du cycle de l’eau • En moyenne sur l’année et sur l’ensemble du globe terrestre, 65% des précipitations qui arrivent à terre s’évaporent, 24% ruissellent et 11% s’infiltrent. • Des échanges d’eau se produisent également entre l’hydrosphère et le manteau terrestre. Par ailleurs, dans la haute atmosphère, des molécules d’eau sont constamment décomposées par les rayons ultraviolets solaires et l’hydrogène ainsi créé, trop léger pour être retenu par la gravité, s’échappe dans l’univers. • Cependant, il semblerait que ces phénomènes restent suffisamment négligeables pour que globalement la quantité totale d’eau dans l’hydrosphère reste constante : l’analyse des sédiments marins a en particulier révélé que le volume des eaux océaniques avait très peu varié depuis un milliard d’années. On peut donc considérer que le cycle de l’eau est stationnaire c’est à dire que toute perte d’eau par l’une ou l’autre de ses parties, atmosphérique ou terrestre, est compensée par un gain d’eau par l’autre partie. 12 CYCLE DE L ’EAU Des stocks restreints • Il n’est pas facile de chiffrer le volume total des eaux terrestres. Les seules quantités d’eau qu’il est aujourd’hui possible d’estimer sont celles contenues dans les quatre grands réservoirs de l’hydrosphère. Les volumes les plus difficiles à évaluer sont ceux des eaux souterraines de la croûte terrestre, dont les estimations varient suivant les auteurs en fonction de l’épaisseur de croûte qu’ils considèrent. • Aucune estimation fiable n’est en revanche disponible pour l’eau contenue dans le manteau terrestre. • Les stocks sont les volumes d’eau présents à un instant donné dans un réservoir donné. Ils donnent en quelque sorte une image instantanée des volumes d’eau disponibles. 13 CYCLE DE L ’EAU Les stocks des différents réservoirs terrestres sont donnés dans le tableau ci-contre (d’après L’eau, Ghislain de Marsily, Dominos Flammarion, 1995). Les volumes sont exprimés en kilomètres cubes. Un kilomètre cube est le volume d’un cube de 1 kilomètre de côté, c’est-à-dire qu’il équivaut à mille milliards de litres. Les réservoirs Les stocks Océans 1 350 000 000 Eaux continentales (total) 35 976 700 Glaciers 27 500 000 Eaux souterraines 8 200 000 Mers intérieures 105 000 Lacs d’eau douce 100 000 Humidité des sols 70 000 Rivières 1 700 Atmosphère (humidité de l’air) 13 000 Biosphère ( cellules vivantes) 1 100 14 CYCLE DE L ’EAU • Au total, il y a donc à l’heure actuelle 1 385 990 800 kilomètres cubes d’eau dans l’hydrosphère. Cependant, la plus grande part de cette énorme quantité d’eau provient des océans qui constituent le réservoir le plus important de la planète mais dont les eaux sont salées. • Les eaux douces de la planète, c’est à dire celles dont la salinité est inférieure à 3 grammes par litre, représentent moins de 3% en volume de toute l’eau de l’hydrosphère et encore toute cette eau n’est-elle pas disponible, la majeure partie étant gelée aux pôles. Le volume des eaux douces directement utilisables est finalement d’environ 9 millions de kilomètres cubes, dont la plus grande part consiste en eaux souterraines. 15 CYCLE DE L ’EAU Réserves d ’eau sur terre : • 97,4 % d ’océans • 2,6 % d’eaux continentales: – 2 % dans les glaces polaires – 0,6% d ’eaux douces de surface et souterraines dont près de la moitié non disponible pour l ’usage humain (techniquement ou financièrement) 16 EAUX NATURELLES Eaux océaniques (eaux des mers et océans) Eaux continentales Eaux superficielles (fleuves, rivières, lacs) Eaux souterraines (nappes, sources, eaux minérales) 17 EAUX NATURELLES Eaux océaniques • Elles sont très minéralisées et contiennent un très grand nombre de sels en solution (dissous), dont une forte proportion de sel sodique (surtout du Chlorure de Sodium NaCl). • La salinité totale moyenne est variable selon les mers et océans. • A titre indicatif, voici la composition moyenne d'un litre d'eau de mer à 35 g/l de salinité totale ( de masse volumique : 1028 kg/m3) : 18 Composants Teneur (g/L) Autres composants Teneur (mg/L) Chlorure de sodium 27,2 Fluor 1,40 Chlorure de magnésium 3,8 Silice 1,0 Sulfate de magnésium 1,65 Azote 1,0 Sulfate de calcium 1,26 Phosphore 0,060 Sulfate de potassium 0,86 Baryum 0,055 Carbonate de calcium 0,12 Fer 0,050 Bromure de magnésium 0,076 iode 0,050 EAUX NATURELLES Eaux continentales En principe les eaux de pluie ne contiennent que des gaz atmosphériques, à la limite de leur solubilité, soit : • oxygène , 7 à 8 ml / litre • azote, 15 ml / litre • gaz carbonique, qui varie selon le lieu, la saison et la durée de chute des gouttes de pluie, soit entre 1 et 50 mg / litre. Cette présence de CO2 explique l'acidité de cette eau par formation d'acide carbonique : pH voisin de 6.5 (cas général) • des microparticules minérales ou organiques diverses rencontrées dans l’atmosphère (dont certaines bactéries) à noter que des microparticules de poussières sont à l'origine de la formation de gouttes de pluies : ces particules engendrent des microgouttelettes de glace qui grossissent jusqu'à former des gouttes (processus appelé germination ou nucléation). 19 EAUX NATURELLES Eaux continentales souterraines L'eau de pluie arrivée au sol agit à la fois comme solvant et comme agent mécanique en entraînant des particules plus ou moins fines, voire colloïdales ( d<1m ). Cependant, la plupart des sels solubles ne sont, fort heureusement, pas entraînés en profondeur car ils sont, soit absorbés par l'humus, soit transformés à l'état de sels insolubles, par double décomposition au contact des roches calcaires. Une épuration biologique et une transformation chimique se feront donc progressivement à mesure que l'on s'éloignera de la surface. Cette épuration sera complétée par une filtration à travers les terres, qui permettra même, dans certains cas, une floculation (processus d'agglomération et de précipitation des particules) des colloïdes. Par ailleurs, la circulation des eaux pouvant s'effectuer jusqu'à plusieurs centaines de mètres, des modifications importantes de la composition des eaux se produiront au contact des roches du sous-sol. 20 EAUX NATURELLES Eaux continentales souterraines Si l'eau de pluie, riche en oxygène et en gaz carbonique, rencontre des calcaires, elle deviendra dure. Si elle rencontre des pyrites, elle les oxydera uploads/Geographie/ chimie-de-leau-20-21.pdf