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Ecole des Francs Bourgeois - La Salle Année 2015-2016 Séance de Spécialité n◦7

Ecole des Francs Bourgeois - La Salle Année 2015-2016 Séance de Spécialité n◦7 : Traitement des eaux Compétences Niveau validé Analyser : A B C D Réaliser : A B C D Mobiliser et Exploiter ses connaissances : A B C D Mettre en œuvre une démarche expérimentale : A B C D Valider : A B C D Compétences travaillées Mots-clefs « eau potable » et « traitement des eaux ». I. Étude documentaire : Dessaler l’eau de mer (1 h) Pour pallier le manque d’eau douce (et donc d’eau potable), de plus en plus d’usines de dessalement de l’eau de mer sont construites dans le monde. I.1. Les compétences • Faire preuve de curiosité. • Identiﬁer les paramètres jouant un rôle dans un phé- nomène physique. I.2. Situation problème Le dessalement coûte cher (même si les prix ont dimi- nué au cours des années) et il n’est pas sans eﬀet sur l’environnement, car il engendre des gaz à eﬀet de serre et des eaux de rejet fortement salées. Il existe deux grands types de procédés pour dessaler l’eau de mer. Le premier, thermique, repose sur la distil- lation. Il consiste à chauﬀer l’eau de mer pour produire une vapeur d’eau pure, que l’on condense ensuite sur des faisceaux de tubes refroidis aﬁn d’obtenir de l’eau douce. Le second procédé, plus récent, est basé sur l’osmose in- verse (ﬁgures ci-dessous). Si deux solutions aqueuses de concentrations diﬀérentes sont séparées par une mem- brane semi-perméable (elle laisse passer l’eau, mais pas les solides dissous), l’eau de la solution la moins concen- trée migre vers la solution la plus concentrée de façon à égaliser les deux concentrations : c’est l’osmose. 1.1 Les compétences • Faire preuve de curiosité. • Identiﬁer les paramètres jouant un rôle dans un phéno- mène physique. 1.2 Situation problème Le dessalement coûte cher (même si les prix ont diminué au cours des années) et il n’est pas sans effet sur l’environ- nement, car il engendre des gaz à effet de serre et des eaux de rejet fortement salées. Il existe deux grands types de procédés pour dessaler l’eau de mer. Le premier, thermique, repose sur la distillation. Il consiste à chauffer l’eau de mer pour produire une vapeur d’eau pure, que l’on condense ensuite sur des faisceaux de tubes refroidis aﬁn d’obtenir de l’eau douce. Le second procédé, plus récent, est basé sur l’osmose in- verse (ﬁgures ci-dessous). Si deux solutions aqueuses de concentrations différentes sont séparées par une mem- brane semi-perméable (elle laisse passer l’eau, mais pas les solides dissous), l’eau de la solution la moins concen- trée migre vers la solution la plus concentrée de façon à égaliser les deux concentrations : c’est l’osmose. Dans l’osmose inverse, on empêche le transfert d’eau de se réaliser normalement en exerçant une pression sur la solution la plus concentrée. Ainsi l’eau passe vers la solu- tion la moins concentrée, tandis que les espèces dissoutes restent dans le compartiment. Quelle que soit la technique utilisée, le dessalement a un coût énergétique assez élevé : pour produire un mètre 1 Dans l’osmose inverse, on empêche le transfert d’eau de se réaliser normalement en exerçant une pression sur la solution la plus concentrée. Ainsi l’eau passe vers la solution la moins concentrée, tandis que les espèces dissoutes restent dans le compartiment. Quelle que soit la technique utilisée, le dessalement a un coût énergétique assez élevé : pour produire un mètre cube d’eau douce, il faut au moins 10 kwh pour les meilleurs procédés thermiques et 4 à 5 kWh pour les installations d’osmose inverse les plus modernes. I.3. Analyse du problème Deux ingénieurs de Vancouver (Canada), Ben Sparrow et Joshua Zoshi, ont mis au point un autre système de dessalement, avec une consommation énergétique moindre (environ 1 kWh par mètre cube d’eau douce M.Suet Physique-Chimie Ecole des Francs Bourgeois - La Salle Année 2015-2016 produit). Cette technique repose sur les échanges ioniques à tra- vers des jonctions en polystyrène traitées spécialement pour ne laisser passer que les cations ou que les anions. La migration des ions s’eﬀectue suivant le principe de la diﬀusion : en présence d’un gradient de concentration, les ions se déplacent des milieux les plus concentrés vers les milieux les moins concentrés. diminué environ- des eaux ler l’eau ation. Il e vapeur eaux de mose in- uses de e mem- mais pas concen- façon à d’eau de n sur la la solu- issoutes ent a un n mètre 1.3 Analyse du problème Deux ingénieurs de Vancouver (Canada), Ben Sparrow et Joshua Zoshi, ont mis au point un autre système de des- salement, avec une consommation énergétique moindre (environ 1 kWh par mètre cube d’eau douce produit). Cette technique repose sur les échanges ioniques à travers des jonctions en polystyrène traitées spécialement pour ne laisser passer que les cations ou que les anions. La migra- tion des ions s’effectue suivant le principe de la diffusion : en présence d’un gradient de concentration, les ions se déplacent des milieux les plus concentrés vers les milieux les moins concentrés. Dans un premier temps, une solution d’eau de mer de forte concentration en sel est formée par exploitation de l’éner- gie solaire (ou en récupérant de la chaleur industrielle). La concentration des sels dans l’eau de mer passe de 3,5 % à 18 % ou plus (ﬁgure ci-dessus). Cette eau salée concen- trée est ensuite pompée dans l’unité de dessalement, où elle circule dans un tuyau, en relation avec trois autres ﬂux d’eau de mer, dont les concentrations en sels sont normales (3,5 %). Les relations entre ces quatre ﬂux sont gouvernées par les jonctions en polystyrène. 1 Dans un premier temps, une solution d’eau de mer de forte concentration en sel est formée par exploitation de l’énergie solaire (ou en récupérant de la chaleur industrielle). La concentration des sels dans l’eau de mer passe de 3,5 % à 18 % ou plus (ﬁgure ci-dessus). Cette eau salée concentrée est ensuite pompée dans l’unité de dessalement, où elle circule dans un tuyau, en relation avec trois autres ﬂux d’eau de mer, dont les concentrations en sels sont normales (3,5 %). Les relations entre ces quatre ﬂux sont gouvernées par les jonctions en polystyrène. I.4. Questions préliminaires a. Décrire rapidement la technique qui permet d’aug- menter la concentration en sels. Que pensez-vous de sa demande énergétique ? Conclure en compa- rant avec les autres procédés. b. En première approximation, quels sont les deux ions majoritairement présents dans l’eau de mer ? I.5. Questions scientiﬁque à résoudre Comment dessaler l’eau de mer en com- mençant par la saler encore plus ? I.6. Construction des étapes de la résolution Dans les conditions initiales (date t = 0), la disposi- tion relative des quatre ﬂux d’eau salée dans l’unité de dessalement est donnée sur la ﬁgure ci-dessous. 1 ⃝ Eau de mer à 18 % 4 ⃝ Eau de mer naturelle à 3,5 % 2 ⃝ Eau de mer naturelle à 3,5 % 3 ⃝ Eau de mer naturelle à 3,5 % Jonction en polystyrène perméable aux anions Jonction en polystyrène perméable aux canions c . Peu de temps après la mise en place des jonctions, on observe une migration d’ions. Pourquoi ? d. Préciser entre quels ﬂux se déroule cette migration. e . Recopier le schéma et y indiquer le sens de migra- tion et le nom des ions. I.7. Mise en œuvre des étapes de la résolution f . Quelle va être la conséquence de cette migration sur les ﬂux 2 ⃝et 4 ⃝? g. Que va-t-il donc se passer au niveau du ﬂux 3 ⃝? Pourquoi ? Compléter le schéma. I.8. Regard critique sur la résolution h. Pourquoi est-il nécessaire au départ de créer une solution « hypersaline » d’eau de mer ? M.Suet Physique-Chimie Ecole des Francs Bourgeois - La Salle Année 2015-2016 i . Pour simpliﬁer, nous avons considéré uniquement la présence de deux ions dans l’eau de mer. Est-ce le cas ? Cela change-t-il le raisonnement ? j . Dans quelles conditions l’eau douce produite peut- elle être utilisée comme eau potable ? I.9. Pour conclure k. À votre avis, dans quelle zone géographique le pro- cédé développé par Sparrow et Zoshi sera-t-il le plus rentable ? l . Pourquoi est-il moins polluant que les autres pro- cédés ? m. Cependant, un problème inhérent aux procédés de dessalement persiste. Lequel ? II. TP : déminéralisation sur résine échangeuse d’ions (1 h) On va déminéraliser une eau de Contrex par chromatrographie sur une résine échangeuse de cations (Amberlite IR-120), puis réaliser un dosage acido-basique des ions H+ (aq) cédés par la résine aﬁn de vériﬁer son eﬃcacité. La résine utilisée est une résine cationique, sur laquelle sont initialement ﬁxés des ions H+ (aq). II.1. Les compétences • Savoir utiliser une résine échangeuse d’ions ; • Savoir comment régénérer une telle résine ; • Connaître les diﬀérents modes de traitement de l’eau ; • Savoir préparer une chromatographie sur colonne ; • Savoir mener et interpréter un dosage colorimétrique. II.2. L’étiquette de uploads/Geographie/ seance-7-traitement-des-eaux.pdf