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Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 5

Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 5 I.1. Introduction Les normes vis-à-vis de la qualité de l’eau potable, devenant de plus en plus contraignantes, conduisent les traiteurs d’eau à optimiser non seulement l’étape de clarification mais aussi les traitements d’affinage de l’eau. Quant aux étapes d’oxydation, les oxydants chimiques tels que Cl2, ClO2, O3 ont une place privilégiée (Lefebvre, 1995). En effet, il est bien connu aujourd’hui, que le chlore est l’oxydant et /ou le désinfectant le plus utilisé dans le domaine du traitement des eaux potables. Son pouvoir oxydant / désinfectant est excellent, mais malheureusement il entraîne la formation de sous produits toxiques en présence de la matière organique (Doré 1989). Les sous produits de la chloration les plus connus sont les trihalométhanes (THM), ils constituent également un critère de choix important pour l’oxydant chlore. Après quelques rappels sur les caractéristiques physico-chimiques du chlore, le présent chapitre a pour but de présenter succinctement quelques travaux de certains chercheurs sur la réactivité du chlore vis-à-vis de la matière organique et l’incidence de la composante minérale des eaux de surface à potabiliser ainsi que les effets toxiques du chlore sur la santé humaine. I.2. Propriétés physico-chimiques du chlore Le chlore est un produit corrosif et dangereux en raison des quantités à mettre en œuvre, à manipuler et à stocker lors du traitement des eaux. Son utilisation impose l’observation de règles de sécurité assez strictes. I.2.1.Chimie du chlore Le chlore destiné à la désinfection se retrouve normalement sous l’une des trois formes suivantes : Chlore gazeux, hypochlorite de sodium ou hypochlorite de calcium. Les réactions chimiques induites par le chlore gazeux, l’hypochlorite de sodium et l’hypochlorite de calcium sont les suivantes : a) chlore gazeux Le chlore gazeux est rapidement hydrolysé dans l’eau pour donner de l’acide hypochloreux (HOCl) selon la réaction suivante (Gonzalez et al, 1996) : Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl- (1) Il est à noter que l’addition du chlore gazeux dans l’eau diminue le pH, car cela entraîne la formation d’un ion hydrogène (Doré 1989 ; Gonzalez et al, 1996). Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 6 L’acide hypochloreux est un acide faible (un pKa environ de 7.50), ce qui signifie qu’il se dissocie légèrement en ion hydrogène et hypochlorite, tel que le montre l’équation 2. HOCl H+ + OCl- (2), cette réaction est fonction du pH. Quand le pH se situe entre 6.50 et 8.50 la dissociation demeure incomplète et les deux espèces (HOCl et OCl-) sont présentes jusqu'à un certain point (White, 1992). Ainsi un pH élevé favorise la libération d’ions hypochlorites, OCl-. Lorsque la concentration de chlore libre est de quelques (mg/l), comme c’est le cas dans le traitement des eaux à potabiliser et que le pH est situé entre 6 et 10, la réaction (2 ) est incomplète dans ces conditions , il y’a coexistence de HOCl et de OCl-. Notons que, plus l’eau est alcalinisée et plus l’équilibre se déplace dans le sens d’apparitions des ions ClO-. b) Hypochlorite de sodium De manière générale, l’hypochlorite de sodium est une autre forme de chlore dont l’utilisation présente moins de dangers que le chlore gazeux. Il se présente habituellement sous forme d’une solution aqueuse dont la teneur en chlore est de 5 à 15% (White, 1992). En solution dans l’eau, l’hypochlorite de sodium (eau de javel) produit la réaction suivante : NaClO +H2O HOCl + Na+ + OH- (3) Cette équation montre que l’ajout d’hypochlorite de sodium dans l’eau entraîne la formation de l’acide hypochloreux comme dans le cas de l’hydrolyse du chlore gazeux (équation 1) mais provoque une légère remontée du pH. Contrairement à l’hydrolyse du chlore gazeux l’ajout de l’hypochlorite de sodium dans l’eau produit un ion hydroxyle qui fait augmenter le pH (Doré, 1989 ; Gillis, 2001). Le chlore libre est dit actif sous la forme HOCl, ClO-, Cl2 et c’est surtout sous cette forme qu’il sera consommé par les composés réducteurs de l’eau. L’acide hypochloreux a une action désinfectante environ 100 fois plus forte que les ions hypochlorites, son efficacité sera d’autant plus élevée que le pH sera bas (Ellis, 1991). En pratique, il est souhaitable que celui-ci soit compris entre 6.50 et 8.0. En réalité, en dehors des espèces très largement majoritaires que nous venons de voir (HOCl et ClO-), d’autres espèces intermédiaires seraient susceptibles de se former dans Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 7 certaines conditions dans les solutions aqueuses de chlore (Morris et al, 1992 ; Reinhard et Stumm, 1980), ce sont : Cl3 -, Cl-, Cl2O, H2OCl+, ClO- 2, et ClO3 - La formation de l’ion trichlorure est thermodynamiquement possible selon Zimmermann cité par Merlet (1986). Cl2 + Cl- Cl3 -, K= 0.191 mol-1à 25 °C L’intervention de Cl2O, fréquemment cité, est également possible suivant : HOCl + HOCl Cl2O +H2O, K =8.710-3 mol /l à 25°C (Reinhard et Stumm, 1980) c) Hypochlorite de calcium On fabrique l’hypochlorite de calcium à partir du précipité issu de la dissolution de chlore gazeux dans une solution d’oxyde de calcium (chaux vive) et d’hypochlorite de sodium. L’hypochlorite de calcium granulaire du commerce contient habituellement 65% de chlore disponible. Cela signifie que 1,50 g de ce produit renferme l’équivalent d’un gramme de chlore (Doré, 1989 ; White, 1992). L’équation suivante illustre la réaction qui a lieu entre l’hypochlorite de calcium et l’eau. Ca(OCl)2 + H2O 2HOCl + Ca2+ + 2OH- D’après cette équation, on voit que l’addition d’hypochlorite de calcium dans l’eau produit elle aussi de l’acide hypochloreux, de manière similaire à l’hydrolyse du chlore gazeux et d’hypochlorite de sodium (équations 1 et 3). Comme dans le cas de la solution d’hypochlorite de sodium, cet ajout entraîne la formation d’ions hydroxyles qui font augmenter le pH de l’eau (White, 1992). I.2.2.Méthodes de dosage du chlore Le chlore résiduel des eaux est souvent analysé par la méthode volumétrique ou iodométrique. Cette méthode implique un milieu très acide (pH compris entre 3 à 4) en introduisant des ions iodure, puis en dosant l’iode libéré par le thiosulfate de sodium. Ce qui permet le dosage du chlore sous forme Cl2. Les résultats correspondent donc à des équivalents oxydants (HOCl, ClO-) que l’on exprime en mgCl2/l (Rodier, 1996). Elle représente une méthode de base en comparaison avec les autres méthodes d’analyse telles que la méthode par absorptiomètrie, ampérométrie, potentiométrie, chimilunescence et chromatographie. Ces dernières méthodes permettent l’analyse de faibles concentrations en Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 8 oxydants résiduels et sont largement influencées par les interférences liées à la nature de l’eau (turbidité, couleur, pH, oxygène dissous ainsi que par le présence des nitrites, fer, manganèse et matière organiques) (Doré, 1989 ; Franck, 2002). Deux autres méthodes sont basées sur les dérivés d’oxydation et couramment mises en œuvre. Ce sont la méthode à la DPD (diethyl-p-phényldianine) et la méthode à l’orthotolidine (Afnor, 1987). I.3.Principales applications de la chloration I.3.1.Application de la chloration dans le traitement des eaux potables Les installations de production d’eau potable utilisent surtout le chlore comme désinfectant. Il a toutefois été constaté qu’en vertu de ses capacités oxydantes, il peut servir à d’autres fins, dont voici quelques exemples (Leclerc, 2003) : • Eliminer les goûts et odeurs désagréables des eaux. • Prévenir la croissance d’algues dans les ouvrages de la station et notamment les filtres • Enlever le fer et le manganèse de l’eau. • Détruire le sulfure d’hydrogène • Maintenir la qualité de l’eau dans le réseau de distribution. • Eliminer l’azote ammoniacal. • Favoriser la floculation par déstabilisation des particules colloïdales et désinfecter partiellement l’eau avant la décantation (Merlet, 1986). I.3.2.Avantages et inconvénients du chlore Le chlore présente de nombreux avantages qui contribuent à répandre son usage dans l’industrie de la production d’eau potable. Il possède notamment les avantages suivants : • Il inactive de manière efficace une vaste gamme d’agents pathogènes courants. • Il laisse dans l’eau un résidu facilement mesurable et dont le suivi est aisé. • Il est économique. • Il a plus d’une fois fait ses preuves et contribué au succès du traitement. Les inconvénients du chlore sont les suivants: • Le chlore réagit avec de nombreux composés organiques et inorganiques naturellement présents dans l’eau pour former des sous produits de désinfection (SPD) indésirables. Chapitre I Synthèse bibliographique sur la chloration des eaux à potabiliser 9 • Les risques associés à l’usage du chlore, surtout en ce qui concerne le chlore gazeux. Il nécessite des précautions particulières et la planification de mesures d’urgence. • Des doses élevées de chlore peuvent faire en sorte que l’eau ait un goût et une odeur désagréable. I.3.3. Pratique de la chloration en Algérie Dans la pratique de la chloration, il y’a lieu de distinguer entre l’utilisation du chlore gazeux et des hypochlorites. Le chlore gazeux est souvent utilisé dans les usines importantes alors que l’hypochlorite de sodium est utilisé dans le cas de petites installations. Chaque type de chlore nécessite des appareillages particuliers et demande des uploads/Industriel/ chapitre-1 16 .pdf