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1 1 1 1CHIMIE DES EAUX CHIMIE DES EAUX proposé par DENYIGBA Kokou Donudenu Dipl

1 1 1 1CHIMIE DES EAUX CHIMIE DES EAUX proposé par DENYIGBA Kokou Donudenu Dipl-Ing. Sciences et techniques de l’eau & Environnement Ecole doctorale EAU-VILLE-ENVIRONNEMENT (Centre d’Enseignement et de Recherche de L’Ecole Nationale des Ponts et Chaussées –Paris) Consultant WASH mail: gk62.denyigba@gmail.com 2018-2019 FORMATION : LICENCE – 2 FILIERE : Eau – Hygiène – Assainissement (EHA) Chimie des eaux - K. Denyigba CHIMIE DE QUELQUES ELEMENTS D’INTERET DANS LE TRAITEMENT DE L’EAU 2 Chimie des eaux - K. Denyigba Ce chapitre traite des propriétés physico-chimiques de certains éléments ou composés importants en solution aqueuse. Il s’agit en particulier de l’action du chlore et ses dérivés dans le traitement des eaux de consommation. 3 Chimie des eaux - K. Denyigba 1. INTRODUCTION Le chlore est doté de propriétés fondamentales (pouvoir désinfectant et bactéricide certain, capable d’oxyder la matière organique et des métaux, sauf les métaux nobles) Le chlore (Cl = 17) comme le fluor (F = 9), le brome (Br = 35), l’iode (I = 53), l’astate (At = 210) appartiennent tous à la même famille des halogènes (colonne VII de la classification périodique des éléments chimiques). A ce titre, ces éléments partagent ensemble un certain nombre de propriétés physico-chimiques. L’iode par exemple quant à lui, a une grande importance en pharmacie = antiseptique très actif ayant une activité germicide et fongicide. En chimie de l’eau, l’iode est utilisé comme substituant du chlore dans le dosage iodométrique. 4 Chimie des eaux - K. Denyigba Tab1 : Quelques propriétés physiques communes des halogènes à l’état naturel (source : chimie2, P.Grecias, JP Migeon, 1988) 5 Elément Fluor (F2) Chlore (Cl2) Brome (Br2) Iode (I2) Etat physique à 25°C, 1 atm Gaz jaune pâle ~ incolore Gaz jaune-verdâtre Liquide rouge Solide rouge-noir (brun) Température normale de fusion °C - 219,6 -101 - 7,2 + 113,5 Température normale d’ébullition °C -188,1 -34,6 +58,8 +184,4 Solubilité dans l’eau (mol/L) Décompose l’eau 10-1 2,3 10-1 1,2 10-1 Chimie des eaux - K. Denyigba 2. LE CHLORE : UN OXYDANT Le chlore a 7 électrons périphériques et à ce titre, il possède comme tous les halogènes, une forte tendance à capturer un électron supplémentaire de façon à saturer sa dernière couche et acquérir sous forme d’ion chlorure (Cl-), une structure stable analogue à celle d’un gaz rare : le chlore est donc un oxydant. • Potentiel normal de réduction : e° = +1,36 V le classe parmi les oxydants les plus énergiques. A l’état élémentaire, le chlore est un gaz diatomique : Cl°2 Peut cependant se présenter sous plusieurs formes : +I dans HClO (acide hypochloreux et autres hypochlorites); +III dans HClO2 (acide chloreux et autres chlorites); +V dans HClO3 (acide chlorique et chlorates); +VII dans *HClO4 (acide perchlorique et perchlorates) +IV dans le bioxyde de chlore (ClO2). Toutes ces formes de chlore, à l’exclusion de chlorures, ont tendance à capturer des e-, : ils sont donc des formes oxydantes. * : extrêmement dangereux = très explosif 6 Chimie des eaux - K. Denyigba 3. LES RÉACTIONS DU CHLORE AVEC L’EAU • Chlore = gaz diatomique, couleur jaune-verdâtre à l'état naturel, plus dense que l'air, d'odeur suffocante caractéristique, très toxique. Sa molécule (Cl2) est stable jusqu'à 1000°C et attaque la plupart des métaux. Il est facilement liquéfiable (à partir de – 34,6°C) sous 1 atm). Par contre, il est peu soluble dans l’eau. Son introduction dans l'eau conduit à une réaction de dismutation selon la réaction : Cl2 + 2H2O HClO HClO + Cl- + H3O+ HClO + H2O ClO ClO-- + H3O+ Ka 2,9.10-8 Dans l'eau, le chlore libre donc se trouve sous trois formes d'états en équilibre : - l'acide hypochloreux (HOCl) - l'ion hypochlorite (ClO-) - l'ion chlorure (Cl-) 7 Chimie des eaux - K. Denyigba 4. LA PRODUCTION DU CHLORE POUR LA DU CHLORE POUR LA DESINFECTION DESINFECTIONDE DE L’EAUL’EAU 4.1 Mécanismes chimiques d’action du chlore dans l’eau  Dans l’eau, le chlore se présente sous trois formes qui varient selon le pH : o la forme ClCl22 (chlore moléculaire) dans une eau à pH < 2 : chlore non désinfectant ; o la forme : HClOHClO (acide hypochloreux) dans une eau à pH compris entre 5 et 8 : c’est la forme de chlore la plus désinfectante ; o la forme le ClOClO-- (ion hypochlorite) dans une eau à pH >8 : le ClO- est 100 fois moins efficace que le HClO. 8 Chimie des eaux - K. Denyigba Les différentes formes de chlore les plus utilisées dans le traitement de l’eau de consommation sont :  chlore gazeux (Cl2) où la part active est 99% : chlore liquéfié sous pression  hypochlorite de sodium communément appelé « eau de Javel » (NaClO), avec 15% de chlore actif : sous forme liquide – produit par électrolyse du NaCl  hypochlorite de calcium Ca (ClO)2 qui contient en moyenne 70% de chlore actif : il est sous forme solide en granulés Quelle que soit la forme de chlore employée, les réactions suivantes se produisent : 9 Chimie des eaux - K. Denyigba • Chlore gazeux : Cl2 + H2O HOCl + HCl • Hypochlorite de sodium NaOCl + H2O HOCl + NaOH • Hypochlorite de calcium : Ca(OCl)2 + 2H2O 2HOCl + Ca(OH)2 4.2 Le dioxyde de chlore (ClO2)  Aspects physique et chimique. Gaz jaune rougeâtre (instable), relativement plus stable à l’état liquide. Il est 2,5 fois plus dense que l'air, toxique et devient explosif si sa concentration dépasse 10%. T° de fusion : -59°C (état solide) T° d’ébullition : 11°C (se transforme en gaz en fait à 11°C) Solubilité dans l’eau à 20C : 8g/L En pratique, on ne l’utilise jamais à l’état pur. Sa solubilité et sa réactivité dans l'eau dépendent du pH : 10 Chimie des eaux - K. Denyigba 11 o En milieu acide (pH< 6), il est réduit en chlorure : o En milieu neutre (pH de 6,5 à 8,5) il se dissout instantanément pour donner les acides chloreux et chlorique : o En milieu basique (pH>9,5), il se dismute pour donner une molécule de chlorite (ClO2 -) et une molécule de chlorate (ClO3 -). La réaction est totale à partir de pH 11 environ O H Cl e H ClO 2 2 2 5 4        3 2 2 2 2 HClO HClO O H ClO    O H ClO ClO OH 2 ClO 2 2 3 2 2        Chimie des eaux - K. Denyigba 12  Préparation La préparation se fait sur place pendant le traitement de l’eau 1. A partir de l'acide chlorhydrique (HCl) et du chlorite de sodium (NaClO2) [manipulation dangereuse] 5NaClO2 + 4HCl 4ClO2 - + 5NaCl + 2H2O o Stoechiométriquement, pour produire 1g de ClO2, il faut 1,67 g de chlorite. 2. A partir du chlore gazeux et du chlorite de sodium : 2NaClO2 + Cl2 2ClO2 + 2NaCl Chimie des eaux - K. Denyigba 13 3. A partir du chlorate de sodium en milieu acide (sulfurique) en présence d’eau oxygénée : 2NaClO3 + H2O2 + H2SO4 2ClO2 + O2 + Na2SO4 + 2H2O 4. A partir du chlore gazeux et du chlorite de sodium : 2NaClO2 + Cl2 2ClO2 + 2NaCl o Stoechiométriquement, pour produire 1g de ClO2, il faut 1,34 g de chlorite et 0,526 g de chlore o Le pH de l’eau à traiter doit être entre 1,7 et 2,4 et sa conc peut varier entre 2,5 et 6 g/L Cl2. 5. A partir de l’eau de Javel et HCl NaClO + HCl + 2NaClO2 2ClO2 + 2NaCl +NaOH Chimie des eaux - K. Denyigba 14  Utilisation du dioxyde Son utilisation est réservée aux eaux difficiles à traiter (contenant des teneurs élevées de matières organiques parfois récalcitrants, comme des acides humiques, etc (eaux eutrophisées par exemple). Dans ce cas, ClO2 est utilisé pour faire une préoxydation sans risques de production de sous-produits comme les trihalométhanes (THMs), ceci à défaut d’utiliser l’ozone. Chimie des eaux - K. Denyigba 5. DOSAGE DU CHLORE ACTIF DANS UN PRODUIT DE DESINFECTION Compte tenu de sa volatilité dans les produits commercialisés comme l’eau de Javel et l’hypochlorite de calcium en particulier, il est important de rechercher la teneur en chlore actif qui a le pouvoir désinfectants réel ; l’efficacité de la désinfection en dépendra. La méthode iodométrique est utilisée en substituant le chlore par l’iode  Principe de la réaction Cl2 + 2KI I2 + 2KCl (Iode libéré = coloration brune) I2 + 2Na2S2O3 2 NaI + Na2S4O6 (milieu incolore)  Réactifs : solution de KI à 100 g/L, solution de thiosulfate de sodium titrée à 35,5 N, acide acétique glacial pur, solution d'hypochlorite de calcium à 1g/L ou eau de javel (10 ml) dans de l'eau ordinaire  Dosage : 10 ml d'échantillon + 20 ml de KI + 15 gouttes ac. acétique. Titrer avec le thiosulfate N/35,5  Résultat : le volume de thiosulfate permet de calculer la concentration en chlore actif au point équivalent (voir uploads/Sante/ chap2-composes-d-x27-interet-chim-pour-traitem-de-l-x27-eau.pdf