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OmniChimie et Services Industriels de Côte d’Ivoire SARL Cours de Traitement de

OmniChimie et Services Industriels de Côte d’Ivoire SARL Cours de Traitement des eaux Enseignant: KOUADIO Adolphe, Ingénieur en Chimie industrielle. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 2 COURS DE TRAITEMENT DES EAUX CONTENU : Séquence 1 : Introduction au traitement des eaux. Séquence 2 : Procédés généraux de traitement. Séquence 3 : Procédés particuliers de traitement. Proposition de : M. KOUADIO Adolphe, ingénieur en Chimie industrielle. Volume horaire : 80 heures. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 3 Séquence I : INTRODUCTION AU TRAITEMENT DES EAUX • Contenu de la séquence I. Cycle de l’eau. II. Normes relatives aux eaux de consommation humaine. III. Caractéristiques des eaux naturelles. IV. Critères de choix des eaux. V. Impuretés rencontrées dans les eaux. VI. Traitements de l’eau potable. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 28 Séquence II : PROCEDES GENERAUX DE TRAITEMENT • Objectif A l’issue de cette séquence, l’auditeur devra être capable de choisir parmi les traitements généraux, ceux qui seront nécessaires et les mieux adaptés à une eau présentant des caractéristiques données. • Contenu de la séquence Chapitre I : Prétraitement. Chapitre II : Coagulation et floculation. Chapitre III : Décantation. Chapitre IV : Filtration. Chapitre V : Désinfection. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 103 Séquence III : PROCEDES PARTICULIERS DE TRAITEMENT • Objectif A l’issue de cette séquence, l'étudiant devra être capable de choisir parmi les traitements particuliers, ceux qui seront nécessaires et les mieux adaptés à une eau présentant des caractéristiques données. • Contenu de la séquence Chapitre I: Mise à l’équilibre calcocarbonique. Chapitre II : Adoucissement par précipitation. Chapitre III : Échanges ioniques. Chapitre IV : Adsorption sur charbon actif. Chapitre V : Élimination du fer et du manganèse. Chapitre VI : Élimination des composés azotés. Chapitre VII : Traitements divers. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 104 III.1. MISE A L’EQUILIBRE CALCOCARBONIQUE • Objectif A l'issue de ce chapitre, l'étudiant devra être capable de définir les lois de base de l’équilibre des eaux; de déterminer le caractère agressif d’une eau; de suggérer un traitement, afin d’amener l’eau à l’équilibre. • Mots-clé Equilibre calcocarbonique – CO2 agressif – pH de saturation – Indice de LANGELIER – Balance ionique - Neutralisation – Adoucissement – Décarbonatation – Reminéralisation – Modèles de Legrand Poirier. • Sommaire Introduction. 1. Données essentielles de l’équilibre des eaux. 2. Méthodes de détermination des paramètres d’équilibres calcocarboniques. 3. Mise à l’équilibre calcocarbonique d’une eau. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 105 INTRODUCTION Les éléments présents dans les eaux naturelles peuvent s’y trouver à des concentrations telles qu’il en résulte parfois des inconvénients majeurs. Ces derniers peuvent être provoqués aussi bien par l’excès que par l’insuffisance de ces concentrations. Aussi y a-t-il lieu de les corriger. Lorsqu’il s’agit d’éléments qui interviennent dans l’équilibre calcocarbonique, les conséquences de cette situation sont particulièrement graves pour les matériaux en contact des eaux. Selon les cas : • les calcaires, ciments, pourront être dégradés, c’est-à-dire transformés en espèces solubles, tels les bicarbonates. Ce qui conduira à la destruction des ouvrages ; • des dépôts de complexes de carbonates et d’oxydes métalliques pourront se déposer dans les canalisations, entraînant leur obstruction ; • divers appareils métalliques et les conduites d’eau pourront être soumis à la corrosion, laquelle amènera leur mise hors service. • Phénomène de l’équilibre des eaux Les eaux naturelles contiennent de nombreux éléments en solution parmi lesquels l’hydrogénocarbonate de calcium est le plus fréquent et le plus important. Notons que ce sel est très souvent appelé, selon une ancienne terminologie, « bicarbonate de calcium ». L’hydrogénocarbonate de calcium, non isolé à l’état cristallisé, dérive d’un acide hypothétique, l’acide carbonique H2CO3. Cet acide particulièrement instable se décompose dès sa formation pour libérer du gaz carbonique et de l’eau : H2CO3 → CO2 + H2O En solution aqueuse, l’hydrogénocarbonate de calcium et l’acide carbonique participent à un équilibre appelé traditionnellement « équilibre calcocarbonique » : O H CO CaCO ) Ca(HCO 2 2 3 2 3 + + ← → Cet équilibre met en jeu : • Ca(HCO3)2 et H2CO3 tous deux à l’état dissous • CaCO3 à l’état solide. Il s’agit donc d’un équilibre hétérogène régi par les lois propres à ce type d’équilibre. A ce sujet, rappelons que toute modification affectant la concentration de l’un des éléments participant à cet équilibre (bicarbonate de calcium, acide carbonique, …) déplacera l’équilibre. FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 106 • Le CO2 et l’eau La solubilité du gaz carbonique dans l’eau obéit à la loi de HENRY1 : 2 2 2 CO CO 0 CO P S S × = • S0 CO2 : solubilité spécifique du CO2, égale à 0,033 mol/L ; • PCO2 : pression partielle de CO2 dans la phase gazeuse. PCO2 = 3.10-4 atm, pour l’air sous pression normale. D’où S = 0,033 x 3.10-4 = 10-5 mol/L. Comme M(CO2) = 44 g/mol, S = 0,44 mg/L. Cette solubilité correspond à celle du CO2 dans l’eau lorsqu’elle est sous la pression atmosphérique, mais si cette pression augmente, la loi de HENRY entraîne une augmentation de la solubilité. C’est ce que l’on observe pour les eaux souterraines qui se trouvent en général soumises à des pressions supérieures à la pression atmosphérique et qui, par conséquent, présentent des teneurs en CO2 supérieures à celles que l’on observe pour les eaux de surface. • Eaux agressives, eaux incrustantes Quand la concentration en CO2 ne correspond pas à ce qu’elle doit être pour que l’équilibre soit réalisé, celui-ci se déplace dans un sens tel qu’un nouvel état d’équilibre soit atteint. Deux cas peuvent se présenter : • Concentration en CO2 supérieure à celle existant à l’équilibre Le déplacement de l’équilibre se fera alors vers la gauche, c’est-à-dire dans le sens d’une attaque de CaCO3 par le CO2 en excès : O H CO CaCO ) Ca(HCO 2 2 3 2 3 + + ← . Une eau qui a la capacité de dissoudre ainsi le calcaire est appelée « eau agressive ». • Concentration en CO2 inférieure à celle existant à l’équilibre Le déplacement de l’équilibre se fera alors vers la droite, c’est-à-dire dans le sens d’une précipitation de CaCO3 à partir du Ca(HCO3)2 en solution : O H CO CaCO ) Ca(HCO 2 2 3 2 3 + + → . Une eau qui présente la propriété de précipiter ainsi le calcaire est appelée « eau incrustante ». 1 Les lois principales régissant l’échange gaz/liquide sont, dans la phase liquide, la loi de HENRY qui relie, pour une température donnée, la pression partielle Pi d’un gaz i à sa fraction molaire x, en phase liquide : Pi = H . x, H étant la FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 107 • Répartition de l’anhydride carbonique dans l’eau Fig. 62. Formes de CO2 dans l’eau. III.1.1. ETUDE DE L’EQUILIBRE DES EAUX III.1.1.1. ELEMENTS CONSTITUTIFS DES EAUX Certains auteurs distinguent des éléments fondamentaux non caractéristiques des éléments fondamentaux caractéristiques. III.1.1.1.1. Éléments fondamentaux Douze éléments illustrent la nature de base d’une eau. Ce sont les éléments suivants : Cations : Anions : Proton : H+ Hydroxydes : OH- Calcium : Ca2+ Bicarbonates : HCO3 - Magnésium : Mg2+ Carbonates : CO3 2- Sodium : Na+ Chlorures : Cℓ- Potassium : K+ Sulfates : SO4 2- Nitrates : NO3 - Anhydride carbonique libre : CO2 + H2CO3 III.1.1.1.2. Eléments fondamentaux non caractéristiques Des douze éléments fondamentaux qui peuvent constituer la fiche caractéristique d’une eau, six y figurent de façon permanente, sans souci de caractérisation. Il s’agit de : H+ ; OH- ; HCO3 - ; CO3 2- ; Ca2+ ; H2CO3. Les réactions acide-base entre les différentes entités amphotères sont les suivantes : FILIERE PROFESSIONNELLE DE TECHNOLOGIE DES ALIMENTS. /Cours de traitement des eaux. Enseignant : Adolphe Kouadio, kouadioadolphe@yahoo.fr 108 Equilibre Première dissociation de H2CO3 : H2CO3 + H2O HCO3 - + H3O+ Deuxième dissociation de H2CO3 : HCO3 - + H2O CO3 2- + H3O+ Autoprotolyse de l’eau : 2H2O OH- + H3O+ Notons : • TA le titre alcalimétrique représentant [OH- ] et ½ [CO3 2- ] • TAC le titre alcalimétrique complet représentant [OH- ] ; [CO3 2- ] et [HCO3 - ] . Fig. 63. Neutralisation d’une dibase par un acide fort III.1.1.2. EQUILIBRES CARBONIQUE ET CALCOCARBONIQUE DE L’EAU A l’équilibre carbonique : Constantes d’équilibre … … portant sur les activités … portant sur les concentrations H2CO3 + H2O HCO3 - + H3O+ ) ( ) )( ( 3 2 3 3 1 CO H O H HCO uploads/Sante/ ocsi-cours-ptes3.pdf