Chimie industrielle

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Dr. Gilles OLIVE Chimie Industrielle Tome 2 - L'eau - !Caractéristiques des eaux !Mesures physico-chimiques in situ et prélèvements d'échantillons !Traitements des eaux !L'eau lourde, l'eau tritiée et les eaux enrichies. Leurs applications !Propriétés de l'eau 3 ème Edition

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Dr. Gilles OLIVE

Chimie Industrielle

Tome 2 - L'eau -

! Caractéristiques des eaux

! Mesures physico-chimiques in situ et prélèvements

d'échantillons

! Traitements des eaux

! L'eau lourde, l'eau tritiée et les eaux enrichies.

Leurs applications

! Propriétés de l'eau

3ème Edition

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- Maître.

- Houm houm.

- Si je peux me permettre. De quelle charge. De quelle charge cher payé, Messire l'Abbé parlait-il ? ... N'avez

vous pas toujours été moine ?

- Même les moines ont un passé, Alzo.

(Umberto Eco, Le nom de la rose)

Ce qui ne nous tue pas nous rend plus fort.

(Friedrich Nietzsche)

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

SOMMAIRE

CHAPITRE 1: CARACTÉRISTIQUES DES EAUX _______________________ 7

1.1. Caractéristiques importantes d'une eau ________________________________________________71.1.1. Le résidu fixe _________________________________________________________________________ 71.1.2. Les matières dissoutes __________________________________________________________________ 71.1.3. La dureté _____________________________________________________________________________ 7

Notions générales sur la dureté de l'eau ______________________________________________ 8

Dureté temporaire _________________________________________________________________ 8

Dureté permanente ________________________________________________________________ 8

Dureté totale _____________________________________________________________________ 8

Expression de la dureté _____________________________________________________________ 9

Interprétation des résultats _______________________________________________________ 10

1.1.4. L'alcalinité___________________________________________________________________________ 111.1.5. L'acidité_____________________________________________________________________________ 121.1.6. pH _________________________________________________________________________________ 121.1.7. La salinité ___________________________________________________________________________ 121.1.8. La résistivité électrique_________________________________________________________________ 13

POURQUOI LES INDUSTRIES MESURENT-ELLES LA CONDUCTIVITÉ DES EAUX

REJETÉES EN AVAL ?3 _______________________________________________________ 13

1.1.9. La turbidité2 _________________________________________________________________________ 141.1.10. Taux de gaz dissous ___________________________________________________________________ 14

Oxygène2 ______________________________________________________________________ 14

Anhydride carbonique2 ____________________________________________________________ 14

1.1.11. Caractéristiques organoleptiques _________________________________________________________ 151.1.12. Coloration7 __________________________________________________________________________ 151.1.13. Pouvoir colmatant_____________________________________________________________________ 161.1.14. Teneur en silice2______________________________________________________________________ 161.1.15. Les matières sédimentables7_____________________________________________________________ 161.1.16. Matières en suspension _________________________________________________________________ 161.1.17. Demande biologique en oxygène (DBO) ___________________________________________________ 171.1.18. Demande chimique en oxygène (DCO) ____________________________________________________ 17

vue générale __________________________________________________________________ 17

Si l'eau est peu polluée ____________________________________________________________ 18

Si l'eau est très polluée ____________________________________________________________ 18

Normes régionales _____________________________________________________________ 18

1.1.19. Carbone organique total (COT) __________________________________________________________ 181.1.20. Carbone total (CT) ____________________________________________________________________ 181.1.21. Exemple: caractéristique de l'eau de mer ___________________________________________________ 181.1.22. Qu'appelle-t-on une eau potable ? (en France) _______________________________________________ 18

Contrôle de l'eau potable ________________________________________________________ 19

Notes sur le poisson éléphant (de http://aquafish.free.fr/ et http://www.upmf-grenoble.fr/labicog/) _ 20

1.1.23. Norme de la Région Bruxelles-Capitale ____________________________________________________ 231.1.23.1.PARTIE A - Paramètres microbiologiques _______________________________________________ 231.1.23.2.PARTIE B - Paramètres chimiques _____________________________________________________ 24

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1.1.23.3.PARTIE C ________________________________________________________________________ 251.1.23.3.1. Paramètres indicateurs __________________________________________________________ 251.1.23.3.2. Radioactivité__________________________________________________________________ 261.1.23.3.3. Paramètres complémentaires _____________________________________________________ 26

1.1.24. Comparaison de quelques eaux___________________________________________________________ 28

1.2. Caractéristiques secondaires d'une eau et effets biologiques ______________________________281.2.1. Sulfate8_____________________________________________________________________________ 281.2.2. Calcium8____________________________________________________________________________ 281.2.3. Magnésium8 _________________________________________________________________________ 291.2.4. Fluor8 ______________________________________________________________________________ 291.2.5. Sodium8 ____________________________________________________________________________ 291.2.6. Potassium8 __________________________________________________________________________ 29

1.3. Effet des principaux facteurs toxiques de l'eau9 ________________________________________29

1.4. Les paramètres de nature moins toxique: les paramètres physico-chimiques9________________31

1.5. Les critères de qualité pour l'eau brute destinée à la boisson9 _____________________________34

1.6. La qualité de l'eau dans l'environnement9 _____________________________________________36

1.7. L'épuration des eaux usées9 _________________________________________________________37

1.8. Aspects quantitatifs du traitement de l'eau9____________________________________________39

1.9. Les eaux minérales8 _______________________________________________________________39

1.10. Les eaux de piscines privées _________________________________________________________42

CHAPITRE 2: MESURES PHYSICO-CHIMIQUES IN SITU ET

PRÉLÈVEMENTS D'ÉCHANTILLONS__________________________________ 43

2.1. Généralités sur les prélèvements d'échantillons _________________________________________432.1.1. Le flaconnage ________________________________________________________________________ 432.1.2. Mode de prélèvement et fréquence de prélèvement ___________________________________________ 44

2.1.2.1. Le prélèvement instantané ____________________________________________________________ 442.1.2.2. Le prélèvement composite ____________________________________________________________ 442.1.2.3. Le prélèvement avec concentration _____________________________________________________ 45

2.1.3. La conservation de l'échantillon __________________________________________________________ 45

2.2. Analyses sur site___________________________________________________________________462.2.1. Méthodes potentiométriques_____________________________________________________________ 46

2.2.1.1. Le pH ____________________________________________________________________________ 472.2.1.1.1. Le principe ___________________________________________________________________ 472.2.1.1.2. Les électrodes _________________________________________________________________ 472.2.1.1.3. Remarques. ___________________________________________________________________ 48

2.2.1.2. La température _____________________________________________________________________ 482.2.1.3. L'oxygène dissous par la méthode électrochimique. ________________________________________ 49

2.2.1.3.1. Principe______________________________________________________________________ 492.2.1.3.2. Remarques ___________________________________________________________________ 49

2.2.1.4. La conductivité_____________________________________________________________________ 502.2.1.5. La Néphélométrie: Mesure de la turbidité ________________________________________________ 51

2.2.2. Méthodes visuelles: Mesure de la transparence ______________________________________________ 51

2.3. Les analyses de laboratoires, après prélèvement ________________________________________522.3.1. La demande biologique en oxygène (DBO) _________________________________________________ 52

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2.3.2. Les matières en suspension (MES) ________________________________________________________ 522.3.2.1. Prétraitement du disque filtrant ________________________________________________________ 532.3.2.2. Filtration de l'échantillon _____________________________________________________________ 53

2.4. Interprétation des paramètres _______________________________________________________53

CHAPITRE 3: TRAITEMENTS DES EAUX ____________________________ 56

3.1. Technique d'épuration _____________________________________________________________563.1.1. Techniques générales __________________________________________________________________ 56

3.1.1.1. Dégrillage_________________________________________________________________________ 563.1.1.2. Dessablage ________________________________________________________________________ 563.1.1.3. Déshuilage ________________________________________________________________________ 563.1.1.4. Disparition des matières en suspensions et matières colloïdales _______________________________ 56

ExempleS d'agents coagulants ____________________________________________________ 58

Coagulants minéraux______________________________________________________________ 58

Coagulants organiques ____________________________________________________________ 59

Exemples d'agents floculants _____________________________________________________ 59

Appareillage __________________________________________________________________ 60

3.1.1.5. Décantation14 _____________________________________________________________________ 603.1.1.6. Filtration et absorption _______________________________________________________________ 613.1.1.7. Diminution de la dureté ______________________________________________________________ 61

3.1.1.7.1. Première méthode: Décarbonatation à la chaux _______________________________________ 613.1.1.7.2. Deuxième méthode: Carbonate de Sodium __________________________________________ 623.1.1.7.3. Troisième méthode: Précipitation à la soude _________________________________________ 623.1.1.7.4. Quatrième méthode: Résines échangeuses d'ions______________________________________ 62

3.1.1.8. Déminéralisation totale ______________________________________________________________ 623.1.1.9. Évaporateur _______________________________________________________________________ 62

3.1.2. Etape pour obtenir de l'eau potable________________________________________________________ 623.1.2.1. Chloration: Cl2 (gazeux) _____________________________________________________________ 623.1.2.2. Utilisation de peroxyde de chlore: ClO2__________________________________________________ 63

De façon plus detaillée8 _________________________________________________________ 64

DESINFECTION DE L'EAU PAR LE DIOXYDE DE CHLORE ________________________ 65

Mode d'action ___________________________________________________________________ 65

3.1.2.3. Ozonation (O3) _____________________________________________________________________ 653.1.2.4. L'eau oxygénée ou peroxyde d'hydrogène (H2O2) __________________________________________ 663.1.2.5. Désinfection de l'eau par ultraviolets9 ___________________________________________________ 66

3.1.2.5.1. Conditions élémentaires de l'action ________________________________________________ 663.1.2.5.1.1.Principes fondamentaux _______________________________________________________ 66

3.1.2.5.1.2.Effets généraux ______________________________________________________________ 67

3.1.2.5.1.3.Théorie actuelle de l'action germicide ____________________________________________ 68

3.1.2.5.1.4.Equipement à envisager _______________________________________________________ 68

3.1.2.5.2. Caractéristiques des sources disponibles d'UV________________________________________ 683.1.2.5.2.1.Intensité des UV _____________________________________________________________ 68

3.1.2.5.2.2.Rendement d'émission des lampes _______________________________________________ 69

3.1.3. Traitement biologique__________________________________________________________________ 703.1.3.1. Différentes phases de croissance _______________________________________________________ 703.1.3.2. Techniques de comptages des bactéries: _________________________________________________ 70

3.2. Stations d'épuration _______________________________________________________________71

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3.2.1. Historique14 _________________________________________________________________________ 713.2.2. Les procédés d'épuration biologique14_____________________________________________________ 71

Pretraitements _________________________________________________________________ 72

La decantation primaire _________________________________________________________ 72

Le traitement aerobie ___________________________________________________________ 72

3.2.3. Station d'épuration de Malmedy15 ________________________________________________________ 73Procédé de traitement _____________________________________________________________ 75

Caractéristiques des ouvrages _______________________________________________________ 75

Ligne de traitement des eaux:_____________________________________________________ 75

Un traitement biologique:________________________________________________________ 76

Ligne de traitement des boues: ____________________________________________________ 76

3.2.4. Epuration autour de la maison1 __________________________________________________________ 773.2.4.1. L'épuration primaire_________________________________________________________________ 78

3.2.4.1.1. Fosse de décantation____________________________________________________________ 783.2.4.1.2. Dégraisseur___________________________________________________________________ 793.2.4.1.3. Fosse septique_________________________________________________________________ 79

3.2.4.2. L'épuration secondaire ou biologique ___________________________________________________ 793.2.4.3. L'épuration tertiaire _________________________________________________________________ 793.2.4.4. Epuration biologique dans les micro-stations _____________________________________________ 79

3.2.4.4.1. Biodisques ___________________________________________________________________ 803.2.4.4.2. Lit bactérien aérobie ____________________________________________________________ 803.2.4.4.3. Boues activées ________________________________________________________________ 813.2.4.4.4. Biomasse fixée ou biomasse immergée aérobie _______________________________________ 81

3.2.4.5. Epuration biologique par lagunage _____________________________________________________ 813.2.4.5.1. Filtre planté de roseaux__________________________________________________________ 813.2.4.5.2. Roselière à écoulement horizontal _________________________________________________ 823.2.4.5.3. Lagune à macrophytes __________________________________________________________ 823.2.4.5.4. Marais (zone humide) reconstituées ________________________________________________ 82

3.3. Purification de l'eau au laboratoire13 _________________________________________________833.3.1. Les polluants de l'eau __________________________________________________________________ 83

3.3.1.1. Les particules ______________________________________________________________________ 833.3.1.2. Les impuretés inorganiques ___________________________________________________________ 833.3.1.3. Les impuretés organiques_____________________________________________________________ 833.3.1.4. Les contaminants biologiques _________________________________________________________ 83

3.3.2. Les techniques de purifications___________________________________________________________ 843.3.2.1. L'adoucisseur ______________________________________________________________________ 843.3.2.2. L'osmose inverse ___________________________________________________________________ 843.3.2.3. La déminéralisation _________________________________________________________________ 843.3.2.4. La distillation ______________________________________________________________________ 843.3.2.5. Le polissage _______________________________________________________________________ 85

CHAPITRE 4: L'EAU LOURDE, L'EAU TRITIÉE ET LES EAUX ENRICHIES.

LEURS APPLICATIONS ______________________________________________ 86

4.1. Notion d'Isotopie __________________________________________________________________864.1.1. Le deutérium H2

1 ____________________________________________________________________ 87

4.1.2. Le tritium H31 _______________________________________________________________________ 88

4.2. Eau lourde et eau tritiée ____________________________________________________________88

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4.2.1. Propriétés physiques ___________________________________________________________________ 884.2.2. Préparation __________________________________________________________________________ 90

4.2.2.1. Hydrogène lourd ou deutérium ________________________________________________________ 904.2.2.2. Tritium ___________________________________________________________________________ 90

4.2.3. Méthodes de dosage ___________________________________________________________________ 914.2.3.1. Hydrogène lourd ou deutérium ________________________________________________________ 914.2.3.2. Tritium ___________________________________________________________________________ 93

4.3. Autres formes isotopiques de l'eau ___________________________________________________934.3.1. La méthode des indicateurs isotopiques ____________________________________________________ 94

4.3.1.1. Applications biologiques _____________________________________________________________ 944.3.1.2. Applications chimiques ______________________________________________________________ 96

4.4. L'eau lourde dans les recherches de physique nucléaire __________________________________96

4.5. Ouvrages généraux ________________________________________________________________97

4.6. Composition isotopique de l'eau4_____________________________________________________98

CHAPITRE 5: PROPRIÉTÉS DE L'EAU ______________________________ 99

5.1. Pression de vapeur et densité de l'eau en fonction de la température4 ______________________99

5.2. Solubilité du chlore9 ______________________________________________________________1005.2.1. Solubilité pratique du chlore, en g/L______________________________________________________ 1005.2.2. Coefficients de Henry pour le chlore _____________________________________________________ 100

5.3. Propriétés hydrodynamiques4 ______________________________________________________1015.3.1. Viscosité dynamique (η)_______________________________________________________________ 1015.3.2. Tension superficielle (γ) _______________________________________________________________ 102

5.4. Propriétés thermodynamiques4 _____________________________________________________102

5.5. Propriétés électriques4 ____________________________________________________________102BIBLIOGRAPHIE ____________________________________________________________ 103

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INTRODUCTION1

Ce n'est pas un hasard si notre terre est souvent appelée la «Planète bleue». 70% de sa surface est eneffet couverte d'eau. Mais seuls 2,5% de l'énorme quantité d'eau présente sur notre planète sontconstitués d'eau douce, le reste (97,5 %) étant de l'eau salée. Et il serait faux de croire que ces maigres2,5 % nous sont entièrement disponibles: 0,26 % seulement de l'eau douce présente sur Terre estdirectement disponible pour la consommation humaine.L'eau est donc une ressource très limitée. Pourtant, on ne peut pas dire que l'homme ménage cetteressource naturelle si précieuse.

De toute l'eau présente sur la terre, soit quelque 1386 millions de km3... seul 0,09 million de km3 estdirectement disponible pour la consommation humaine.

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CHAPITRE 1: CARACTÉRISTIQUES DES EAUX

1.1. Caractéristiques importantes d'une eau

Il y a plusieurs variables physico-chimiques et biologiques de l'eau. Il existe de nombreux ouvrages surle sujet. De plus un certains nombres d'informations complémentaires se trouvent au 1.10 ou bien dansle tome TP.

1.1.1. Le résidu fixe

Il représente la quantité totale de matières dissoutes ou en suspension obtenue par évaporation d'uneeau non filtrée puis séchage à l'étuve à 105 °C.

Un arrêté royal de 1985a établit un premier classement des eaux minérales sur base de l'extrait sec(résidu subsistant après évaporation d'un litre d'eau et séché à 180 °C durant 30 minutes) ou de lateneur en sels minéraux.

Table 1 Classification des eaux minérales

Type d'eau Extrait sec ou teneur en sels minéraux(maximum admissible)

Eau très faiblement minéralisée 50 mgEau faiblement minéralisée 500 mgEau très riche en sels minéraux plus de 1500 mg

1.1.2. Les matières dissoutes

Elles sont obtenues de la même façon qu'au 1.1.1 mais après filtration de l'eau. La limite acceptable estde l'ordre de 500 mg.l-1.

1.1.3. La dureté

On parle aussi de titre hydrotimétrique (T.H.): cela correspond à la quantité de sels alcalino-terreux(Ca, Mg).Il existe plusieurs unités. En première approximation on transforme la quantité d'alcalino-terreux enquantité de carbonate de calcium (CaCO3). Le degré français (°F) est alors défini par

1 °F = 0,01 g = 10 mg de CaCO3 / l d'eau

Dureté totale: tout les sels d'alcalino-terreux. Le plus fréquent est l'hydrogénocarbonate de calcium(Ca(HCO3)2)

Dureté permanente: tout les sels d'alcalino-terreux sauf les hydrogénocarbonates.

a A.R. 11 octobre 1985, Moniteur belge 26/11/1985

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Dureté temporaire: dureté des bicarbonates. Elle est égale à la différence entre la dureté totale et ladureté permanente.On peut se débarrasser des bicarbonates en chauffant: il précipite alors sous forme de carbonate decalcium (calcaire) insoluble.

Ca(HCO3)2 H2O + CO2 + CaCO3(s)∆

Il y a différents types d'eau en fonction de la dureté:

Table 2

Très douce < 3 °FDouce 3 à 15 °FDure 15 à 30 °F

Très dure > 30 °F

Autrement dit de façons plus détaillées, voici quelques

NOTIONS GÉNÉRALES SUR LA DURETÉ DE L'EAU

La dureté de l'eau est due à la présence des ions Ca2+ et Mg2+ (dans certains cas aussi Fe3+), quiexistent dans la solution sous forme de sels solubles. Selon la nature des sels que les ions alcalino-terreux peuvent former avec des ions négatifs présents dans l'eau, on distingue la dureté temporaire etla dureté permanente.

Dureté temporaire

La dureté temporaire représente la quantité des ions Ca2+ et Mg2+ qui précipitent par ébullition. Elle estdue à la présence dans l'eau des ions hydrogénocarbonates solubles (HCO3

-), qui par chauffage setransforment en carbonates donnant avec les ions Ca2+ des sels insolubles.

2 HCO3- H2O + CO2 + CO3

2-

Ca2+ + CO32- CaCO3

Lors du chauffage, on élimine une partie d'ions Ca2+ et Mg2+ sous forme de précipité qui s'incrustedans les récipients et porte le nom courant de tartre.

Dureté permanente

La dureté permanente représente la quantité des ions Ca2+ et Mg2+ qui restent en solution aprèsl'ébullition.

Dureté totale

Elle vaut la somme des duretés permanente et temporaire. Elle représente la quantité totale des ionsCa2+ et Mg2+ dans l'eau.

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Expression de la dureté

La dureté de l'eau est exprimée soit en degré français (°F) soit en degré allemand (°A).1°F, degré français correspond à 10 mg de CaCO3 par litre d'eau.1°A, degré allemand correspond à 10 mg de CaO par litre d'eau.

--------- Référence bibliographique 2 ---------

La dureté d'une eau est proportionnelle au nombre total d'atomes de calcium et de magnésium qu'ellerenferme.Dans la plupart des pays, on exprime encore la dureté en degrés hydrotimétriques et il faut distinguerles «degrés» français (ou T. H.), anglais, américain, allemand. Mais, il existe maintenant une unitéinternationale, le «milliéquivalent» (abréviation mé).

! Un milliéquivalent correspond à une demi-molécule gramme d'un sel de calcium ou demagnésium (ces métaux sont bivalents) par mètre cube d'eau.! Un degré français correspond à 10 mg de carbonate de calcium par litre d'eau, soit unemolécule-gramme (100 g) par 10 m3.! Un degré anglais correspond à un grain (0,065 g) de carbonate de calcium par gallon (4,546litres) d'eau, soit 14,3 mg par litre.! Un degré américain correspond à un grain de CaCO3 par gallon U.S. (3,785 litres) d'eau,soit 17,2 mg par litre.! Un degré allemand correspond à 10 mg de chaux vive (CaO) par litre d'eau, soit 17 mg deCaCO3.

De plus en plus, allemands et américains substituent à leurs unités traditionnelles la partie par million(p.p.m.) de CaCO3.

Le tableau ci-dessous donne la correspondance entre ces diverses unités:

Table 3Milli-

équivalentDegré

françaisDegréanglais

Degréaméricain

Degréallemand

p. p. m.CaCO3

1 milliéquivalent 1 5 3,5 2,9 2,8 501 degré français 0,2 1 0,70 0,58 0,56 101 degré anglais 0,286 1,43 1 0,83 0,80 14,3

1 degré américain 0,34 1,72 1,2 1 0,96 17,21 degré allemand 0,358 1,79 1,25 1,04 1 17,91 p. p. m. CaCO3 0,02 0,1 0,07 0,058 0,056 1

1 mmol/l d'ions

alcalino-terreux3 2,00 10,00 7,02 5,50 100,00

On distingue:! la dureté totale qui correspond à l'ensemble des sels de calcium et de magnésium ;! la dureté permanente mesurée après ébullition. L'ébullition chasse le gaz carbonique dissous ettransforme le bicarbonate de calcium soluble en carbonate presque insoluble (solubilité 20-30mg.l-1). La dureté permanente est, sauf pour les eaux très magnésiennes, supérieure de 0,5 méenviron à la dureté due aux sels de magnésium, aux chlorure et sulfate de calcium ;! la dureté temporaire, essentiellement due au bicarbonate de calcium, égale à la différenceentre la dureté totale et la dureté permanente ;! la dureté magnésienne mesurée après précipitation des sels de calcium par l'oxalated'ammonium.

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Selon que la dureté est surtout constituée par du carbonate de calcium, du sulfate de calcium ou dessels de magnésium, les eaux sont dites calcaires, séléniteuses ou magnésiennes.Les eaux dont la dureté totale est inférieure à 1 mé sont considérées comme douces.

INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS

Les eaux potables de bonne qualité ont un degré hydrotimétrique inférieur à 15. Elles sont acceptablesjusqu'à 50 degrés, mais si elles dépassent 60 degrés, leur utilisation est extrêmement difficile et leuradoucissement devrait être envisagé.La concentration limite de 50 degrés a été adoptée par les normes européennes. La réglementationfrançaise précise que si le degré hydrotimétrique total doit être inférieur à 30, le degré optimum paraits'établir aux environs de 12 à 15.

Il est a remarquer que certaines eaux dites minérales ont un degré hydrotimétrique très élevé (entre 100et 150).

Le calcium qui est un élément de la dureté est généralement l'élément dominant des eaux potables. Ilexiste essentiellement sous forme de bicarbonate et en quantité moindre sous forme de sulfate et dechlorure.Les eaux potables de bonne qualité renferment de 100 à 140 mg de calcium par litre (250 a 350 mg enCaCO3).Les eaux qui dépassent 200 mg de calcium présentent de sérieux inconvénients pour les usagesdomestiques et pour l'alimentation des chaudières.

Le magnésium, autre élément de la dureté donne un goût désagréable à l'eau à partir de certainesteneurs.La concentration limite tolérée est de 125 mg.l-1.

Le degré permanent indique la quantité d'ions calcium et magnésium persistant après ébullition. Il estd'autant plus élevé que l'eau est plus riche en anions autres que les bicarbonates (sulfates, chlorures,nitrates) et en magnésium.

Table 4

Dureté de quelques eaux de distribution en °FEaux très dures

(+ de 35 °F)Eaux dures

(de 26 à 35 °F)Eaux moyennement dures

(de 16 à 25 °F)Eau douces(6 à 10 °F)

Amay 50 Bruxelles 35 Eeklo 25 Eupen 10Louvain laNeuve Ottignies 42 Casteau 35 Korbeek-Lo 25 Oud-Turnhout 10

Beauvechain 40 Ciney 35 Namur 20 Tesserdenlo 6Leuze 40 Waremme 35 Rumst 20Bruges 38 Baudour 34 Kapellen 19

Scholen 38 Liège 34 Campine duNord 18 Eaux très douces

(0 à 5 °F)Brasschaat 33 Grobbendonk 16 Verviers 2Charleroi 32 Hasselt 16Chaumont-Gistoux 30 Anvers 15

Mons 30 Lanaken 15Seneffe 28 Herentals 12Jambes 26

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1.1.4. L'alcalinité

Elle mesure la basicité de l'eau: elle est principalement due aux ions hydroxydes (HO-), carbonates( −2

3CO ) ou phosphates ( −34PO ).

C'est le nombre de millilitre d'acide sulfurique 1:50 normale nécessaire pour titrer 100 ml d'eau etavoir un virage avec la phénolphtaléine. Ce taux dépend de la concentration en ions hydroxydes ([HO-

]), un demi de la concentration en ions carbonates (

−2

3 21 CO ) ou un tiers de la concentration en ions

phosphates ( [ ]−343

1 PO ) ceci étant dû aux charges.

Les unités dépendent de l'indicateur choisi:! méthylorange: zone de virage 4! phénolphtaléine: zone de virage 8,9

On dosera donc plus avec le méthylorange qu'avec la phénolphtaléine. Avec le méthylorange on doserales hydrogénocarbonates en plus des ions cités ci-dessus (hydroxydes, carbonates et phosphates).

Autrement dit de façon plus détaillée2:

Le titre alcalimétrique ou T. A. est égal au nombre de millilitres d'acide sulfurique N/50 nécessairespour neutraliser à la phénolphtaléine, c'est-à-dire vers pH 8,6, 100 ml d'eau.Il mesure la totalité des alcalis libres + 1/2 de l'alcali combiné en carbonate + 1/3 de l'alcali combiné enphosphate tribasique.

1 degré T. A. correspond à: 8 mg.l-1 de NaOHou 21,2 mg.l-1 de Na2CO3

20 mg.l-1 de CaCO376 mg.l-1 de Na3PO4, 12 H2O

Le titre alcalimétrique complet ou T. A. C. est égal au nombre de millilitres d'acide sulfurique N/50nécessaires pour neutraliser au méthylorange, c'est-à-dire vers pH 4,4, 100 ml d'eau.Il mesure la totalité des alcalis libres et carbonatés et les 2/3 de l'alcali combiné en orthophosphatetribasique.

1 degré T. A. C. correspond à: 8 mg.l-1 de NaOHou 10,6 mg.l-1 de Na2CO3

16,8 mg.l-1 de NaHCO310 mg.l-1 de CaCO316,2 mg.l-1 de Ca(HCO3)214,6 mg.l-1 de Mg(HCO3)2

38 mg.l-1 de Na3PO4, 12 H2O

Dans les eaux naturelles:• T. A. C. est sensiblement égal à la dureté carbonatée (carbonates et bicarbonates de calcium et de

magnésium) exprimée en degrés français. Toutefois pour les eaux renfermant du bicarbonate desodium, le T. A. C. est majoré de 1° par 16,8 mg de NaHCO3 par litre d'eau.

• T. H.-T. A. C. correspond à la dureté apportée par les chlorures et les sulfates, à condition que l'eaune renferme pas de bicarbonate de sodium.

En Allemagne et dans certains autres pays européens, on utilise les valeurs p et m. Elles correspondentrespectivement à 5 fois nos valeurs T. A. et T. A. C.

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

L'alcalinité d'une eau peut aussi être appréciée qualitativement par son pH (on sait que le pH est lelogarithme décimal de l'inverse de la concentration en ions hydrogène). Le pH de l'eau pure à 20 °C est7. Il varie en sens contraire de la température comme il ressort du tableau ci-après:

Table 5 (avec source référence 4)

Température (°C) pH Kw.10-14

0 7,5 0,1145 7,37 0,185

10 7,27 0,29215 7,17 0,4520 7,08 0,68125 6,99 1,00830 6,92 1,46935 6,84 2,08940 6,77 2,91950 6,6(3) 5,474100 6,1160 5,8200 5,7250 5,5300 5,45350 5,5

Les valeurs admises varient légèrement selon les auteurs (pour certains 5,6 entre 300 et 350 °C).Les pH supérieurs à 7 sont considérés comme alcalins, les pH inférieurs comme acides.

1.1.5. L'acidité

On titre avec de la soude 1/10 normale. Les valeurs vont dépendre de l'indicateur utilisé.

1.1.6. pH

Voir 2.2.1.1 à la page 47. Voir aussi Table 5 à la page 12.

1.1.7. La salinité

C'est la quantité totale de sel dissous dans un litre d'eau. La salinité s'exprime en milligrammes ou engrammes de sels solubles par litre d'eau. Il est souvent important de connaître la teneur en chlorures.

La composition de l'eau de mer est assez variable, comme le montre le tableau suivant, qui donne lateneur totale en sels et la composition de la fraction saline des eaux de différentes mers en 19525:

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Table 6

Teneur en sel (%)Caspienne

0,63 %

MerNoire

1,77 %

MerBaltique1,77 %

Mer duNord

3,31 %

Méditer-ranée

3,37 %

Atlan-tique

3,63 %

MerMorte

22,30 %NaCl 58,25 79,39 84,70 78,04 77,07 77,03 36,55KCl 1,27 1,07 » 2,09 2,48 3,89 4,57

CaCl2 » » » 0,20 » » 11,38MgCl2 10,00 7,38 9,73 8,81 8,76 7,86 45,20

NaBr + MgBr2 » 0,03 » 0,28 0,49 1,30 0,85CaSO4 7,78 0,60 0,13 3,82 2,76 4,63 0,45MgSO4 19,68 8,32 4,96 6,56 8,34 5,29 »

CaCO3 + MgCO3 3,02 3,21 0,48 0,18 0,10 » »

1.1.8. La résistivité électrique

L'eau pure est très résistante. Son unité est le Ω.cm. Pour plus d'information voir le paragraphe 2.2.1.4à la page 50.

POURQUOI LES INDUSTRIES MESURENT-ELLES LA CONDUCTIVITÉ DES EAUXREJETÉES EN AVAL ?3

Pour le refroidissement et le nettoyage des installations, l'industrie utilise surtout l'eau des fleuves etdes rivières. Cette eau est pompée en amont et rejetée en aval du site industriel. Dans le but deconserver constante la qualité de l'eau (composition, température,...) des cours d'eau, la loi impose auxindustries que l'eau rejetée soit de qualité comparable à celle de l'eau pompée: d'où la présence d'unitésde purification et de refroidissement situées sur les sites industriels.Le rejet de ces eaux est donc soumis à la mesure régulière de nombreux paramètres. Un de cesparamètres est la conductivité électrique de l'eau à une température donnée. Ces eaux doivent avoir unecomposition ionique semblable à celle de l'eau prélevée: une conductivité trop élevée des eaux rejetéesindiquerait une quantité anormale d'ions, mettant ainsi en danger l'écosystème du cours d'eau.L'enregistrement graphique en continu de la conductivité (Voir ci-dessous 6) d'une eau rejetée montrebien les limites inférieures et supérieures à ne pas dépasser.

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1.1.9. La turbidité2

C'est la mesure de la transparence (la limpidté) spectrophotométrique. Attention, dans ce cas la loi deBeer-Lambert ne s'applique pas car les particules n'absorbent pas. (Voir aussi 2.2.1.5 et 2.2.2 page 51).

La turbidité d'une eau est l'inverse de sa transparence. Plusieurs méthodes de mesure ont été proposées:! détermination de la limite de visibilité d'un objet immergé! comparaison de la transparence de l'échantillon à celle d'un échantillon d'eau distillée auquel

on ajoute goutte à goutte une solution alcoolique de mastic. La turbidité est alors évaluée ennombre de «gouttes de mastic» nécessaires pour obtenir la même transparence

! comparaison avec un échantillon limpide à l'aide de néphélomètres utilisant souvent l'effetTyndall.

Certains appareils (turbidimètre Hellige) permettent une lecture directe.Les méthodes utilisées le plus couramment pour la détermination de la turbidité et des autrescaractéristiques des eaux naturelles sont rassemblées dans l'ouvrage de RODIER, L'analyse chimique etphysico-chimique de l'eau. Certaines d'entre elles ont été homologuées par l'AFNOR (AssociationFrançaise de Normalisation).La turbidité des eaux de surface, spécialement de celles puisées dans les cours d'eau, peut subir desvariations très brutales et de très grande amplitude.

1.1.10. Taux de gaz dissous

Notamment le dioxyde de carbone, l'oxygène et l'azote moléculaire. Il y a aussi dans certains casl'hydrogène sulfuré et l'ammoniac7.

Oxygène2La teneur d'une eau en oxygène dissous s'exprime le plus souvent en milligrammes par litre. Elle variedans les eaux naturelles de zéro à la saturation, selon leur origine.

Anhydride carbonique2Les eaux naturelles renferment des quantités variables d'anhydride carbonique, généralement enéquilibre avec les carbonates et bicarbonates qu'elles contiennent. L'anhydride carbonique dit«agressif» est celui qui se trouve en excès par rapport à la dose d'équilibre. Les teneurs s'exprimentégalement en milligrammes de CO2 par litre d'eau.

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Table 7 - Solubilité des gaz dans l'eau (p = 101325 Pa de gaz pur)4

Gaz Solubilité (mg.l-1 à 25 °C) kH (Constante d'Henry enmM.atm-1 à 20 °C)

O2 40,3 1,3N2 17,9 0,7

CO2 1,5.103 23O3 580H2 1,57 0,85Cl2 6,3.103

H2S 3,35.103

SO2 93.103

NH3 414.103

Air 0,79He 0,37Ar 1,5Ne 0,5

Table 8 - Solubilité de l'oxygène dans l'eau en fonction de la température (p = 101325 Pa d'air à 21 %d'oxygène)4

T(° C)

Solubilité(mg.l-1)

T(° C)

Solubilité(mg.l-1)

T(° C)

Solubilité(mg.l-1)

T(° C)

Solubilité(mg.l-1)

0 14,6 10 11,3 20 9,2 30 7,61 14,2 11 11,1 21 9 40 6,62 13,8 12 10,9 22 8,9 50 5,63 13,5 13 10,6 23 8,74 13,1 14 10,4 24 8,65 12,8 15 10,2 25 8,46 12,5 16 10 26 8,27 12,2 17 9,8 27 8,18 11,9 18 9,6 28 7,99 11,6 19 9,4 29 7,8

1.1.11. Caractéristiques organoleptiques

C'est en principe le goût. Mais comme cela est très subjectif, on l'utilise peu.On peut aussi parler de l'odeur... mais là aussi c'est peu utilisé.

Pour les paramètres physiologiques, il s'agit essentiellement de caractériser le goût et l'odeur d'une eau.Ces déterminations sont assez subjectives. Des tableaux existent qui donnent les limites de perceptiondes saveurs en mg.l-1 pour les composés typiques (FeSO4, Cl2, H2S, etc...)7.

1.1.12. Coloration7

Au niveau de la couleur, on distingue couleur apparente et couleur vraie, cette dernière étant obtenueaprès centrifugation de l'eau. Comme unité, on convient de choisir la couleur d'une solution contenant1 mg de platine par litre.

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1.1.13. Pouvoir colmatant

On le mesure dans un calmatomètre. C'est le volume d'eau avant de pouvoir boucher un filtre avec cevolume d'eau.

Figure 1 - Colmatomètre Baudrey

1.1.14. Teneur en silice2

Cette teneur s'exprime toujours en milligrammes de SiO2 par litre d'eau. Les eaux les plus douces sonttrès souvent les plus riches en silice ; on les trouve dans les régions granitiques ou très argileuses(Massif Central, Vosges, Ardennes, Bretagne, Landes, etc.). La teneur en silice des eaux peut varier dequelques milligrammes à 50 mg.l-1.La silice existe principalement à l'état ionique, accessoirement à l'état colloïdal.

1.1.15. Les matières sédimentables7

Elles sont mesurées par la quantité ayant sédimenté en deux heure dans le cône de IMHOFF (cônegradué de quarante centimètre de hauteur et d'un litre de capacité).

1.1.16. Matières en suspension

L'abréviation est MES. C'est notamment à cause de ces MES qu'il y a une certaine couleur et unecertaine turbidité.Exemples de MES: argile, sable, bactéries, champignons, etc ...Pour sans débarrasser, on peut filtrer l'eau ou provoquer une dessiccation à 100 - 120 °C.On mesure les MES par le volume dans un cône ou une mesure de masse.

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1.1.17. Demande biologique en oxygène (DBO)

Remarque: les MES, la DCO et la DBO sont des paramètres très important dans l'industrie.

On note la DBO de la façon suivante:

520DBO 5: nombre de jours

20: températureL'expérience est réalisée dans le noir.

La DBO est la quantité d'oxygène (en mg) qui a été nécessaire pour oxyder les matières organiquesprésentes dans un (1) litre d'eau par les micro-organismes (bactéries). Ce paramètre est très important àla sortie de l'épuration, car il détermine les déchets biodégradables.Dans le cas de déchets non-biodégradables (détergents et pesticides), il faut alors procéder en deuxétapes:

! Dégradation des matières carbonylés! Dégradation des matières azotées.

Il faut 20 jours pour détruire entièrement les matières biodégradables.Le cas des polymères est plus complexe:

! Les polycoprolactone sont très biodégradables, donc leur mise en uvre est très difficile.! Les polymères étant difficilement biodégradable, on va faire des copolymères (plusieurs

monomères) pour augmenter la biodégradabilité.

Dispositif expérimental:! bouteilles brunes plus un dispositif pour mesurer l'oxygène (nommé oxytop)! dans le bouchon on met une pastille de NaOH, qui sert à neutraliser le dioxyde de carbone

(dû à l'augmentation de la biomasse) car loxytop fait une mesure de pression.

1.1.18. Demande chimique en oxygène (DCO)

VUE GÉNÉRALE

La DCO est l'oxydation des molécules à l'aide de produit chimique qui est souvent un oxydant. Onpeut utiliser le bichromate de potassium (K2Cr2O7, qu'on fait bouillir avec l'eau, de l'acide sulfurique et

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des catalyseurs qui sont à base d'argent ou de mercure), ou du permanganate de potassium (KMnO4).Dans ce dernier cas on mesure l'oxydabilité de l'eau.

Dispositif expérimental:

Si l'eau est peu polluéeOn titre l'excès de bichromate de potassium dans l'eau. On utilise la spectrométrie dans le visible sur lebichromate de potassium qui est orange. On effectue une mesure d'absorption dans le visible. Grâce àla loi de Beer-Lambert (A = ε.l.C, avec ε coefficient d'extinction molaire), on a une relation linéaireentre A (l'absorbance) est la concentration.

Si l'eau est très polluéeOn dose les produits chromeux (Cr3+) qui sont vert par spectrométrie dans le visible.

Malgré tout cela, il existe des substances qui ne sont pas oxydées: ce sont les phénols et lesaromatiques.

En général, le DCO est supérieure à la DBO. Si on a une égalité entre DCO et DBO, cela veut dire quetout est biodégradable.

NORMES RÉGIONALESLes normes sont plus sévères en Flandre qu'en Wallonie.

1.1.19. Carbone organique total (COT)

Cela mesure la quantité totale de carbone dans les produits organiques.

1.1.20. Carbone total (CT)

Mesure le carbone organique et minéral. On le mesure en brûlant et en déterminant le quantité dedioxyde de carbone.

1.1.21. Exemple: caractéristique de l'eau de mer

Dureté totale 650 °FDureté temporaire 15 °FDureté permanente 635 °F

Salinité totale 3100 °F (31 g.l-1)Titre alcalimétrique 15 °F

pH 8,2

1.1.22. Qu'appelle-t-on une eau potable ? (en France)

Une eau, pour être considérée comme potable et pouvoir être distribuée à une collectivité, doitsatisfaire aux conditions suivantes: (Arrêté ministériel du 10.08.1961 J. O. du 26.08.1961)

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! ne pas contenir d'organismes parasites ou pathogènes

! ne pas contenir, dans le cas d'une eau non traitée:- d'Eschérichia Coli dans 100 ml d'eau- de Streptocoques fécaux dans 50 ml d'eau- de Clostridium Sulfito-réducteurs dans 20 ml d'eau

! ne pas contenir, dans le cas d'une eau traitée:- d'Eschérichia Coli dans 100 ml- de Streptocoques fécaux dans 50 ml

La présence de Clostridium Sulfito-réducteurs en petit nombre est tolérable dans une eautraitée et n'implique pas à elle seule la non potabilité de l'eau.

! ne pas présenter de coloration dépassant 20 unités (échelle colorimétrique au platine cobalt),ni une turbidité supérieure à 15 gouttes de solution alcoolique de gomme mastic à 1/1000 enpériode normale.

! ne pas avoir un pouvoir colmatant dû aux éléments en suspension supérieur à 0,1 et ne pascontenir d'algues ou autres éléments figurés.

! ne pas présenter d'indices chimiques de pollution, ni de concentration en substances toxiquesou indésirables supérieures aux taux fixés par la loi.

! la minéralisation totale ne doit pas excéder 2 grammes par litre. En outre, l'eau ne doitprésenter ni odeur ni saveur désagréables.

CONTRÔLE DE L'EAU POTABLE

Outre les analyses classiques qui demandent du temps, les hommes ont utilisé des poissons.

Le premier fut la truite dans le .... "truitomètre". En effet la truite est un poisson sensible à la pollution,notamment chimique. Le truitomètre était un appareil simple comme le montre le schéma: cétait unsimple entonnoir dans lequel leau rentrait tangentiellement et tourbillonnait, la truite nageant enpermanence à contre courant. Dès quune pollution était dans leau, la truite mourait, tombait au fondde lentonnoir ce qui déclenchait une alarme.

Mais lhomme a trouvé encore mieux un poisson encore plus sensible à la pollution ; cest lepoisson éléphant Gnathonemus Petersii de la famille des mormyridae. Celui-ci envoie des impulsionsélectriques par sa queue afin de lui permettre de se diriger et de repérer ses proies. Lors d'une pollution

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chimique, les impulsions électriques diminuent ; il suffit de les capter et à un certain seuil dedéclencher une alarme.

Notes sur le poisson éléphant (de http://aquafish.free.fr/ et http://www.upmf-grenoble.fr/labicog/)

Ils sont également utilisés dans l'industrie car leur état de santé indique immédiatement la qualité de l'eau dans laquelle ilsévoluent. L'intérêt que l'on porte souvent à ce poisson, outre son allure étrange qui fait de lui une curiosité en aquariophilie,est l'organe électrique qu'il possède dans sa queue. Cet organe n'a pas encore révélé tous ses secrets et fait l'objet denombreuses recherches à travers le monde. D'une manière générale, ce poisson est passionnant et fort méconnu desaquariophiles.

Organe ElectriqueL'organe électrique du poisson éléphant se situe dans son pédoncule caudal. Les récepteurs se trouvent quant à eux prochede la tête de l'animal. Cet organe électrique intéresse beaucoup de chercheurs à travers le monde et trouve des applicationsmilitaires ainsi qu'en médecine. Nous allons exposer ici quelques résultats de recherche. La principale fonction de cetorgane électrique n'est pas l'attaque (le Gnathonemus Petersii est un poisson électrique à faible courant) mais un senssupplémentaire lui permettant de se repérer dans les eaux sombre et boueuses ainsi que de repérer ses proies. Les déchargesélectriques qu'ils émettent sont également un moyen de communication entre les individus Gnathonemus Petersii.

Quelques chiffresFréquence des impulsions: De 5 à 50 fois par seconde.Durée de l'impulsion: 1 milli-seconde environ.Amplitude des impulsions: De 5 à 20 V au contact du poisson et entre 1 et 200 mV dans l'eau.Puissance des impulsions: Quelques milli-watts.Danger: Aucun pour l'homme, même en contact direct avec le poisson.

Ces impulsions sont invisibles mais il est possible de les transformer en quelque chose d'appréciable par des humains. Onpeut ainsi les transposer vers de l'audio ou les afficher sur un oscilloscope.Il est possible de réaliser soi-même ces transpositions. Exemple simple d'expérience mettant en évidence les déchargesélectriques:Avec l'amplificateur d'une chaîne HIFI. Trempez deux fils dénudés écartés de 2 cm, connectés à l'entrée microphone del'amplificateur, directement dans l'eau à proximité des poissons. En réglant le volume sonore, il est possible d'entendre descrépitements qui sont en fait les décharges impulsionnelles transformées en son. Le bourdonnement continu du 50 Hz peutêtre supprimé en mettant l'aquarium à la masse, ou en éteignant les équipements électriques de l'aquarium (néons,chauffage, pompe, ...).

Déplacements nocturnesLes impulsions électriques générées par le poisson ont un rôle de "sonar". Le principe général est simple à énoncer: chaqueobjet (qui possède une résistance et une capacitance) se trouvant dans le champ électrique généré par l'impulsion provoqueune distorsion de ce champ. Le poisson possède des capteurs permettant d'évaluer cette distorsion. La position de l'objet estévaluée en orientation et en distance.L'orientation est donnée grâce aux récepteurs: le flanc qui enregistre la plus grande distorsion indique si l'objet se trouve àla droite ou à la gauche du poisson. L'orientation précise de l'objet est trouvée par une évaluation de la direction de laperturbation. Enfin, la distance de l'objet est donnée par une évaluation de la force et du focus de la distorsion.

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Le monde en trois dimensions qui entoure le poisson est perçu comme une "projection" en deux dimensions de ce mondesur son corps. Il semblerait donc que la position d'un objet soit perçue comme un point plus ou moins intense et flou sur lecorps du poisson. L'image perçue n'est donc pas sans ambiguïté. Ceci est en partie résolu par le fait que le flanc opposé àl'endroit ou se trouve l'objet est tout de même stimulé (faiblement) et apporte donc des informations supplémentaires maisinsuffisantes néanmoins pour restituer une position en trois dimensions.Comme pour la vision binoculaire, une deuxième source d'information est nécessaire pour localiser les objets: c'estsûrement le but du mouvement permanent de la queue du poisson. Les divers angles qu'elle adopte offrent une multituded'images supplémentaires (elle aussi en deux dimensions). En recoupant toutes ces informations, le poisson arrive àconstituer une image en trois dimensions de son environnement.De même, le poisson arrive à déterminer ce qui bouge de ce qui est fixe en comparant deux "images" successives. Laperception passive du faible champ électrique produit par les autres poissons (et proies) est une information intéressante.

Recherche de nourritureLa recherche de nourriture utilise les nombreux sens disponibles du poisson. L'usage des impulsions électriques est le sensmajeure dans le noir ou dans un environnement complexe et inconnu. Mais lorsque c'est possible, la vision devient le sensdominant. Toutefois certains poissons n'apprécient pas du tout la lumière et ne sortent pas de leur cachettes les soirs depleine lune. En captivité, cette peur de la lumière peut disparaître si l'on habitue le poisson à se nourrir lorsque la lumièreest allumée.Dans un environnement sombre où les impulsions électriques sont inefficaces, le poisson se base alors sur les mouvementsde ses proies. Ces mouvements sont perçus par des capteurs situés le long de la ligne latérale du poisson. Il est égalementen mesure d'évaluer les caractéristiques électriques des proies (c'est à dire leur résistance et leur capacitance). Il distingueainsi aisément les objets inanimés des autres et identifie le type de la proie. Gnathonemus Petersii utilise également letoucher de son rostre ainsi qu'une analyse chimique pour déterminer la nature de sa proie.Evidemment, lorsque c'est possible, le poisson-éléphant utilise au mieux tous les sens qu'il dispose pour trouver ses proiesrapidement. Mais chaque individu possède sa propre stratégie qui favorise tel ou tel sens en fonction de l'environnement etde son expérience.

Communication entre poissonsLorsque deux poissons émettant des fréquences similaires entrent dans la même zone, chaque poisson adapte sa fréquence,évitant ainsi des interférences gênantes. L'un des poissons augmente sa fréquence tandis que l'autre l'abaisse.La nature de l'émission électrique dépend du sexe de l'animal. Ainsi, un poisson, en analysant l'émission d'un autre, connaîtson sexe mais également son espèce et peut-être même l'identité de ce dernier. Chaque poisson a la possibilité d'indiqueraux autres son humeur (agressivité, bonne humeur, ...) en changeant les caractéristiques de ses impulsions.

Références BibliographieLaboratoire de Biologie du Comportement SHS - Grenoble (http://www.upmf-grenoble.fr/labicog/)

Galerie de photos

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Décharges électriques des MormyresLes poissons de la famille des Mormyridae, ou mormyres, appartiennent à près de 200 espèces différentes, dont la plusconnue est le poisson-éléphant Gnathonemus petersii, connu pour son barbillon qui rappelle une trompe. Ils vivent tousdans les eaux très douces d'Afrique tropicale. Ces poissons possèdent à la base de la queue un organe électrique qui produitdes décharges qui se présentent sous la forme d'impulsions extrêmement brèves (moins d'une milliseconde, moins qu'unpotentiel d'action nerveux) répétées avec un rythme variable sans interruptions de plus d'une seconde, sauf en cas de stress.Pour un poisson donné, la forme de l'impulsion de la décharge est constante sur la journée ou sur l'année, et présente descaractéristiques propres à son espèce, parfois à son âge ou à son sexe, en particulier pendant la saison de reproduction. Lesdécharges se suivent en séquences stochastiques, c'est-à-dire que l'intervalle de temps qui sépare une impulsion de laprécédente varie de façon partiellement imprévisible. Nous mesurons en millisecondes cette durée de l'intervalle inter-impulsion, afin de caractériser ces rythmes et d'évaluer l'importance qu'ils peuvent avoir pour porter de l'information.Figure 1: Impulsion électrique du poisson éléphant, Gnathonemus petersiiAbscisse: Echelle des temps de la figure 1 (= 4000 fois l'échelle de la figure 2)Ordonnée: amplitude, différence de potentiel - Polarité de référence: tête positive.

Enregistrée avec deux électrodes, la courbe monte lorsquel'électrode placée plus près de la tête devient plus positive quecelle placée plus près de la queue. Le signal s'inverse si lepoisson se retourne.La valeur absolue de l'amplitude, mesurée en volts, estdifficile à connaître à la source. Il faut pour cela sortir lespoissons de l'eau et poser les électrodes à son contact. Dansces conditions, la décharge est souvent déformée. Ordre degrandeur: entre 5 et 20 volts.Lorsqu'on la capte avec des électrodes placées dans unaquarium, ou telle qu'elle est perçue par un autre poisson, sonamplitude baisse en fonction inverse du cube de la distance.Ordre de grandeur: entre 1 et 200 millivolts.

Figure 2: Chronogramme, et test de séquençage d'inégalités.

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Chronogramme:Abscisse: Echelle des temps de la figure 2 (= 1/4000 l'échelle de la figure 1). Les impulsions (en haut, en vert) se suiventdans le temps séparées par des intervalles qui forment un rythme, représenté par une suite de points.Ordonnée: Durée de l'intervalle inter-impulsion

Ces points sont placés en reportant en ordonnée (échelle logarithmique), pour chaque impulsion, la durée de l'intervalle quila sépare de la précédente. Si les intervalles sont courts (cadence rapide, fréquence élevée), les points se suivent de près etsont placés bas. A l'inverse, si les intervalles sont longs, les points sont écartés et placés haut.Dans cette représentation, la mesure de l'amplitude, supposée constante à la source, n'intervient pas.Test de séquençage d'inégalitésLa durée de chaque intervalle est comparée à celle de l'intervalle précédent: supérieure (+) ou inférieure (-) ou égale (=). Aune séquence d'intervalles (ex: 512 ms, 520 ms, 519 ms, 95 ms...) est ainsi associée une séquence de variations d'intervalles(+, -, -, ...) formant des combinaisons qui peuvent être quantifiées, par exemple les tétragrammes: (----) (---+), (--+-), (--++), etc. Selon les cas, telle ou telle combinaison peut apparaître statistiquement de façon plus abondante.

1.1.23. Norme de la Région Bruxelles-Capitaleb

Annexe I. PARAMETRES ET VALEURS PARAMETRIQUES

1.1.23.1. PARTIE A - Paramètres microbiologiques

Paramètres Valeur paramétrique (nombre/100 ml)Escherichia coli (E. Coli) 0Entérocoques 0

b 24 JANVIER 2002. - Arrêté du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale relatif à la qualité de leau distribuéepar réseau (Moniteur Belge du 21 février 2002 p 6600-6625).

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1.1.23.2. PARTIE B - Paramètres chimiques

Paramètres Valeur paramétrique Unité NotesAcrylamide 0,10 µg/l Note 1Antimoine 5,0 µg/lArsenic 10 µg/lBenzène 1,0 µg/lBenzo(a)pyrène 0,010 µg/lBore 1,0 mg/lBromates 10 µg/l Note 2Cadmium 5,0 µg/lChrome 50 µg/lCuivre 2,0 mg/l Notes 3 et 3bisCyanures 50 µg/l1,2 dichloroéthane 3,0 µg/lEpichlorhydrine 0,10 µg/l Note 1Fluorures 1,5 mg/lPlomb 10 µg/l Notes 3 et 4Mercure 1,0 µg/lNickel 20 µg/l Note 3Nitrates 50 mg/l Note 5Nitrites 0,50 mg/l Note 5Pesticides 0,10 µg/l Notes 6 et 7Total pesticides 0,50 µg/l Notes 6 et 8

Hydrocarburesaromatiquespolycycliques

0,10 µg/l

Somme desconcentrations encomposés spécifiés ;Note 9

Sélénium 10 µg/l

Tétrachloroéthylène ettrichloroéthylène 10 µg/l

Somme desconcentrations deparamètres spécifiés

Total trihalométhanes(THM) 100 µg/l

Somme desconcentrations encomposés spécifiés ;Note 10

Chlorure de vinyle 0,5 µg/l Note 1

Note 1 : La valeur paramétrique se réfère à la concentration résiduelle en monomères dans leau, calculéeconformément aux spécifications de la migration maximale du polymère correspondant en contactavec leau.

Note 2 : Si possible, sans compromettre la désinfection, le fournisseur devrait sefforcer dobtenir unevaleur inférieure.La valeur paramétrique doit être respectée au plus tard le 25 décembre 2008. La valeurparamétrique pour les bromates au cours de la période comprise entre le 25 décembre 2003 et le 24décembre 2008 est de 25 µg/l.

Note 3 : Cette valeur sapplique à un échantillon deau destinée à la consommation humaine, prélevé aurobinet par une méthode d'échantillonnage appropriée de manière à être représentatif dune valeurmoyenne hebdomadaire ingérée par les consommateurs. Le fournisseur tient compte de lafréquence de niveaux maximaux susceptibles davoir des effets négatifs sur la santé des personnes.

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Note 3bis : La valeur paramétrique est de 1,0 mg/l à la frontière entre le réseau de distribution et linstallationprivée.

Note 4 : La valeur doit être respectée au plus tard le 25 décembre 2013. La valeur paramétrique applicableau plomb est de 25 µg/l au cours de la période comprise entre le 25 décembre 2003 et le 24décembre 2013.Le fournisseur veille à ce que toutes les mesures appropriées soient prises pour réduire le pluspossible la concentration en plomb dans les eaux destinées à la consommation humaine au cours dela période nécessaire pour se conformer à la valeur paramétrique.Lors de la mise en uvre des mesures destinées à atteindre cette valeur, le fournisseur donneprogressivement la priorité aux cas où les concentrations en plomb dans les eaux destinées à laconsommation humaine sont les plus élevées.

Note 5 : Le fournisseur veille à ce que la condition selon laquelle [nitrates]/50 + [nitrites]/3 ≤ 1, [laconcentration en mg/l pour les nitrates (NO3) et pour les nitrites (NO2) est indiquée entre crochets]soit respectée et que la valeur 0,10 mg/l pour les nitrites ne soit pas dépassée dans les eaux audépart des installations de traitement.

Note 6 : Par "pesticides", on entend: les insecticides organiques; les herbicides organiques; les fongicides organiques; les nématocides organiques; les acaricides organiques; les algicides organiques; les rodenticides organiques; les produits antimoisissures organiques; les produits apparentés (notamment les régulateurs de croissance) et leurs métabolites, produitsde dégradation et de réaction pertinents.Seuls les pesticides dont la présence dans une distribution donnée est probable doivent êtrecontrôlés.

Note 7 : La valeur paramétrique sapplique à chaque pesticide particulier. En ce qui concerne laldrine, ladieldrine, lheptachlore et lheptachlorépoxyde, la valeur paramétrique est 0,030 µg/l.

Note 8 : Par "total pesticides", on entend la somme de tous les pesticides particuliers détectés et quantifiésdans le cadre de la procédure de contrôle.

Note 9 : Les composés spécifiés sont les suivants: benzo(b)fluoranthène; benzo(k)fluoranthène; benzo(ghi)pérylène; indéno(1,2,3-cd)pyrène.

Note 10 : Si possible, sans compromettre la désinfection, le fournisseur devrait sefforcer datteindre unevaleur inférieure.Les composés spécifiés sont : le chloroforme, le bromoforme, le dibromochlorométhane et lebromodichlorométhane.

1.1.23.3. PARTIE C

1.1.23.3.1. Paramètres indicateurs

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Paramètres Valeur paramétrique Unité NotesAluminium 200 µg/lAmmonium 0,50 mg/lChlorures 250 mg/l Note 1Clostridium perfringens (ycompris les spores) 0 nombre/100 ml Note 2

CouleurAcceptable pour lesconsommateurs et aucunchangement anormal

Note 12

Conductivité 2100 et aucunchangement anormal µS/ cm à 20 °C Note 1

Concentration en ionshydrogène ≥ 6,5 et ≤ 9,2 unités pH Note 1

Fer 200 µg/lManganèse 50 µg/l

OdeurAcceptable pour lesconsommateurs et aucunchangement anormal

Note 13

Oxydabilité 5,0 mg/l O2 Note 3Sulfates 250 mg/l Note 1Sodium 200 mg/l

SaveurAcceptable pour lesconsommateurs et aucunchangement anormal

Note 13

Teneur en colonies à 22 °C Aucun changementanormal

Bactéries coliformes 0 nombre/100 mlCarbone organique total(COT)

Aucun changementanormal Note 5

Turbidité 4 NTU Note 6Phosphore 5 mg/l P2O5

Chlore libre résiduel ≤ 250 µg/l Note 10Température 25 Degré Celsius Note 4

1.1.23.3.2. Radioactivité

Paramètres Valeur paramétrique Unité NotesTritium 100 becquerel/l Notes 7 et 9Dose totaleindicative

0,10 mSv/an Notes 8 et 9

1.1.23.3.3. Paramètres complémentaires

Ces paramètres complètent linformation des consommateurs sur les principales caractéristiques deleau qui leur est distribuée.Ils ne doivent être mesurés qu'après une modification par le fournisseur de lorigine ou proportionsrelatives à leau fournie ou au minimum une fois par an.

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Paramètres Valeur paramétrique Unité NotesCalcium 270 mg/lMagnésium 50 mg/lDureté totale 67,5 Degré français Note 11Zinc 5000 µg/L

Note 1 : Les eaux ne doivent pas être agressives.Note 2 : Ce paramètre ne doit être mesuré que si les eaux proviennent deaux superficielles ou sont

influencées par elles. En cas de non-respect de cette valeur paramétrique, le fournisseur procède àune enquête sur la distribution deau pour sassurer quil ny a aucun danger potentiel pour la santéhumaine résultant de la présence de micro-organismes pathogènes, par exemple descryptosporidium. Le fournisseur transmet les résultats de ces enquêtes à ladministrationconformément aux dispositions de larticle 7.6.

Note 3 : Ce paramètre ne doit pas être mesuré si le paramètre COT est analysé.Note 4 : Leau doit être déclarée non conforme si la valeur paramétrique est dépassée.Note 5 : Ce paramètre ne doit pas être mesuré pour les distributions dun débit inférieur à 10000 m3 par jour.Note 6 : En cas de traitement deaux de surface, le fournisseur devrait viser une valeur paramétrique ne

dépassant pas 1,0 NTU (nephelometric turbidity units) dans leau au départ des installations detraitement.

Note 7 : Les fréquences de contrôle seront fixées ultérieurement par le Ministre.Note 8 : A lexclusion du tritium, du potassium 40, du radon et des produits résultant de la désintégration du

radon. Les fréquences de contrôle, les méthodes de contrôle et les points de contrôle les plusappropriés seront fixés ultérieurement par le Ministre.

Note 9 : Le fournisseur nest pas tenu deffectuer des contrôles de leau destinée à la consommationhumaine en ce qui concerne le tritium ou la radioactivité pour déterminer la dose totale indicativelorsquil a lassurance, sur la base dautres contrôles effectués, que les niveaux de tritium ou ladose totale indicative calculée sont nettement inférieurs à la valeur paramétrique. Dans ce cas, iltransmet à ladministration les motifs de sa décision, notamment les résultats des contrôleseffectués, conformément aux dispositions de larticle 8.

Note 10 : Ce paramètre doit être mesuré uniquement dans les cas dutilisation du chlore gazeux ou delhypochlorite de soude (eau de Javel).

Note 11 : Leau cesse dêtre potable si elle est adoucie en dessous de 15 °F.1 degré français = 0,56 degré allemand = 0,7 degré anglais = 10 ppm CaCO3 = 4 mg/L Ca.

Note 12 : Le fournisseur devrait faire en sorte que la valeur paramétrique ne dépasse pas 20 mg/l sur l'échellePt/Co.

Note 13 : Le fournisseur devrait faire en sorte que la valeur paramétrique ne dépasse pas un taux de dilution 3à 25 °C.

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1.1.24. Comparaison de quelques eaux

Table 9

ELEMENTS NORMES LYON EVIANCachat

VICHYSt-Yorre

VITTELHépar

CONTREXPavillon

BADOITSt-Galmier PERRIER

DURETEen degré français

Inférieur à30° optimal

entre 12 et 1518 à 23 28 22,5 183 156 81 31

MINÉRALISATIONTOTALE en g.l-1 2 g.l-1 0,463 6,394 2,518 2,177 1,942 0,546

CALCIUM en mg.l-1 62 à 70 70 71 548 523 174 104

MAGNESIUM enmg.l-1 125 mg.l-1 5,5 à 6,5 25 12 111 61 90 12

POTASSIUM enmg.l-1 1,4 à 1,6 1,1 130 4 3 17,5 0,5

SODIUM en mg.l-1 4 à 5 6 1700 21 16 190 14

FER en mg.l-1 0,3 mg.l-1 0 à 0,1 0 0,12 0,02 0,02 0,05 0,02

SULFATES en mg.l-1 250 mg.l-1 19 à 34 4 77 1433 1225 38 43

NITRATES en mg.l-1 40 mg.l-1 enNO3

3,5 à 6 3 0,6 2 0,3 15,5 12,5

CHLORURES enmg.l-1 250 mg.l-1 4 à 7 0 280 9 6 55,5 25

FLUOR en mg.l-1 1 mg.l-1 0,5 7 0,7 0,7 1,3 0,4

1.2. Caractéristiques secondaires d'une eau et effets biologiques

1.2.1. Sulfate8

Notons que les eaux contenant des sulfates peuvent avoir un effet purgatif léger chez l'adulte si desdoses de 1 à 2 g de sulfate sont absorbées journellement, ce qui est conseillé pour «éliminer».Cependant, des doses moins conséquentes de sulfates peuvent avoir un effet purgatif important chezles nourrissons, ce qui est bien sûr déconseillé.

1.2.2. Calcium8

Les ions Ca2+ contribuent à la rigidité des os, sont nécessaires à la coagulation du sang,... Beaucoup depersonnes souffrent d'une carence en calcium ; dans ces circonstances, une eau minérale appropriée estun complément non négligeable: 1,5 L de cette eau peut couvrir de 13 à 18 % des besoins journaliers.

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1.2.3. Magnésium8

Les ions Mg2+ sont nécessaires à la contraction musculaire, à la synthèse des protéines, à l'équilibre dusystème nerveux,...Il est courant que l'organisme soit déficitaire en magnésium car les méthodes de cultures ont diminuéla teneur en Mg2+ dans les aliments.Une eau chargée en Mg2+ apporte, ici aussi, un complément indispensable au fonctionnement del'organisme, d'autant plus que le «magnésium» des eaux est plus facilement assimilable que celui desaliments.

1.2.4. Fluor8

L'apport d'ions F- à l'organisme diminue le risque de caries dentaires.Un rapport écossais révèle qu'à l'arrêt d'un apport supplémentaire en fluorure dans les eaux dedistribution d'une région de l'Ecosse, la fréquence des caries a doublé en quelques années chez lesmoins de 10 ans (Scientific American, oct. 88).La dose optimale de fluor se situerait entre 1,2 et 1,4 mg par jour. Cependant, un excès de fluor setraduit par une apparition de taches blanches sur les dents.

1.2.5. Sodium8

L'absorption régulière d'un excès d'ions Na+ peut être néfaste chez les cardiaques, les hypertendus,certains néphrétiques,...

1.2.6. Potassium8

Dans l'organisme, les ions K+ sont essentiels à la transmission de l'influx nerveux, la contractionmusculaire, certaines réactions enzymatiques intracellulaires,...Une alimentation normale nous apporte de 2 à 4 g d'ions K+ par jour, soit de 50 à 100 mmol.L'absorption digestive s'effectue au niveau de l'intestin: elle est très rapide et quasi complète. Les ionsK+ s'éliminant à 90 % par le rein, une hypokalémie (carence en «potassium») peut provenir d'undysfonctionnement du rein entraînant une perte urinaire excessive et donc de K+. Cette hypokalémie semanifeste, entre autres, par des troubles neuromusculaires entraînant une faiblesse musculaire, unearythmie cardiaque, ...

1.3. Effet des principaux facteurs toxiques de l'eau9

Argent: provoque un noircissement irréversible de la peau ; létal à de très hautes concentrationsseulement.Arsenic: reconnu comme cancérogène (par ex. cancer de la peau) ; mortel par toxicité chronique àhaute dose (s'accumule dans quelques végétaux aquatiques tel le cresson).Baryum: dangereux pour le cur, les vaisseaux sanguins et le système nerveux, par stimulationmusculaire excessive.Cadmium: occasionne nausées et vomissements ; peut s'accumuler dans le foie et les reins.Cyanure: hautement toxique par perturbation irréversible de l'hémoglobine.Chrome: la forme hexavalente est toxique ; à long terme, entraîne des ulcères.

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Fluor: au-delà de 4 g/m3, crée des macules sur les dents ; au-delà de 15 g/m3, la fluorose apparaît.Mercure: entraîne gingivite, stomatite et tumeurs ; capable d'envahir le système nerveux (maladie deMinamata).Nickel: peut s'accumuler dans les reins et les bloquer.Nitrate/nitrite: associés à la méthémoglobinémie et au cancer de l'estomac (peut interférer avec ladétermination analytique du chlore et des Coliformes).Plomb: s'accumule dans les os ; provoque perte d'appétit, anémie et paralysie (saturnisme).Antimoine: similaire à l'arsenic mais à moindre effet.Sélénium: provoque des symptômes d'empoisonnement similaires à ceux de l'arsenic ; est aussi associéà la carie dentaire.HPA (hydrocarbures polycycliques aromatiques): potentiellement cancérigènes.Pesticides chlorés: neurotoxiques ; probablement cancérigènes (par ex. l'aldrine, le chlordane, le DDT,la dialdrine, l'endrine, l'heptachlore, l'heptachlore époxyde).Méthoxychlore: mortel à hautes doses.Organo-phosphates et carbamates: neurotropes, causant convulsions et mort.Toxaphène: neurotoxique.Herbicides chlorés (par ex.: 2,4-D): désagréables plus que toxiques.

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Table 10 - Facteurs de toxicité: normes pour les maxima admissibles ou recommandés desconcentrations dans l'eau potable (mg/m3).

U.S.P.H.S.-A.W.W.Ad

Facteurs CEE O.M.S.Européenne

O.M.S.Intern. Norme Limite

recommandéeaLimite

obligatoireb

Ag 10 50 50As 50 50 50 50 10 50Ba 100 1000 1000Cd 5 10 10 10 10CN- 50 50-100 50-100 200 10 200Cr 50 50 50 50 50F 1500 1500 1500 800-1700 1400-2400Hg 1 1 1 Ni 50

-3NO (mg/L) 50 45 45 45 45 -2NO 100

Pb 50 50 100 50 50Sb 10 Se 10 10 10 10 10HPA 0,2 0,2 Aldrine 17 Chlordane A 3 DDT 42 Dialdrine d 17 Endrine é 1 Heptachlore f 18 Heptachlore époxyde i 18 Lindane n 56 Méthoxychlore i 35 Phosphates et carbamates organiques rc 100 Toxaphène 5 2,4-D ; 2,4,5-T ; 2,4,5-TP 100

a Limite recommandée par l'A.W.W.A. (American Waterworks Association): Si la concentration de l'un de ces constituantsexcède la valeur recommandée, une autre eau ou un autre traitement doivent être envisagés.b Limite imposée par l'A.W.W.A.: Si la concentration de l'un de ces constituants excède la valeur imposée, une utilisationnon alimentaire doit être choisie pour cette eau par les autorités compétentes, car elle représente un danger pour la santé duconsommateur.c Pour chaque pesticide, une limite de 0,1 mg/m3 est fixée, et la quantité globale de tous les pesticides présents ne peut pasdépasser 0,5 mg/m3. Ce paramètre est à l'étude.d Réglementation nationale américaine en matière d'eau potable, dressée par l'Environmental Protection Agency (E.P.A.).(U.S.P.H.S. = US Public Health Service.).

1.4. Les paramètres de nature moins toxique: les paramètres physico-chimiques9

Les substances dont il est question dans cette catégorie ont des répercussions physicochimiques et,souvent, des implications biologiques, sans que ces substances ne soient nécessairement toxiques. Lesconséquences principales peuvent être des effets organoleptiques ou esthétiques, des inconvénientstechniques telle la corrosion d'un réseau de canalisations, ou une reprise de croissance bactériennenéfaste à la qualité générale de l'eau.De la même manière que les normes se fondent sur une base technologique, les objectifs sont formulésen vue d'aboutir à une eau saine et potable. Les paramètres considérés sont donnés à la Table 11. Aconcentration excessive, certains facteurs pourraient s'avérer toxiques, mais aux concentrationsusuelles ils sont simplement considérés comme indésirables. Bien que la nécessité de circonscrire les

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agents toxiques soit évidente, les normes pour les paramètres physico-chimiques sont souventdiscutables et peuvent requérir une explication plus développée.

Les propriétés organoleptiques de l'eau affectent son acceptation par le consommateur. Cescaractéristiques recouvrent des particularités tels la couleur, le goût, la température, la turbidité et lespropriétés moussantes et colorantes, chacune d'elles étant perçues comme déplaisantes. Cependant, laturbidité (tout comme la couleur, et plus particulièrement ce qui relève des matières en suspension)contribue non seulement à une apparence suspecte et sale mais perturbe aussi l'efficacité de ladésinfection. La turbidité peut aussi être associée au développement de bactéries, larves, crustacés,vers, mollusques et anguilles. Tous ces éléments biologiques et minéraux devraient, bien sûr, êtreabsents, selon des niveaux de références significatifs.Les limites de concentration en cuivre et en zinc à partir desquelles il y a, de la part du consommateur,rejet de l'eau sont, respectivement, 1 et 5 g/m3: la première pour son goût, la seconde pour son aspectde film laiteux et graisseux. Le fer et le manganèse ont une portée toxicologique moins directe maissouillent le textile, sont associés à la corrosion des conduites et peuvent promouvoir un regainbactérien. L'aluminium, aux concentrations supérieures à 0,05 g/m3 peut provoquer une floculationdans les canalisations. L'ammoniaque, bien que non toxique, doit être limité afin d'empêcher undéveloppement bactérien et, partant, une consommation de l'oxygène. La limite esthétique pour l'ionchlorure est de 250 mg/L, à partir de laquelle il est détecté par gustation. Le "phénol" doit être limitéafin d'éviter le goût et l'odeur nocifs des chlorophénols formés lors de la chloration de l'eau. D'unemanière générale, il faut éviter que les teneurs en substances organiques comme les détergents, leshydrocarbures et les "carbones organiques" oxydables ou extractibles n'outrepassent les proportionsqui provoquent goût et odeur désagréables, sans parler de leurs effets nocifs possibles.La dureté, l'alcalinité et le pH sont des propriétés dépendantes les unes des autres. Un équilibre entreles différentes espèces d'acide carbonique doit être trouvé afin de préserver le carbonate de calcium, etafin d'éviter les corrosions et les précipitations excessives. C'était dans cette optique que l'objectifglobal de l'A.W.W.A., en matière de dureté totale, fut établi entre 80 et 100 mg de CaCO3.

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Table 11 - Paramètres physico-chimiques: normes et objectifs pour l'eau potable (µg/L)

CEE O.M.S.internationale U.S.P.H.S.-A.W.W.A

Paramètre CMA Objectif

O.M.S.européenne CMA Objectif Norme Limite recommandée Limite obligatoire Objectif

Cu 100 50 1500 50 1000 1000 200Fe 200 50 100 1000 100 300 300 50Mn 50 20 50 500 50 50 50 10P 2000 Zn 100 5000 15000 5000 5000 5000 1000Phénols 0,5 1 2 1 1 Détergents 100 200 100 500 500 200Couleurs (°Pt) 20 1 15 FTU 50 5 15 15 3Turbidité (SiO2) 10 1 1 NTU (5 JTU) (10) 1Odeur 2 - 3 0 3 AucunGoût — AucunTempérature (°C) 25 12 pH 9,5 6,5 - 8,5 < 8 6,5 - 9,2 7,0 - 8,5 K (µS/cm) 400 Ca (g/m3) [en unitésCaCO3]

100 500 100 TH 2 meq/L

Mg (g/m3) 50 30 30 150 (30) 32Na (g/m3) 175 20 K (mg/m3) 12 10 Al (mg/m3) 200 50 50CO3H- (g/m3) 120 SO4

2- (g/m3) 250 100 250 400 200 250 Cl- (g/m3) 200 50 600 - 200 600 200 250 NH4

+ (mg/m3) 500 50 O2 (g/m3) — > 5 Matière dissoute (g/m3) — 500 200

CMA: Concentration Maximale Admissible. NTU: Nephelometric Turbidity Unit = unité de turbidité néphelémétrique.U.S.P.H.S.: US Public Health Service. JTU: Jackson Turbidity Unit.A.W.W.A.: American Waterworks Association. TH: Total hardness = dureté totale = titre hydrotimétrique.FTU: Formazine Turbidity Unit = FCU, Formazine Coloration Unit.

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1.5. Les critères de qualité pour l'eau brute destinée à la boisson9

L'information qui, en cette matière, a la plus grande portée, se trouve dans un rapport de l'AmericanWaterworks Association (A.W.W.A.), dans une étude de l'International Water Supply Association(I.W.S.A.) et, surtout, dans une Directive de la Communauté Européenne. Trois catégories initialesd'eau brute destinée au traitement pour eau potable sont définies, mais nous n'allons ici considérer quel'eau brute de qualité A3. Cette dernière correspond à l'eau brute qui doit subir un traitement physiqueet chimique poussé, en y comprenant désinfection et purification, chloration (éventuellement avecinterruption), coagulation, floculation, sédimentation, filtration, affinage (par ex. sur charbon actif) etdésinfection (par ex. avec ozone). L'eau des catégories Al et A2 est sujette à des critères plus sévèresde qualité originelle, en vue de simplifier leur traitement.Aux États-Unis, l'approche des critères de qualité pour l'eau brute est basée sur des conceptsd'autorisation et d'objectif. Le type de traitement auquel ces concepts se rapportent, est appelétraitement standard ; celui-ci intègre la coagulation avec addition éventuelle d'adjuvants et de charbonactif, la sédimentation, la filtration rapide sur sable et la désinfection par le chlore. Il faut remarquerque le traitement s'adapte spécifiquement à la qualité de l'eau qui est prise en charge. Ainsi laformation possible de composés organe-halogènes, ou des critères plus prononcés de désinfection (parex. relatifs à la giardiase), suscitent des changements dans le choix des options.Les critères d'autorisation sont fondés sur les caractéristiques et les concentrations de l'eau brute quirendent possible l'obtention d'une eau potable et saine, et qui, par utilisation des procédés mentionnésplus haut, respecte les normes. Les critères d'objectif sont les critères caractéristiques des eaux brutesde surface qui constituent une eau de haute qualité pouvant être traitée avec un plus grand facteur desécurité ou à moindre coût, tout en respectant les normes fixées pour l'eau potable. Les critères C.E.E.A3 et A.W.W.A. sont regroupés et comparés au suivant (Table 12).Un désavantage souvent associé à l'énoncé de critères de qualité pour l'eau brute est que cetteformulation peut être considérée comme une permission d'accroître la pollution de l'environnementjusqu'à certaines limites maximales. Pourtant, les paramètres environnementaux doivent être envisagéscomme lorsqu'on conçoit un principe fondamental. Par conséquent, d'après la directive de la C.E.E.,les critères ne peuvent souffrir d'abus qui surenchérissent l'état actuel de la pollution des eaux desurface.Plusieurs éléments qui entrent dans l'ensemble des critères d'évaluation de la qualité de l'eau brute, nesont pas rectifiés par les techniques habituelles du traitement de l'eau potable par ex. la température,la conductivité, la dureté totale (calcium + magnésium), l'alcalinité, le sodium, les sulfates et leschlorures. Parmi les procédés de traitement, il n'est pas fait mention de l'aération, de l'adoucissement,de l'accroissement de la dureté, de la correction de l'alcalinité, de la stabilisation, etc. En ce quiconcerne la radioactivité, l'O.M.S. recommande une limite de 2,5 pCi/L (0,1 Bq/L) pour l'activité α totale, et de 27 pCi/L (1 Bq/L) pour l'activité β totale, comme seuil d'alarme.Ainsi que le fait souligner l'International Water Supply Association (l.W.S.A.): «Il est de laresponsabilité des gestionnaires de stations de traitement de sélectionner les procédés et de combinerles techniques, de manière à ce qu'une eau potable saine et sans danger puisse être fournie. La qualitédes eaux de surface destinées au traitement de l'eau potable doit être telle que cette responsabilitépuisse être endossée.»Les systèmes avancés d'épuration utilisent des compositions judicieuses de procédés unitaires afind'atteindre les objectifs de qualité. Chacun de ces procédés y est concrétisé en fonction de ses propresdéterminants et de sa spécificité technique, et est mis en uvre au sein d'un contexte global detraitement.

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Table 12 - Critères de qualité pour les eaux brutes (g/m3).

CEE A3 A.W.W.Aa

Paramètre Préconisé Obligatoire Autorisé SouhaitableCouleur 50 200 75 < 10Matières en suspension 500 < 200Température (°C) 22 25 A discuter A discuterOdeur (nombre dedilutions) 20 A discuter Virtuellement absent

Turbidité A discuter Virtuellement absentpH 5,5 - 9 6,0 - 8,5 A discuterConductivité (µS/cm) 1000 Nitrates 50 Fluorures 0,7- 1,7 A discuter A discuterFe 1 0,5 Virtuellement absentMn 1 1 AbsentCu 1 1 Virtuellement absentZn 1 5 Virtuellement absentB 1 1 AbsentBe Co Ni V As 0,05 0,1 0,05 AbsentCd 0,001 0,005 0,01 AbsentCr 0,05 0,05 AbsentPb 0,05 0,05 AbsentSe 0,01 0,01 AbsentHg 0,0005 0,001 Ba 1 1 AbsentCN- 0,05 0,2 AbsentSO4

- 150 250 250 < 50Cl- 200 250 250PO4

- 0,7 A discuter A discuterNH4

+ 2 4 0,64 0,01Ag 0,05 AbsentNO2

- 5 AbsentDétergents (indice) 0,5 0,5 Virtuellement absentPhénols (indice) 0,01 0,1 0,001 AbsentHuiles et graisses 0,5 1 Virtuellement absent AbsentHPA 0,0001 Extrait au chloroforme 0,5 0,15 < 0,004Pesticides ? 0,005 (Limites spécifiques) AbsentRadioactivité β totale 1000 pCi/L < 100 pCi/LRadium 226 3 pCi/L < 1 pCi/LStrontium 90 10 pCi/L < 2 pCi/LColiformes totaux 500 000/L 100 000/L < 1 000/LColiformes fécaux 200 000/L 200 000/L < 200/LStreptocoques fécaux 100 000/L

a "A discuter", signifie ici impossible à quantifier par une valeur numérique simple. "Absent", signifie ici non détectable par les méthodes analytiques en usage. "Virtuellement absent", signifie ici présent en concentration très faible mais irréfutable.

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1.6. La qualité de l'eau dans l'environnement9

L'élaboration d'une eau potable ne doit pas être regardée comme une action sociale et/ou une techniquedisjointe du terrain de l'environnement pris dans son ensemble. L'utilisation multiple des ressourcesdisponibles doit être considérée et une protection adéquate de celles-ci mérite une attention étendue.Plusieurs de ces aspects sont discutés dans ce chapitre, car les normes de qualité qui concernent lesnombreuses utilisations de l'eau, en étant favorables à la production d'une eau potable sans danger,contribuent à la sauvegarde des points d'eau naturels.

La qualité des eaux naturelles dans lesquelles la baignade est autorisée par les autorités publiques nedoit présenter aucun danger pour la santé. Par conséquent, les valeurs guides (c.-à-d. les objectifs dequalité) et les valeurs imposées (les limites maximales de concentration) doivent être respectées. Ceciimplique des objectifs de qualité et des conditions comme celles inscrites à la Table 13. Les valeursdonnées dans ce tableau émanent d'une directive de la C.E.E. D'autres paramètres, non encoreentièrement quantifiés, concernent les objets flottants et inhabituels (objets en plastique, bouteilles,caoutchoucs, etc.), l'ammoniaque et l'azote total, les pesticides, les cyanures, les phosphates et, pourleurs particularités toxiques, les métaux lourds majeurs: l'arsenic, le cadmium, le chrome6+, le plomb etle mercure. Les autorités gouvernementales, en matière de santé, doivent établir des limites spécifiquesà l'égard de ces paramètres afin de permettre, avec discernement, l'utilisation des eaux de surface par lepublic.

Table 13 - Qualité de l'eau de natation et de baignade.

Paramètre Unité Valeur guide Valeur maximaleColiformes nombre / 100 mL 500 10000E. coli nombre / 100 mL 100 2000Streptocoques fécaux nombre / 100 mL 100 Salmonella nombre / L 0Entérovirus PFU / 10 L 0pH 6 - 9Couleur NormaleHuile(s) g/m3 0,3 ImperceptibleSABM mg/L LaS 0,3 Pas de moussePhénol (indice) mg/m3 5 50Transparence (Secchi) m 2 1O2 mg/L 10 - 14

PFU: Plate Forming Unit.SABM: Substances Actives au Bleu de Méthylène (détergents anioniques).LaS: Lauryl Sulfate = Sulfate de lauryle (sulfate de dodécanoyle).

La qualité de l'eau nécessaire à la vie des poissons peut être définie relativement aux salmonidés et auxcyprinidés. En général, la température doit être comprise entre 10 et 20 °C, la saturation en oxygèneentre 50 et 100 %, le pH entre 6 et 9, et les matières en suspension inférieures à 25 g/m3. D'autresnormes sont énumérées à la Table 14. (Les valeurs les plus astreignantes sont relatives aux salmonidés; les plus tolérantes concernent les cyprinidés.)

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Table 14 - Paramètres de la qualité de l'eau, essentiels pour la vie des poissons.

DBO5 < 3 < 6 (g O2/m3)PO4

3- < 0,2 < 0,4 (g PO43-/m3)

Nitrates < 4 < 6 (g NO3-/m3)

Nitrites < 0,05 < 0,5 (g NO2-/m3)

Ammonium (total) < 1 (g NH4+/m3)

Indice phénol < 0,005 (g/m3)Zinc < 0,03 - 0,5a < 0,3 -2,0a (g Zn/m3)

a Les plus hautes valeurs correspondent aux eaux dures.

1.7. L'épuration des eaux usées9

Pour le traitement d'effluents destinés au déversement dans un cours d'eau, la tâche de la station detraitement doit être assignée aux besoins spécifiques de chaque industrie. Suivant la littérature, on peutestimer les concentrations maximales de l'eau usée admise au traitement en stations de traitement ; cesaperçus sont donnés à la Table 15. Les chiffres les plus élevés se rapportent aux possibilités destraitements les plus modernes. Si ces quantités sont dépassées, une épuration spécifique préliminaireest nécessaire avant acceptation de l'effluent dans le collecteur public. La composition moyenne del'eau usée domestique est présentée à la Table 16.

Table 15 - Conditions préliminaires à l'épuration de l'eau industrielle.

pH <6Conductivité < 250 - 500 mS /mAlcali < 1 -2 kg /m3

Matières en suspension 0,5 - 2 kg /m3

Hydrocarbures extractibles àl'éther de pétrole

0,2 - 0,5 kg /m3

Sulfures 25 - 50 g /m3

Hydrates de carbone 0,5 - 1,5 g /m3

Cyanures 10 - 20 g /m3

Sulfates 1,8 kg /m3

MétauxCr, Cu, Ni, Zn, Cd 20 g/m3 individuellement

50 g/m3 globalementAs, B, Pb, Se, Hg 5 mg/m3 individuellement

20 g/m3 globalement

Les concentrations instantanées dans un système collecteur dépendent aussi des caractéristiques deflux et de sédimentation de ce système. Cette dépendance doit être prise en compte lors de laconception du système d'entrée de la station. La prise en charge d'une eau usée domestique pendantune période de 24 heures doit se soumettre aux exigences de certains régimes locaux: par exemple, lesdébits de consommation de l'eau, les habitudes des consommateurs, et l'existence ou l'absenced'évacuation séparée des eaux pluviales.

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Table 16 - Estimations de la qualité courante d'une eau usée domestiquea

Paramètre Unité Valeurinstantanée

Valeur après1 h

Apport /personne /

jour (g)pH 6,5 - 7,5 6,5 - 7,5 Matières dissoutes g /m3 700 - 1000 100 - 160Matières en suspension g /m3 600 - 900 400 - 600 100Matières sédimentables % vol. 5 - 10 < 0,2 54 - 60DBO g/m3 300 - 500 200 - 350 42 - 54DCO g /m3 600 - 1100 450 - 650 135Azote organique g /m3 30 - 50 10 - 20Azote ammoniacal g /m3 40 - 65 40 - 65 12-15Azote nitrique et nitreux g /m3 0 - 2 0 - 2Composés phosphores (P) g /m3 15-30 15-30 3-4SABM (détergentsanioniques) g/m3 10 - 20

Chlorures g /m3 200 - 400 200 - 400 20 - 100a L'équivalent-habitant dépend des circonstances locales.

Table 17 - Composition d'une eau d'égout domestique.Eau d'égout (g/m3) pour deux taux de consommation d'eau

150 L / personne / jour 300 L / personne / jourSubstances Minéral Organique Total DBO Minéral Organique Total DBOMatièressédimen-tables

130 270 400 130 50 130 180 65

Matièresensuspension

70 130 200 80 35 85 115 40

Matièresdissoutes 330 330 660 150 265 265 530 75

Total 530 730 1260 360 350 480 825 180

Les chiffres de la Table 17 sont relatifs aux régions urbaines. Dans les réseaux ruraux, la populationcommune consomme généralement 100 L par personne et par jour seulement, mais les besoins pour lebétail peuvent être élevés. D'autre part, une certaine quantité d'eau usée peut être déversée dans lescours d'eau avant qu'elle n'ait la possibilité de transiter par le système collecteur. Dans les régionsurbaines, une hausse soudaine de la concentration des matières en suspension peut survenir en périodede crues ou de pluies, par mobilisation des dépôts accumulés dans les collecteurs durant les périodesde faible débit. En région bruxelloise (par ex. au Neerpedebeek), une intensification du flux, de 0,15m3/s à 0,90 m3/s, causée par des pluies brutales peut relever temporairement la concentration desmatières en suspension, de 250 g/m3 voire 1000 g/m3.

Idéalement, l'épuration de l'eau usée devrait maintenir la qualité des eaux dans l'environnement auniveau des normes C.E.E. pour l'eau brute destinée à être rendue potable (cf. Table 12). Un but pluscommunément agréé est d'atteindre la qualité nécessaire à la vie des poissons.

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1.8. Aspects quantitatifs du traitement de l'eau9

Le besoin premier en eau, c'est-à-dire le besoin en eau potable, s'élève à 2,5 L par personne et par jour.Les normes de qualité relatives à la toxicité sont dérivées de cette notion. Cependant, les besoinsminimums en eau, pour son utilisation alimentaire et sanitaire, sont de l'ordre de 20 L par personne etpar jour. Dans les pays à haut niveau de vie, on a pu observer que si, pour des raisons locales outechniques, la distribution de l'eau est interrompue mais que l'eau demeure néanmoins disponible àcertains endroits seulement (par ex. aux bouches d'incendie), la consommation peut s'élever jusqu'à 40L par personne et par jour. Dans des villages reculés où l'eau est encore transportée à la main, lesbesoins se situent entre 15 et 35 L par personne et par jour.

En conditions normales de distribution, il se dessine une lente évolution de l'utilisation de l'eau. Pour larégion bruxelloise, on trouve les chiffres suivants:

1935 80 L / personne / jour1950 123 L / personne / jour1964 126 L / personne / jour1970 153 L / personne / jour1989 175 L / personne / jour

Aujourd'hui, la consommation minimum est évaluée à 80 L/personne/jour dans les quartiersd'habitations les plus vieux, et à 200 L/personne/jour dans les espaces résidentiels de standing.

Pour le Royaume-Uni pris dans son ensemble, la courbe de consommation d'eau (courbe dedistribution d'eau) dessinée en fonction de la population desservie, montre une déviation dans laportion graphique des hautes consommations. La consommation globale en Ecosse (en moyenne, ±290 L par personne et par jour) est plus élevée qu'en Angleterre (± 180 L de moyenne). Ceci estprincipalement la conséquence des chasses d'eau des toilettes ; en Angleterre, la capacité de celles-ciest fixée à 9 L, tandis qu'en Ecosse elle est de 13,5 L.

1.9. Les eaux minérales8

Il faut savoir que la composition ionique des eaux minérales, et donc son goût, varie d'une marque àl'autre.De plus, certaines eaux sont soit recommandées, soit déconseillées suivant l'état de santé duconsommateur.Et comme chacun de nous consomme, en moyenne, près d'un litre d'eau minérale par jour, il estnormal de s'intéresser à la composition, aux avantages et inconvénients des différentes eaux que l'ontrouve sur le marché.Un arrêté royal de 1985c définit l'eau minérale comme étant l'eau provenant d'une source etcaractérisée par des critères très précis.C'est ainsi que sa composition chimique, sa température et ses caractéristiques doivent être très stables.L'eau doit être mise en bouteille sur les lieux de la source sans avoir subi de traitements: elle conserveainsi ses qualités d'origine.Cette eau peut être, dès lors, plus riche (ou plus pauvre) en ions sodium Na+, sulfates −2

4SO ,... que l'eaude distribution, comme nous le montre le tableau suivant.

c A.R. 11 octobre 1985, Moniteur belge 26/11/1985

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Une première classification des eaux minérales se base sur la teneur en sels minéraux tel que décrit à la(Table 1 page 7).

De plus, chaque type d'eau est classé d'après sa teneur en certains ions, ce qui permet d'établir unsecond classement.Ce second classement est basé sur les effets physiologiques de ces ions, la convenance de l'eau pourcertains régimes,...

! les eaux minérales sulfatées dont la teneur en ions −24SO est supérieure à 200 mg.L-1

! les eaux minérales calciques dont la teneur en ions Ca2+ est supérieure à 150 mg.L-1

! les eaux minérales magnésiennes dont la teneur en ions Mg2+ est supérieure à 50 mg.L-1

! les eaux minérales fluorées dont la teneur en ions fluorure F- est supérieure à 1 mg.L-1

! les eaux minérales sodiques dont la teneur en ions Na+ est supérieure à 200 mg.L-1

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Table 18 - Composition chimique et caractéristiques des quelques eaux minérales naturelle (en mg/L) (Source CERIA 1988)

Mg au litre Extraitsec Na+ K+ Ca2+ Mg2+ −

3HCO Cl- −24SO −

3NO F- pH Pétillante Plate

APPOLINARIS 2000 500 29 95 114 1178 165 124 9,8 0,5 5,6 XBADOIT 1560 180 12 272 102 1700 50 38 12 1,4 5,9 XBRU 160 10 1,5 23 22 209 4 5 0,7 < 0,1 5 XCARA 460 57 9 20 24 250 21 40 11,3 1,2 5 XCARA 500 68 9 8 traces 353 25 40 0,6 1,4 5,1 XCHAUDFONTAINE 385 44 2,5 65 18 305 35 40 2 0,4 7 XCONTREXEVILLE 2000 7 3 467 84 377 7 1192 1 0,3 7,1 XCHEVRON 160 9 1,5 21 20 205 6 3 0,4 <0,1 XÉVIAN 309 5 1 78 24 357 2,2 10 3,8 0,1 7,2 XKABE 520 69 9,5 8 0,5 350 25 30 <0,2 4,2 XLÉBERG 508 10 4,2 124 15 315 49 64 0,2 <0,1 7,7 XPERRIER 500 14 1 140 3,5 348 31 51 16 <0,1 5,1 XPIERVAL 327 8,4 1 101 4,2 299 14,5 6,6 14 <0,1 5,6 XSPA REINE 33 3 0,5 3,5 1,3 11 5 6,5 1,9 <0,1 5,8 XSPA BARISART 48 5 0,5 505 1,5 18 5,5 7,5 1,5 <0,1 4 XCHATEAU GENVAL 400 10 2 99 14 14 38 21 traces 0,1 7,6 XSPONTIN 275 5,9 1,2 81 21 291 11,5 38 8,7 <0,1 4,9 XST AMAND (Sourceclos de l'Abbaye) 970 28 5 176 46 312 372 0,4 1,4 7,2 X

THONON 346 5,1 1,4 103 16 332 8,2 14 15 <0,1 XTOP 360-500 195 11,2 1,3 0,8 330 71,5 120 0,1 2,5 5,6 XVITTEL Grande Source 700-1000 3 3,3 202 36 402 31 306 3 0,4 7,2 XVITTEL Hépar 2700 12,3 4 555 110 403 7 1479 2 0,4 7,2 XVICHY Célestins 3600 1265 71 90 9 3245 227 129 9 5,6 6,3 XVICHY St-Yorre 2787 1130 85 26,7 traces 2910 170 80 1,3 6,4 XVOLVIC 110 8 5,4 10,4 6 64 7,5 6,7 4 0,4 7,1 XVAUBAN (Source St-Amand) 1310 46 6 236 67 295 60 638 0,5 2,3 7,3 X

VAUBAN St-Amand 1430 40 7 230 80 300 65 610 0,7 2,5 7,4 X

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1.10. Les eaux de piscines privées

Table 19 - Les problèmes les plus courants et leurs solutions

MANIFESTATIONS CAUSES SOLUTIONSEau verte Présence d'algues ou de cuivre Ajuster le pH + chloration choc

Eau trouble pH trop élevé ou trop de selsinorganiques

Ajuster le pH et, si c'estinsuffisant, ajouter un produitfloculant

Eau colorée Selon les métaux présents dansl'eau Ajuster le pH + floculant

Irritation des yeuxTrop de chloramines (composésorganochlorés), trop de matièresorganiques ou pH trop faible

Ajuster pH +chloration choc

Viscosité des parois Trop peu de chlore Ajuster pH si nécessaire +ajouter du chlore

Irritation de la peauCorrosion des accessoires pH trop faible ou trop de chlore Ajuster pH puis chlorer

Piscine glissante Présence d'algues Mettre une dose d'algicide,ajuster le pH puis chlorer

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CHAPITRE 2: MESURES PHYSICO-CHIMIQUESIN SITU ET PRÉLÈVEMENTS

D'ÉCHANTILLONSd

Par Cyril Moneron, Bruno Tassin.10

Les rejets dans les milieux naturels sont caractérisés par les flux en différents éléments chimiquesqu'ils apportent. Ces rejets ont des conséquences sur le fonctionnement écologique de ces milieux, etdans le cadre d'une première approximation, on peut caractériser un système sur la base de mesures degrandeurs physico-chimiques. Certaines de ces grandeurs doivent être impérativement mesurées surplace, toute autre méthode engendrant des mesures non représentatives. D'autres, en revanche, nepeuvent être réalisées qu'au laboratoire et nécessitent des prélèvements puis des traitements. Nousverrons les difficultés liées à la représentativité de ces mesures, ainsi que les problèmes deprélèvements, et d'analyses, même si nous nous limitons à des analyses relativement simples.

2.1. Généralités sur les prélèvements d'échantillons

Mis à part des études de contrôle et des recherches scientifiques, la plus part des prélèvements d'eaurésultent de l'application de textes législatifs et réglementaires ayant pour objet l'hygiène publique, lalutte contre la pollution, la police de l'eau, etc.

Le prélèvement d'un échantillon d'eau est une opération délicate à laquelle le plus grand soin doit êtreapporté. Il conditionne largement les résultats analytiques et l'interprétation qui en sera donnée.L'échantillon doit être homogène, représentatif et obtenu sans modifier les caractéristiques physico-chimiques de l'eau (gaz dissous, matières en suspension, etc.). D'une façon générale, le responsable duprélèvement et l'analyste n'étant pas les mêmes personnes, il convient de mettre en place uneorganisation structurée, de disposer d'un personnel qualifié, de développer une méthodologied'échantillonnage adaptée à chaque cas, de procéder à un choix judicieux des points de prélèvement etd'utiliser un matériel convenable. Les résultats des analyses ne seront exploitables que si leprélèvement a un caractère représentatif.

De plus, s'il est bien évident qu'un prélèvement correct est indispensable à l'obtention de résultatsanalytiques significatifs, le devenir de l'échantillon entre le prélèvement et l'arrivée au laboratoire,ainsi que la connaissance des analyses qui seront réalisées sont primordiaux.

2.1.1. Le flaconnage

Le matériel de prélèvement doit faire l'objet d'une attention particulière. Le lavage du flaconnage serafonction des analyses souhaitées sur l'échantillon. A titre d'exemple, les flacons destinés auxprélèvements d'éléments minéraux seront lavés avec de l'acide nitrique, rincés abondamment avec del'eau déminéralisée puis bouchés sans être séchés. Le maintient de l'atmosphère humide permettra aumoment du prélèvement d'éliminer une contamination éventuelle par rinçage avec l'eau à d J'encourage le lecteur à lire l'Arrêté du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale relatif à la qualité de leaudistribuée par réseau du 24 janvier 2002 (Moniteur Belge du 21 février 2002 p 6600-6625) notamment la partie consacréeaux analyses et à leurs fréquences.

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échantillonner elle-même. Pour les lavages, il convient d'éviter l'utilisation de détergents susceptiblesd'introduire des phosphates. De même, sauf pour doser des éléments organiques, l'utilisation d'unmélange sulfochromique n'est pas souhaitable étant la réduction du chrome VI en chrome III quis'adsorbe sur les parois du flacon.

Dans tous les cas, lors du prélèvement, pour l'analyse chimique, les flacons seront à nouveau rincertrois fois avec de l'eau à analyser puis remplis jusqu'au bord. Le bouchon sera placé de telle façon qu'iln'y ait aucune bulle d'air et qu'il ne soit pas éjecté au cours du transport.

L'usage de flacons jetables en verre ou en matières plastiques s'est largement répandu, en raison desfacilités qu'ils présentent pour le transport mais n'exclut pas un rinçage abondant. En raison d'unepossible adsorption vis-à-vis de certains produits organiques tels que les hydrocarbures, les pesticideset de certains éléments minéraux comme le phosphore, leur emploi n'est pas recommandé. Leurperméabilité peut également poser quelques inconvénients pour le dosage de gaz dissous. Sauf cas trèsparticuliers, l'emploi de flacons métalliques est déconseillé en raison des problèmes de corrosion. Levolume, le matériau et la couleur du flacon seront fonction des analyses souhaitées.

2.1.2. Mode de prélèvement et fréquence de prélèvement

Le mode de prélèvement variera suivant l'origine de l'eau. Dans le cas d'une rivière, d'une nappeouverte, d'un réservoir, d'une citerne, le flacon de prélèvement sera plongé à une certaine distance dufond (50 cm) et sous la surface, assez loin des rives et de tout obstacle naturel artificiel, en dehors deszones mortes ou de remous et en évitant la remise en suspension des dépôts. Dans le cas d'un lac oud'une retenue, il y a lieu de choisir plusieurs points de prélèvement et, pour chacun d'eux, de préleverplusieurs échantillons à différentes profondeurs pour tenir compte de l'hétérogénéité spatiale. Il existedes dispositifs permettant d'ouvrir les flacons à des profondeurs données, d'autres de moyenner deséchantillons sur l'ensemble d'un profil. On distingue trois modes de prélèvements différents.

2.1.2.1. Le prélèvement instantané

C'est le mode de prélèvement le plus fréquemment utilisé. Les flacons sont remplis sans agiter l'eau aucontact de l'air. Le prélèvement instantané est un reflet de la composition de l'eau qui a un caractèreévolutif, notamment vis-à-vis des phénomènes de pollution. Une meilleure appréciation de cesvariations ou tout simplement la détection de ces épisodes de pollution nécessitent une multiplicationdes prélèvements dans le temps et dans l'espace. La périodicité des analyses est fonction:

! de la qualité de l'eau proprement dite, en particulier si celle-ci est soumise à des pollutionspermanentes ou occasionnelles

! du choix des paramètres analytiques représentatifs de la pollution comme l'oxygène dissous,les Matières En Suspension (MES), les germes de pollution fécale, etc., ou d'une pollutionparticulière liée à des rejets.

2.1.2.2. Le prélèvement composite

Des échantillons moyens sont recueillis lorsqu'on cherche une mesure de qualité moyenne sur unepériode (par exemple 2 heures ou 24 heures). Un certain nombre d'appareils de prélèvementautomatiques permettent de constituer des échantillons proportionnellement au débit. Sur une eaurésiduaire, il est souvent intéressant de connaître les variations des caractéristiques de la pollution au

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cours d'une journée, de préciser la grandeur des pollutions diurne et nocturne. Les appareils deprélèvement peuvent être munis de dispositifs qui assurent une conservation de l'échantillon.

2.1.2.3. Le prélèvement avec concentration

Une étape de concentration-extraction est nécessaire pour la mesure de micro-polluants organiques ;elle peut être mise en uvre au laboratoire, mais à partir d'un faible volume ou, directement sur le site,au moyen d'appareils automatiques continus; dans ce cas, l'échantillon peut correspondre à laconcentration de plusieurs centaines de litres prélevés sur plusieurs jours. Ces appareils sont munis dedispositifs de concentration-extraction de type résines poreuse, extraction liquide-liquide, ...

2.1.3. La conservation de l'échantillon

Le prélèvement subira obligatoirement un certain temps de transport et une attente au laboratoire avantla phase d'analyse. Ces temps devront être réduits au minimum et ne seront pas les mêmes selon leséléments à doser. Pendant cette période, des phénomènes chimiques et bactériologiques peuventconduire à des modifications de l'échantillon en occasionnant des précipitations, des adsorptions sur lesparois, des photodécompositions ou des biodégradations d'où la nécessité quand cela est possibled'employer des adjuvants de conservation et de réunir des conditions de température et d'obscuritéfavorables. En fonction du type d'analyse souhaitée, un prétraitement au moment du prélèvement seranécessaire. En particulier, si l'analyse porte sur la fraction totale d'un élément (particulaire + dissous),l'adjuvant peut être directement injecté. En revanche, si seule la partie dissoute n'est recherchée, unefiltration est impérative avant l'ajout de conservateur.

D'une façon générale, le transport à la température de 4°C et à l'obscurité dans des emballagesisothermes permet d'assurer une conservation satisfaisante. Ensuite, un stockage à 4°C ou unecongélation peuvent être nécessaires si l'échantillon ne peut être immédiatement analysé. Il convient dese reporter au tableau ci-après pour choisir le flaconnage, le volume minimum à prélever selonl'analyse et les dispositions à prendre pour la conservation.

Pour faciliter le travail de l'analyste, l'exploitation des résultats et pour éviter des erreurs, il convientd'étiqueter ou de numéroter les prélèvements. En principe, chaque prélèvement doit être rattaché à unefiche de renseignement contenant des informations utiles au laboratoire. La liste suivante, bien quen'ayant pas un caractère exhaustif peut servir d'aide mémoire:

! Date et heure du prélèvement! Identité du préleveur! Identité du destinataire! Lieu du prélèvement et origine de l'eau! Origine de l'eau! Remarques diverses faites lors du prélèvement! Paramètres physico-chimiques mesurés in situ (pH, oxygène dissous, potentiel d'oxydo-

réduction, température, turbidité, transparence,...)

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Table 20

Paramètresanalysés Flacon adjuvant Volume

miniT

(°C)Délai maximum avant

analyse0 4 48 h (obsc)Ammonium P ou V H2SO4 pH<2 4 qques jours (obsc)0 4 48 h (obsc)Azote Kjeldahl P ou V H2SO4 pH<2 1000 ml 4 qques semaines (obsc)

Vb 1h à 400 °C 0 500 ml 4 qques jours (obsc)CarboneOrganique total V H2SO4 pH<2 100 ml 4 24 h (obsc)Chlorophylle V brun 1000 ml 4Conductivité P ou V In situDBO P ou V 0 1000 ml 4 24 heuresDCO P ou V H2SO4 pH<2 100 4 24 h (obsc)Nitrates P ouV 0 4 48 heures (obsc)Nitrites P ouV 0 4 48 heures (obsc)MES P ouV 0 1000 4 6 heures (obsc)Oxygènedissous Vb In situ

pH P ou V In situEh P ou V In situ

0 100 4 48 h (obsc)Phosphates P ou V H2SO4 pH<2 100 4 1 semaineTurbidité P ou V In situBactériologie P ou V stériles 250 4 24 h (obsc)

P : Polyéthylène, V : Verre, Vb : Verre borosilicaté, obsc : obscurité

2.2. Analyses sur site

Certains paramètres peuvent évoluer pendant le transport des échantillons au laboratoire. Ainsi il esttoujours préférable de faire les déterminations du pH, de la température, des gaz dissous, du potentield'oxydo-réduction, de la conductivité, de la turbidité sur le terrain. La mesure de ces paramètres reposesouvent sur des méthodes de précision inférieure à celle des méthodes de laboratoire mais l'intérêt de lamesure immédiate peut être prépondérant, compte tenu des variations susceptibles d'intervenir durantle transport et la conservation au laboratoire. Par ailleurs, ces analyses sont souvent nécessaires pouraccompagner et comprendre l'évolution d'autres paramètres. Ces analyses de terrain seront parconséquent toujours réalisées et sont considérées comme des indicateurs préliminaires. Plusieurs typesde méthodes permettent de caractériser ces paramètres.

2.2.1. Méthodes potentiométriques

Ces méthodes mettent en uvre le plus souvent des électrodes spécifiques qui sont utilisées parimmersion dans l'eau. Le couplage de ces sondes à une unité centrale de saisie de données permet desuivre sur le site l'évolution de la qualité de l'eau dans le temps. Ce type de méthode s'appliquenotamment à la mesure du pH, du potentiel d'oxydo-réduction, de la température, de l'oxygène dissouset de la conductivité.

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2.2.1.1. Le pH

2.2.1.1.1. Le principe

Cette mesure par la méthode potentiométrique est surtout utilisée pour des mesures précises et àl'avantage d'être très rapide, et reproductible. Elle est également appliquée dans des cas très particulierscomme par exemple la mesure du pH des eaux très douces.

La différence de potentiel existant entre une électrode de verre et une électrode de référence (calomel-KCl saturé), plongeant dans une même solution, est une fonction linéaire du pH de celle-ci.

pH = -log[H3O+]

Selon les lois de Nernst, le potentiel de l'électrode est lié à l'activité des ions présents par la relationsuivante:

H0 algnFRT2,3EE += Equation (1)

E = Potentiel mesuréE0 = Constante dépendant du choix de l'électrode de référence et des solutions internesR= Constante des gaz (J.°C-1)T = Température absolue (°K)n = charge de l'ionF= Constante de Faraday (96500C)aH = Activité de l'ion dans l'échantillon (H+)

2.2.1.1.2. Les électrodes

Il existe des électrodes combinées où électrode de mesure et électrodede référence sont regroupées. Les pH-mètres sont généralementcompensés en température et donnent le pH à la température de 20°C.Il est nécessaire de les étalonner relativement souvent pour corriger.Ceci est réalisé à l'aide de deux solutions tamponnées respectivementà pH 4 et à pH 7.

Les électrodes de référence sont généralement à base d'argent/chlorured'argent/KCl saturé ou de Mercure/chlorure de mercure/KCl saturé.Elles ont par définition un potentiel constant.

L'électrode de mesure, généralement en verre est relativement fragile.Elles sont emplies d'une solution d'Argent/Chlorure d'argent/KCl dontle pH est fixé à pH0. La partie active de l'électrode est en verre d'uneépaisseur de l'ordre de 0.1 mm et laisse passer les ions H3O+.

La mesure de potentiel entre les deux électrodes peut s'écrire de la façon suivante:E = VM-VNE = (VM-VP)+(VP-VQ)+(VQ-VR)+(VR-VN)comme VM-VP= -(VR-VN)VP-VQ = a-b(pH-pH0)

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E = a-b((pH-pH0) où a est le coefficient d'asymétrie calibré à l'aide d'un tampon pH0, et b est uncoefficient de température, dont la calibration se fait avec un tampon à pH 7 par exemple.

2.2.1.1.3. Remarques.

Le pH d'une eau naturelle peut varier au cours de l'année sans qu'aucune pollution n'en soit la cause.Per exemple, l'été, dans un lac, les pH ont tendance à augmenter ce qui traduit une eau légèrement plusbasique qu'en temps normal. Ceci est essentiellement dû à la forte activité photosynthétique pendant lasaison estivale, qui en consommant le CO2 dissous déplace l'équilibre ci-dessous et tend à fairediminuer la concentration en ions H+.

+−+− +++ H 2 CO H HCO COH CO OH 2333222

(Source 11)

2.2.1.2. La température

Il est important de connaître la température de l'eau avec une bonne précision. En effet, celle-ci, enplus de servir à corriger la réponse électronique d'un bon nombre de capteurs, joue un rôle dans lasolubilité des sels et surtout des gaz, dans la dissociation des sels dissous donc sur la conductivitéélectrique, etc. En outre, cette mesure est très utile pour les études limnologiques et du point de vueindustriel pour les calculs d'échanges thermiques. D'une façon générale, la température des eauxsuperficielles est influencée par la température de l'air et ceci d'autant plus que leur origine est moinsprofonde. Cette mesure est à effectuer sur le terrain.

Pratiquement, la température de l'eau est mesurée soit avec un appareil électrométrique soit avec unthermomètre précis. La lecture est faite après une immersion de 10 minutes. Si la mesure directe n'estpas possible, il convient de prélever un volume de 5 à 10 litres d'eau et d'y plonger le thermomètreimmédiatement. Si la mesure doit être faite à distance, on peut utiliser un thermomètre à résistanceavec un enregistrement en continu. Classiquement, des sondes de platine sont utiliser, dont lacaractéristique principale est d'avoir une résistance de 100 Ohms à 0°C.

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Dans le cas d'une rivière, la mesure doit être faite en plusieurs points d'un profil en travers avec unintervalle de 5 à 10 m.

D'une façon générale, il est conseillé d'effectuer cette mesure aux environs de 7 h et de 15 h.

2.2.1.3. L'oxygène dissous par la méthode électrochimique.

Tout d'abord, il convient de dire qu'il existe d'autres méthodes de dosage de l'oxygène dissous telle quela méthode de Winkler, que nous n'aborderons pas (voir TP).

2.2.1.3.1. Principe

La réduction de l'oxygène, au niveau d'une cathode convenable, engendre un courant proportionnel à lapression partielle en oxygène dans la solution. Deux techniques existent, l'une polarographiques, l'autregalvanique dont la seule différence est que la réaction est spontanée avec l'électrode galvanique, alorsqu'une tension de polarisation extérieure est nécessaire en polarographie. Deux électrodes métalliquesen contact avec un électrolyte, sont séparées du milieu à examiner par une membrane perméablepréférentiellement à l'oxygène.

Les réactions se produisant autour des électrodes sont les suivantes:

! à l'anode, 4Ag+ + 4Cl- " 4AgCl + 4e-

! à la cathode, O2 + 2H2O + 4e- " 4OH-

Le dosage se fait toujours sous agitation étant donné que l'électrode à oxygène consomme ce qu'ellemesure. La vitesse et la façon dont l'agitation sont des paramètres primordiaux de cette mesure.

La diffusion de l'oxygène au travers de la membrane est fonction de la température, de l'agitation, de lapression, et de la salinité.

Cette mesure s'exprime usuellement en mg.l-1 d'O2 ou en pourcentage de saturation.

L'étalonnage d'un oxymètre (électrode + millivoltmètre) se fait de la façon suivante. Le zéro électriquecorrespond à 0 %, l'air saturé en eau à température ambiante correspond à 100% de saturation.

2.2.1.3.2. Remarques

Le taux d'oxygène dissous dans l'eau dépend essentiellement de la température, et est inversementproportionnel à la température. Cette mesure a par conséquent des cycles journalier et saisonnier trèsmarqués et nécessite des fréquences de mesure élevée. Il est fréquent d'avoir des sursaturations de 150à 200 % en période estivale. Ceci s'explique par une production d'oxygène par les organismesphotosynthétiques dans la colonne d'eau supérieure aux quantités qu'il est possible de dissoudre.

L'oxygène est l'un des principaux éléments utiles aux bactéries pour leur respiration. En présence depollution ou d'apport de pollution, les bactéries consomment de l'oxygène en quantité plus importantequ'en temps normal pour dégrader cette pollution et peuvent dans certains cas appauvrir totalement lemilieu en oxygène dissous.

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2.2.1.4. La conductivité

La conductivité électrique d'une eau est la conductance d'une colonne d'eau comprise entre deuxélectrodes métalliques (Platine) de 1 cm2 de surface et séparée l'une de l'autre de 1 cm. Elle estl'inverse de la résistivité électrique.

L'unité de conductivité est le Siemens par mètre (S.m-1).1 S.m-1 = 104 µS.cm-1 = 102 S.cm-1

La relation entre la résistivité et la conductivité est la suivante:

)S.cmµ(téconductivi1000000.cm)(érésistivit 1-=Ω Equation (2)

La mesure est basée sur le principe du pont de Wheatstone, en utilisant comme appareil de zéro ungalvanomètre ou une image cathodique.

Cette mesure nécessite une correction électrique, généralement intégrée par les conductimètres.

La conductivité donne une idée de la minéralisation d'une eau et est à ce titre un bon marqueur del'origine d'une eau. Sur des terrains comme l'est le bassin parisien, la conductivité moyenne d'une eaude rivière est aux alentours de 500 µS.cm-1. Des eaux usées sont généralement à des valeurs plutôt auxalentours de 100 µS.cm-1.

Une autre source donne les valeurs suivantes à 25 °C12:

! Eau brute 300 - 800 µS.cm-1 env.! Eau décarbonatée 20 µS.cm-1 env.! Eau pure (eau déminéralisée) 2 - 10 µS.cm-1 env.! Eau ultra-pure 0,055 - 1 µS.cm-1 env.

(Source 11)

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(Source 13)

2.2.1.5. La Néphélométrie: Mesure de la turbidité

La néphélométrie est une technique habituellement de laboratoire. La simplification et laminiaturisation des appareils ont conduit à l'apparition d'appareil de terrain tels que des turbidimètres.La mesure de la turbidité utilise le principe présenté ci dessous où:

! Lé est la lumière émise

! Lt est la lumière transmise

! Ld est le faisceau de lumièrediffusée mesuré

Les particules contenues dans une eau diffusent plus ou moins la lumière. Si un observateur est placésous un angle de 90° par rapport au rayon incident, il reçoit une quantité de lumière fonction desparticules présentent. La longueur d'onde de la lumière émise est supérieure à 800 nm pour éviterl'absorption de la lumière par les substances dissoutes. Certains appareils comparent la lumièrediffusée à la lumière transmise pour tenir compte de matières qui diffusent peu la lumière. Lesturbidités trouvées sont comparées à des étalons constitués de formazine et sont exprimées en NTU(Nephelometric Turbidity Unit). Cette mesure demande des précautions: éviter les bulles d'air, fairedes dilution pour les fortes turbidités. Des mesures comparatives ne doivent être effectuées que sur unmême appareil.

2.2.2. Méthodes visuelles: Mesure de la transparence

Des techniques de terrain consistent à mesurer la profondeur à laquelle un repère cesse d'être visible.Ces méthodes ne sont pratiquement utilisées que pour fournir des informations sur les eaux de surfaceet les eaux résiduaires. L'une de ces techniques est la méthode de Secchi. Elle convient surtout pour lesmesures en lacs et dans les ouvrages de stations de traitement des eaux. Un disque blanc en fonteémaillée de 200 mm de diamètre, possédant 6 trous de 55 mm chacun, répartis sur un cercle de 120

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mm de diamètre est fixés sur une corde. On laisse descendre le disque et on note à quelle profondeur ledisque disparaît. L'expression de la transparence est donnée en mètres de secchi.

2.3. Les analyses de laboratoires, après prélèvement

Cette liste forcement non exhaustive recense les analyses qui seront menées dans le cadre du moduleexpérimental.

2.3.1. La demande biologique en oxygène (DBO)

Le test de la DBO a constamment fait l'objet de discussions. Amélioré et précisé, il constitue cependantun moyen valable de l'étude des phénomènes naturels de destruction des matières organiques paropposition à la Demande Chimique en Oxygène (DCO) qui est une méthode permettant d'évaluer lesquantités de matières organiques mais également des matières oxydables minérales. Les difficultésd'application, de reproductibilité et d'interprétation des résultats sont liées au caractère biologique de laméthode. Cette méthode repose sur les quantités d'oxygène consommées par les bactéries en un tempsdonné (en général 5 jours) pour oxyder les matières organiques présentent dans le milieu.

Plusieurs dilutions de l'échantillon sont nécessaires pour choisir au terme de l'analyse cellescorrespondant à une consommation de 40 à 60 % de la teneur initiale en oxygène dissous. La DBO estcalculée par la formule suivante et s'exprime en mg O2.l-1

DBO5 = F(T0-T5) - (F-1)(D0-D5) oùF = Facteur de dilutionTx = teneur en oxygène des échantillons diluésDx = teneur en oxygène de l'eau de dilution

Les échantillons sont maintenus à température de 20 °C et à l'obscurité pendant 5 jours

2.3.2. Les matières en suspension (MES)

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La détermination des matières en suspension dans l'eau s'effectue par filtration ou par centrifugation.La seconde méthode est essentiellement recommandée lorsque les MES sont trop abondantes et que lafiltration est trop lente (> 1 heure) ou impossible. Il convient d'effectuer la détermination des MES leplus rapidement après prélèvement, et de préférence sur la totalité du prélèvement, toujours bienhomogénéisé.

La méthode par filtration sur disque filtrant en fibre de verre est celle retenue. Les matières ensuspension sont séparées de l'échantillon liquide puis pesées après séchage.

2.3.2.1. Prétraitement du disque filtrant

Laver un disque filtrant, placé sur un kit de filtration relié à une pompe à vide, à l'aide de 50 ml d'eaudistillée. Cette étape permet d'éliminer les particules du filtre qui seraient entraînées lors de lafiltration.

Sécher les disques filtrant pendant 1 h 30 minutes à l'étuve à 105 °C. Cette étape permet également desupprimer l'effet de perte de masse du filtre lors du séchage après la filtration de l'échantillon.

Laisser refroidir les disques dans un dessiccateur pendant 30 minutes.

Peser les filtres (masse M0 en mg).

2.3.2.2. Filtration de l'échantillon

Placer le filtre sur le support de filtration et mettre en marche le système d'aspiration.

Verser progressivement l'échantillon bien homogénéisé sur le filtre en veillant à ne pas colmater lefiltre. Le volume V filtré doit être d'au moins 100 ml. La masse de matières retenue doit être au moinségale à 1 mg / cm2 de surface filtrante. Toutefois, si les eaux contiennent peu de MES et que cetteseconde condition ne peu être satisfaite, le volume doit être d'au moins 500 ml. Plusieurs essais sontdonc à mettre en uvre pour se placer dans les bonnes conditions.

Rincer le récipient ayant contenu l'échantillon et l'appareil avec 10 ml environ d'eau distillée et fairepasser les eaux de lavage sur le filtre.

Mettre le filtre à sécher pendant 1 heure 30 minutes à 105 °C puis 30 minutes au dessiccateur.

Peser le filtre et noter le masse M1.

Le taux de matière en suspension, exprimé en milligramme par litre est donné par l'expression:

MES = 1000(M1-M0)/Voù, M1 et M0 sont en mg et V en ml.

2.4. Interprétation des paramètres

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Chaque paramètre mesuré est une information permettant d'évaluer l'état du milieu, sa qualité, sondegré de pollution , la possibilité de pratiquer tel ou tel usage, etc.

Des grilles de qualité ont été publiées, déterminant les valeurs à ne pas dépasser pour différents usagestelles que la qualité des eaux destinée à la consommation humaine, à la baignade, la qualité des eauxpour la vie aquatique, et les limites de qualité des eaux brutes avant traitement de potabilisation. Lesvaleurs seuils des paramètres évoqués sont présentées dans le tableau ci-après.

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Table 21

Eaux brutes pourpotabilisation

Consommationhumaine Baignade Vie aquatique

pH 5,5 - 9 6,5 - 9 6 - 9 6 - 9T (°C) 22 - 25 < 25 < 28Cond. (µS.cm-1) < 1000 < 400Turbidité (NTU) < 4MES (mg.l-1) < 25 absence < 25DBO 5 < 7 < 6O2 < 30 % > 75 % 80 - 120 % > 50 %

Il existe également des grilles de qualité des eaux douces superficielles permettant d'apprécier leurqualité globale:

Table 22

1A 1B 2 3Cond.(µS.cm-1 à 20 °C) < 400 400 à 750 750 à 1500 1500 à 3000

T (°C) < 20 20 à 22 22 à 25 25 à 30pH 6,5 à 8,5 6,5 à 8,5 6 à 9 5,5 à 9,5MES (mg.l-1) < 30 < 30 < 30 30 à 70O2 dissous (mg.l-1) > 7 5 à 7 3 à 5O2 dissous (%) > 90 70 à 90 50 à 70

aérobie enpermanence

DBO 5 < 3 3 à 5 5 à 10 10 à 25

1A : Eaux considérées comme exemptes de pollution1B : Qualité légèrement moindre, pouvant satisfaire tous les usages2 : Qualité passable, suffisante pour l'irrigation, usages industriels, production d'eau potable après traitementpoussé3 : Qualité médiocre: juste apte à l'irrigation, au refroidissement et à la navigationHC : Eaux dépassant la valeur maximale de classe 3 pour un ou plusieurs paramètre. Inaptes à la plupart desusages et considérée comme une menace pour l'environnement

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CHAPITRE 3: TRAITEMENTS DES EAUXe

3.1. Technique d'épuration

De quoi dépend les traitements:! l'origine! la destination

Mais voyons plus en détails les différentes techniques d'épuration:

3.1.1. Techniques générales

3.1.1.1. Dégrillage

de 10 à 100 mm

3.1.1.2. Dessablage

3.1.1.3. Déshuilage

Ces trois premières opérations, ne sont que des opérations physiques.

3.1.1.4. Disparition des matières en suspensions et matières colloïdales

On va effectuer une coagulation ou une floculation.Les colloïdes sont des particules solides très petites dans le liquide (par exemple la peinture, le sang).Ce sont des systèmes hétérogènes: des phases solides - des phases liquides.

La phase solide est ce qu'on appelle la phase dispersée, alors que la phase liquide estappelée phase dispersante.

Si on ne traite pas les colloïdes, ils ne vont pas décanter naturellement.

e J'encourage le lecteur à lire l'Arrêté du Gouvernement de la Région de Bruxelles-Capitale relatif à la qualité de leaudistribuée par réseau du 24 janvier 2002 (Moniteur Belge du 21 février 2002 p 6600-6625) notamment la partie consacréeaux auxiliaires technologiques autorisés pour le traitement des eaux.

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Table 23 - Décantation naturelle

Diamètre des particules (nm) Temps nécessaire pour décanterd'un mètre

107 (Exemple: gravier) 1 s106 (Exemple: sable) 10 s

105 (Exemple: sable fin) 2 mn104 (Exemple: argile) 2 heures

103 (Exemple: bactéries) 8 jours102 (Exemple: colloïdes) 2 ans101 (Exemple: colloïdes) 20 ans1 (Exemple: colloïdes) 200 ans = 6.31.109 s

1,E+00

1,E+09

2,E+09

3,E+09

4,E+09

5,E+09

6,E+09

1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 1,E+07Diamètre (nm) (Attention échelle logarithmique)

Tem

ps (s

)

On va provoquer le système (déséquilibrer). On va séparer la phase solide et la phase liquide ducolloïde car il est non stable. On va donc perturber un peu l'équilibre (métastable) et nous allonsrécupérer le colloïde à la fin.

Pourquoi les colloïdes sont séparés ?

Parce que les colloïdes sont tous chargés de même signe. Donc tout va dépendre des forces d'attractionet de répulsion. Elles sont de deux ordres: les forces électrostatiques (coulombienne) qui sont descharges superficielles à la surface du colloïde et les forces d'attraction (Van der Waals).

On va coaguler les colloïdes en jouant sur la charge pour empêcher les forces de répulsion. On va enfait les minimiser pour qu'il n'y ai plus que les forces d'attraction.

Il faut savoir que la plupart des colloïdes dans l'eau sont chargés négativement.

D'où viennent les charges des colloïdes ?

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! elle vient de la particule elle-même (certains groupements qui s'ionisent)! ou bien de molécules (ions) qui sont accrochées à la surface.

Il y a une double couche qui entoure le colloïde: c'est des colloïdes chargés négativement avec descations tout autour. Quand il se déplace, il emmène sa double couche avec lui.

Le colloïde est caractérisé par un certain potentiel: le potentiel zêta. Le coagulant a pour effetd'annuler la valeur du potentiel zêta.Pour agglomérer les colloïdes, on ajoute ensuite un floculant (qui est un réactif qui va provoquer lafloculation): on va fabriquer des flocs (aggloméra de colloïdes "déchargés").

EXEMPLES D'AGENTS COAGULANTS

On utilise généralement des cations.

Coagulants minérauxOn utilise en principe des cations trivalents (Al3+, Fe3+), qui vont neutraliser la charge négative desurface du colloïde. En effet, le cations trivalents sont plus efficaces que les cations divalents.

Quand on met les cations dans l'eau, on a précipitation des hydroxydes.

Les réactions sont très similaires pour l'aluminium et le fer.

Mais il y a un problème: il faut doser les ions Al3+, Fe3+ pour ne pas polluer l'eau.

Le pH joue énormément sur la coagulation.pH optimal: pH qui correspond au moins de solubilité de l'hydroxyde de fer ou d'aluminium.

pH

S (mol/l)

6 7,5

Al3+

Al(OH)3

Al(OH)3 (s)

AlO2- (s)

Coagulants minéraux

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Tome 2 Dr. Gilles OLIVE 59

CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

Al(OH)3 Al3+(aq) + 3 HO-

(aq)

Basique k1 = [Al3+][HO-]3

Mais les hydroxydes qui ont un graphique de ce type sont des hydroxydes amphotères.

Al(OH)3 AlO2-(aq) + H+ + H2O

Acide k2 = [AlO2-][H+]

Et doncS = [Al3+] + [AlO2

-]

On trouve k1 et k2 dans des tables. D'où:

][Hk

][HOk S 2

3-1

++=

(KsAl(OH)3 = 4,00.10-13 à 15 °C, 1,50.10-15 à 18 °C, 3,70.10-15 à 25 °C)3

Coagulants organiquesCe sont souvent des mixtures. Dans l'industrie on utilise des polyélectrolytes (qui a plus qu'une charge)cationiques. Ce sont des polymères dont le monomère est ionique. Généralement les coagulantsorganiques contiennent des amines quaternaires ( -> grande taille).

Exemple:

CH2 CH CH CH2

H2C CH2

N

H3C CH3

n

Cl

EXEMPLES D'AGENTS FLOCULANTS

Polymères minéraux: dérivés du silicone

Polymères naturels: amidon

Polymères de synthèse: anioniquecationiquenon ionique

Exemple: polyacrylamide

copolymères

Mais cela reste très empiriques et dépend fortement du choix des particules et de la quantité desparticules.

CH2 CH

C O

NH2

n

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

APPAREILLAGE

Appareillage utilisé pour introduire les coagulants et les floculants.

On met ces produits en faible quantité et on les insère dans un endroit de forte turbulence pour bienhomogénéiser.

réactifs

Vidange (boues)

eau usée eau traitée

3.1.1.5. Décantation14

La décantation consiste à faire traverser un bassin par l'influent à faible vitesse, de façon à ce que lesmatières en suspension puissent sédimenter. Le profil du fond de ce bassin permet le rassemblement etla reprise de la suspension obtenue et les boues déposées sont récupérées par raclage permanent etpompage.Le processus de décantation réside dans l'utilisation des forces de gravité pour séparer une particule dedensité supérieure à celle du liquide jusqu'à une surface ou une zone de stockage.

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

3.1.1.6. Filtration et absorption

On réalise principalement des filtrations au sable: on appelle cela des filtres naturels. Pour aller plusvite on met l'eau sous pression, qu'on fait passer avec une vitesse de passage de 4 m.heure-1 sur le litfiltrant. Les couches de sable sont importantes (plusieurs mètres). Les filtres presses se colmatantrapidement sont peu utilisés. Dans certains cas, comme à Vedrin, on utilise de la porcelaine commefiltre pour enlever le fer.

3.1.1.7. Diminution de la dureté

Il existe plusieurs méthodes que nous allons passer en revue.

3.1.1.7.1. Première méthode: Décarbonatation à la chaux

Elle est limitée à la dureté temporaire, c'est-à-dire les hydrogénocarbonates des alcalino-terreux.

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2 CaCO3(s) + 2 H2O

Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 MgCO3(s) + CaCO3(s) + 2 H2O

Le carbonate de magnésium est plus soluble que le carbonate de calcium. On va donc mettre un excèsd'hydroxyde de calcium, car cet excès va réagir avec le carbonate de magnésium selon:

Ca(OH)2 + MgCO3 CaCO3 + Mg(OH)2

moins soluble(KsMgCO3 = 2,60.10-5 à 12 °C)3

(KsCaCO3 = 4,80.10-9 à 25 °C)3

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

(KsMg(OH)2 = 1,20.10-11 à 18 °C)3

Pour traiter la dureté due aux autres alcalins, il faut une autre technique.

3.1.1.7.2. Deuxième méthode: Carbonate de Sodium

Elle est limitée à la dureté permanente.

CaSO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CaCO3

3.1.1.7.3. Troisième méthode: Précipitation à la soude

Ca(HCO3)2 + 2 NaOH CaCO3(s) + Na2CO3 + 2 H2O

Cette réaction permet aussi d'éliminer d'autres sels que ceux du phosphore.

3.1.1.7.4. Quatrième méthode: Résines échangeuses d'ions

On fait percoler de l'eau sur de la résine et cette résine va remplacer les ions calcium par des ionssodium. L'eau ressort donc plus salée. Ces résines sont des polymères avec des fonctions sulfonate( −

3SO ) dont le contre-cation est le sodium.L'affinité des cations avec la résine est due à:

! Ca2+ est deux fois plus chargé que Na+

! Et la taille de la particule est plus grande.

3.1.1.8. Déminéralisation totale

Elle se fait aussi par les mêmes résines échangeuses d'ions qu'au 3.1.1.7.4 mais avec des protons aulieu des ions sodium.

3.1.1.9. Évaporateur

Son but est de bouillir de l'eau (distillation) afin de se débarrasser des impuretés. Sauf pour lesazéotropes, où les impuretés passent lors de l'ébullition.

3.1.2. Etape pour obtenir de l'eau potable

3.1.2.1. Chloration: Cl2 (gazeux)

Cl2 + H2O HOCl + H+ + Cl-

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L'acide hypochloreux (HOCl) est un acide faible qui se dissocie partiellement sous forme de H+ et deClO-. Mais cette réaction dépend du pH:

! à pH < 4, on a seulement le chlore (Cl2) qui est dissout! pH 4 - 5,8 on a HOCl! pH 5,8 - 9, il y a équilibre entre HOCl et ClO-

! pH > 9, on a que ClO-

Le pH des eaux naturelles se situe entre 5 et 9, on a donc un mélange de HOCl et ClO-.

C'est HOCl non dissocié qui est efficace pour détruire les agents pathogènes (bactéries, virus,...) etdonc si on veut stériliser l'eau, il faut bien contrôler le pH.

Mais il y a un problème avec le chlore: le goût de l'eau. C'est un problème organoleptique dû au chlore,surtout que le chlore va réagir avec les eaux azotées pour former des chloramines qui ont un goût (enplus d'être cancérigènes).

HOCl + NH3 H2O + NH2Cl

HOCl + NH2Cl H2O + NHCl2

HOCl + NHCl2 H2O + NCl3

Remarque: il faut donc un taux de chlore important, car si on dépasse une certaine dose de chlore, ondétruit les chloramines.

La chloration est de moins en moins utilisée sauf à la fin du traitement par prévention.

(Voir aussi paragraphe 5.2 page 100 sur la solubilité du chlore dans l'eau)

3.1.2.2. Utilisation de peroxyde de chlore: ClO2

On le fabrique à partir de dichlore et chlorite de sodium (NaClO2) selon:

Cl2 + 2 NaClO2 2 NaCl + 2 ClO2

Le dioxyde de chlore se dismutef dans l'eau selon:

2 ClO2 + H2O HClO2 + HClO3

Cette réaction dépend fortement du pH, car on forme des acides qui sont plus ou moins dissociés enfonction du pH.

! Action du dioxyde de chlore: il oxyde les substances! Avantage: pas de goût à l'eau

f La réaction de dismutation est une réaction au cours de laquelle un même élément subit une oxydation et une réduction.

2 Cu+ Cu + Cu2+

+1 0 +2

H2O2 H2O + 1/2 O2

-1 -2 0

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agent bactéricide (il tue les bactéries)! Problème: il coûte cher

−3ClO est très toxique, il faut donc contrôler les quantités de

dioxyde de chlore et le pH

DE FAÇON PLUS DETAILLÉE8

Le dioxyde de chlore fut découvert par Sir Humphry Davy, en 1811, en faisant réagir du chlorate depotassium avec de l'acide sulfurique. Le dioxyde de chlore est un gaz relativement instable (pointd'ébullition à 11 °C), qui ne peut, sans danger d'explosion, être comprimé ou liquéfié. C'est pourquoi ildoit être produit sur le site même de son utilisation.

Le dioxyde de chlore (ClO2, MM: 67,47) correspond à l'étage d'oxydation IV du chlore, présente unestructure angulaire et contient un nombre impair d'électrons. Il doit, de ce fait, être considéré commeradical libre avec structure de résonance.

Cl

O O

Cl

O O

Le dioxyde de chlore est un oxydant à deux réactions consécutives:

ClO2 + 1 e- <=> −2ClO CE °25

0 = 1,15 V à l'état gazeux.= 0,95 V en solution aqueuse.

−2ClO + 4 e- + 2 H2O <=> −Cl + 4 −HO CE °25

0 = 0,78 V

En solution aqueuse, le potentiel d'oxydation du dioxyde de chlore décroît, de façon linéaire, de-0,062 V pour chaque unité de pH supplémentaire.Une équation expérimentale qui peut être employée pour évaluer la dépendance à la température dupremier potentiel redox du dioxyde de chlore, est donnée par:

0E (volts) = -5,367 + 0,0613 T - 19,4.10-5 T2 + 2.10-7 T3

L'ion chlorite est un oxydant moins important, et particulièrement dans les réactions qui impliquent descomposés organiques. Les produits de réaction sont examinés plus loin.

Théoriquement, le dioxyde de chlore peut être considéré comme un mélange anhydre d'acide chloreuxet d'acide chlorique:

2 ClO2 + H2O <=> HClO2 + HClO3

En solution neutre, le dioxyde de chlore s'hydrolyse faiblement:

C 20 à 1,2.10 ClO

HClO x HClO 7-

22

32 °==HK

La réaction complète est complexe et des dismutations importantes ont lieu dans les filières deproduction du dioxyde de chlore.

Page 67: Chimie industrielle

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

Le dioxyde de chlore est, potentiellement, explosif dans l'air lorsque sa pression partielle est supérieureà 100 mbar, ou lorsqu'elle vaut 10 % volumique à la pression atmosphérique. L'explosion peut êtreprovoquée par une décharge électrique, par la chaleur ou par toute source d'ignition. Pour quel'explosion soit violente, la décomposition requiert une température supérieure à 45 ou 50 °C. Laréaction est caractérisée par de longues périodes d'induction.La vitesse de réaction est une fonction de la pression ambiante et de 1/2

ClO )(2

p . La réaction globale estClO2 <=> 0,5 Cl2 + O2. Après explosion, et parce que le gaz produit contient du chlore et de l'oxygène,le risque d'embrasement est accru.

Le chlorite de sodium, sous forme solide, est explosif à la chaleur (danger à partir de ± 80 °C) ou aucontact de matières organiques. Il est préférable de ne pas conserver le chlorite sous cette forme, maisplutôt en solution (par exemple de 300 à 400 g/L). En cas d'éclaboussures, la zone souillée doit êtrerincée à grande eau.

La concentration maximum admissible (CMA) en dioxyde de chlore gazeux dans l'air des lieux detravail, fut établie expérimentalement et fixée à 1 ppm. En situation professionnelle, ce niveau est plusque prudent.

DESINFECTION DE L'EAU PAR LE DIOXYDE DE CHLOREAujourd'hui, les problèmes associés à la formation des trihalométhanes (THM) et autres composésorganochlorés suscitent un regard nouveau sur les avantages potentiels du dioxyde de chlore enmatière de désinfection de l'eau potable. Depuis le début du vingtième siècle, le dioxyde de chlore étaitconnu comme puissant désinfectant de l'eau, alors qu'il était employé à la station thermale d'Ostende.Ce ne fut, cependant, que pendant les années 50 qu'il fut introduit plus généralement commedésinfectant de l'eau potable, provoquant moins d'incommodités organoleptiques que le chlore. Desvilles européennes importantes en font l'usage: Bruxelles, Zurich, Toulouse, Düsseldorf, Berlin,Monaco et Vienne ; ainsi que plusieurs villes des Etats-Unis: Evansville en Indiana, Hamilton en Ohio,Galveston au Texas. Après désinfection, les concentrations résiduelles ne dépassent pas 0,1 mg/L, enpratique.

Mode d'actionOn observe, généralement, que l'action bactéricide et antivirale du dioxyde de chlore n'est pas affaibliepar une augmentation du pH de l'eau. Cette action est même facilitée, de quelque manière, par une telleaugmentation, à l'égard du bactériophage f2, des kystes amibiens, des Poliovirus et d'autresEntérovirus. En milieu alcalin, le dioxyde de chlore se décompose en chlorite et en chlorate.L'intensification de l'action bactéricide et antivirale ne peut cependant pas être attribuée au chlorite etau chlorate formés par cette dismutation, bien que ce mode d'action ait été suggéré dans la littérature.La formation de radicaux OH·, comme processus possible, a été soutenue mais non prouvée. Unehypothèse plus probable est celle de l'augmentation, en milieu alcalin, de la perméabilité de la couchelipidique et de l'accès ainsi facilité vers les molécules cellulaires vitales, au gaz de dioxyde de chlore àélectron célibataire.La réaction du dioxyde de chlore avec les acides aminés vitaux est probablement un des élémentsdominants de l'action bactéricide. Les acides aminés qui réagissent de manière significative avec ledioxyde de chlore sont l'hydroxyproline, la proline, l'histidine, la cystéine, la cystine, la tyrosine et letryptophane. Dans le cas de l'action du dioxyde de chlore sur les virus, la protéine de la capsidedemeure inaltérée mais l'impact sur la tyrosine apparaît être une voie importante de l'action antivirale.

3.1.2.3. Ozonation (O3)

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On utilise l'ozone comme agent de stérilisation et en plus il va détruire les molécules organiques.L'ozone "casse" par ozonolyse les doubles et les triples liaisons: on va former des aldéhydes ou descétones.On forme l'ozone en appliquant une forte différence de potentiel dans un ozoneur sur du dioxygènesec.C'est la technique la plus utilisée à l'heure actuelle.

3.1.2.4. L'eau oxygénée ou peroxyde d'hydrogène (H2O2)

Son principal problème est la dismutationg et donc son action diminue au cours du temps. En plus cetteréaction est accélérée par les ions fer2+.

3.1.2.5. Désinfection de l'eau par ultraviolets9

3.1.2.5.1. Conditions élémentaires de l'action

3.1.2.5.1.1. Principes fondamentaux

La désinfection de l'eau par rayonnement UV est un procédé photochimique. Les atomes et lesmolécules subissent des modifications photochimiques seulement lorsque les photons sont absorbéspar les atomes ou molécules. En d'autres mots, si le rayonnement n'est pas absorbé, il est inefficace. Deplus, l'énergie des photons doit être suffisamment élevée pour produire un changement de niveaud'énergie dans les atomes des molécules absorbantes. Les bactéries font montre d'une absorptionmaximale pour un rayonnement de 260 à 265 nm (Figure 2). Les nématodes, les larves et les virus dela mosaïque du tabac sont plus sensibles au rayonnement de 220 nm. Finalement, quelle que soit leurorigine (émission directe, réfléchie, diffuse, etc.), tous les photons absorbés sont potentiellement actifspour la désinfection. Si plus d'un composant se trouve dans la solution pour absorber le quantum actif,l'effet peut en être amoindri par absorption compétitive.

g Voir la réaction à la note f

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Figure 2 - Spectre d'absorption des UV par les bactéries

3.1.2.5.1.2. Effets généraux

L'effet bactéricide du rayonnement solaire fut rapporté la première fois en 1877 ; le rayonnement UVde l'énergie solaire qui atteint la surface de la terre est cependant confiné aux longueurs d'ondesupérieures à 290 nm. Le rayonnement UV est subdivisé en plusieurs régions (voir Figure 3). Laportion qui a une importance germicide pratique est celle des UV-C, pour lesquels les longueurs d'ondesont comprises entre 220 et 280 nm.L'utilisation technique des UV pris son essor grâce à la découverte de la lampe à vapeur de mercurepar Hewitt en 1901. En 1910, Cernovedeau et Henri firent, à Marseille, l'expérience de la désinfectionde l'eau au moyen des UV. L'action désinfectante du rayonnement UV dans l'eau ne peut se fonder surla formation d'ozone à partir d'oxygène puisque celle-ci requiert une énergie qui correspond auxlongueurs d'onde inférieures à 220 nm (par ex. à la bande de 185 nm d'une lampe à vapeur demercure) ; elle requiert aussi de l'air ou de l'oxygène secs. Il a cependant été suggéré que lorsque lerayonnement UV se propage dans l'eau, il produit des radicaux hydroxyles ou superoxydes qui sontconsidérés, d'une certaine manière, comme des agents désinfectants. De plus, la photolyse du peroxyded'hydrogène à 254 nm peut produire des radicaux hydroxyles, qui sont des oxydants forts:

• → HO 2 OH nm 25422

f

(Le rendement de 0,5 à 1 du quantum demeure un sujet controversé.)

Le coefficient d'absorption de H2O2 à 254 nm est de l'ordre de 17 à 18 L.mol-1.cm-1. Auxconcentrations inférieures à 0,6 M en peroxyde, les effets dus à H2O2 et aux UV sont synergiques ; onpeut alors parfois observer une intensification de la désinfection de l'ordre de 4000 fois. Auxconcentrations supérieures en peroxyde, l'avantage peut être moindre en raison d'une absorptioncompétitive du rayonnement à 254 nm. Le bicarbonate interfère en tant qu'éliminateur du radicalhydroxyle, de la même manière que dans le processus de l'ozonation.

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Figure 3 - Subdivision de la zone UV des ondes électromagnétiques

3.1.2.5.1.3. Théorie actuelle de l'action germicide

La théorie la plus avancée en matière d'action bactéricide des UV conçoit qu'une altérationphotochimique de l'ADN empêche une reproduction bactérienne normale. Le spectre d'absorption del'ADN est semblable au graphique de l'activité bactéricide aux différentes longueurs d'onde. On a pudéterminer des modifications photochimiques survenues aux bases pyrimidiques de l'ADN, et plusparticulièrement, la formation de dimères de la thymine.

3.1.2.5.1.4. Equipement à envisager

Lors de la conception d'un équipement à UV, nous devons considérer:! le choix d'une source d'UV d'intensité connue! le niveau de qualité souhaitée pour l'eau disponible! la géométrie du réacteur à concevoir! les systèmes de montage et les conditions de sécurité.

3.1.2.5.2. Caractéristiques des sources disponibles d'UV

3.1.2.5.2.1. Intensité des UV

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CHIMIE INDUSTRIELLE 01/04/2005 3ème Edition

L'intensité ou densité du rayonnement UV, I, est exprimée en J.m-2.s-1 ou en µW.cm-2.s-1. L'intensitéutile est influencée par divers facteurs: la technologie des lampes émettrices elles-mêmes et lerendement d'émission qui est influencé par la température de la lampe, la transmission optique desmatériaux, le voltage électrique, l'âge des lampes et la formation de dépôts sur les surfaces.L'environnement des sources émettrices influence aussi l'intensité utile: l'absorption du rayonnementpar le liquide en contact avec les lampes, la réflectance des matériaux utilisés pour la fabrication desréacteurs, les facteurs de géométrie des lampes relative au réacteur et la conséquence de lacombinaison de plusieurs lampes.

3.1.2.5.2.2. Rendement d'émission des lampes

La technologie qui a été la plus en usage jusqu'à présent était celle de la cathode chaude. Les fabricantsmentionnent encore un rendement en UV (η1) de 25 à 45 % par rapport à l'utilisation électrique, avecune limite inférieure située entre 15 et 30 %.Les lampes à cathode froide et préchauffage sont similaires aux précédentes mais ont une puissance desortie moindre (rendement électrique en UV de 15 à 20 %). Elles ressemblent à des lampes communesà faible rendement (1,5 à 2 %) d'allure plus moderne ; elles sont peu utilisées en traitement de l'eaumais leur rendement d'émission peut être connu avec précision. Elles se présentent souvent comme desampoules simples et conviennent mieux pour les travaux de recherche, particulièrement dans les étudesrelatives aux faibles irradiations.

Figure 4 - Spectre typique d'émission de lampes UV germicides

Les lampes à mercure à moyenne et haute pression sont des sources polyspectrales dans lesquelles laraie d'émission à 254 nm est moins dominante (voir Figure 4) et où le rendement global en UV atteintà peine 5 à 10 %. L'intérêt potentiel de cette technologie, comme pour les lampes à basse pression et àhaut rendement, se situe dans son grand rendement d'émission hautement linéaire (W/cm) qui rendpossible la construction de réacteurs plus petits pour une irradiation donnée.

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3.1.3. Traitement biologique

But: dégrader certaines substances pour produire du gaz carbonique, de l'eau et de la biomasse.

3.1.3.1. Différentes phases de croissance

La croissance des bactéries ce fait dans un réacteur soit continu, soit semi-continu ou bien discontinu(Batch: on rempli le réacteur, on attend que la réaction se fasse).

Cas de batch avec micro-organisme:

Temps

Nbre bactéries

I

IIIII

IV

Il y a quatre phases:

! I phase de latence: le temps que les bactéries s'adaptent au milieu.Pourquoi: composition de l'environnement: adaptation nutritionnelle

nouvelles conditions physico-chimique: température, ... lors du transfert les bactéries peuvent être abîmées.

! II croissance exponentielle: les bactéries se multiplie de façon exponentielle.! III croissance ralentie

limitation au niveau des nutriments accumulation des déchets→ mort cellulaire

! IV tous les substrats ont été consommé.

Conditions:! il faut que le limitant soit les impuretés qui se trouvent dans l'eau (apporter suffisamment

d'oxygène)! solubilité du dioxygène dans l'eau est très mauvaise! apporter des nutriments complémentaires pour une bonne croissance des bactéries

(phosphore, soufre, ....)

3.1.3.2. Techniques de comptages des bactéries:

! comptage direct: on prélève un volume et on compte le nombre de bactéries et on fait uncalcul de dilution

! on filtre et on détermine la masse

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! compteur calculateur: on fait passer l'eau à travers un cylindre et on mesure la conductivitéélectrique à travers un anneau.

♦ si c'est de l'eau: légèrement conducteur♦ si c'est une bactéries: pas de conduction → détermination du nombre de bactéries

! UFC (unité formatrice de colonie): on prend de l'eau et on dilue très fort de façon à ce qu'iln'y ai qu'une bactérie par goutte de solution. On prélève une goutte et on la met dans un boitede pétri contenant un milieu très riche en nourriture et on fait une culture.

♦ si bactérie morte: rien♦ si bactérie vivante: formation d'une colonie de bactéries

Il faut bien écarter les spots de bactéries pour que deux colonies ne se rencontrent pas.Méthode pas très précise.

! mesure d'absorbance: plus il y a de bactéries, plus elles absorbent la lumière.

3.2. Stations d'épuration

3.2.1. Historique14

Parmi les tentatives d'adjonction de produits divers, seule l'alcalinisation à la chaux connut un succèsdurable. La filtration, quant à elle, se heurta à de nombreux problèmes de colmatage. La paillerencontra un certain succès car le produit recueilli pouvait être livré tel quel aux utilisateurs. Lesproduits favorisant la précipitation comme le sulfate d'alumine et le chlorure de fer étaient déjà connuset essayés mais leur coût était très élevé et ne permettait pas un usage industriel dans de bonnesconditions économiques.A Paris, à l'initiative du chimiste Le Châtelier, des essais concluants ont été menés au moyen de sulfated'alumine, qui conduiront à la mise en service d'une station expérimentale en 1868 à Clichy, quitraitera 300 000 m3 d'eau d'égout en 1869 mais qui sera abandonnée après les destructions du siège deParis en 1870.Toutes ces expériences de traitement physico-chimique vinrent sans doute trop tôt, du fait tout d'aborddu prix élevé et de la qualité insuffisante des réactifs de l'époque mais aussi à cause de l'absence d'unetechnologie fiable pour traiter les boues. Celle-ci ne verra le jour que dans le courant du XXème siècle.Plus tard, le coût élevé de ces traitements conduira à les abandonner en faveur des traitementsbiologiques. Ils ne réapparaîtront qu'au début des années 1960 - 1970 avec l'essor du tourisme.

Quels sont les différents systèmes d'épuration des eaux usées urbaines ?

3.2.2. Les procédés d'épuration biologique14

Les eaux usées urbaines sont généralement soumises dans les stations d'épuration à:! des prétraitements de:

dégrillage, dessablage, déshuilage ;! éventuellement à un traitement primaire de:

décantation ;! et à un traitement secondaire,

le plus souvent, biologique par: boues activées, lits bactériens, bio disques, lagunagecomprenant une décantation ;

! enfin, parfois à un traitement tertiairebiologique d'élimination de l'azote et du phosphore, chimique de précipitation et dedécantation du phosphore, physico - chimique de désinfection.

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PRETRAITEMENTSLes appareils de traitement servant à l'épuration secondaire doivent obligatoirement être curéspériodiquement. Il est donc nécessaire d'empêcher leur envahissement par des matières grossières ensuspension (corps flottants, galets, sables, filasses). L'élimination préalable de ces matières permet delimiter ces curages et nettoyages et d'éviter les effets nuisibles secondaires (fermentation, productiond'odeurs).

Parmi ces méthodes de séparation, les plus courantes sont:! le dégrillage permet l'élimination des matières flottantes grossières,! le dessablage, dont la fonction est de retenir les sables entraînés avec l'eau,! le déshuilage, qui a pour fonction de retenir les graisses ou les huiles rejetées par les

ménages, par certaines industries ou entreprises raccordées au réseau d'assainissement(garage, dégraissage...).

LA DECANTATION PRIMAIRELa décantation consiste à faire traverser un bassin par l'influent à faible vitesse, de façon à ce que lesmatières en suspension puissent sédimenter. Le profil du fond de ce bassin permet le rassemblement etla reprise de la suspension obtenue et les boues déposées sont récupérées par raclage permanent etpompage.Le processus de décantation réside dans l'utilisation des forces de gravité pour séparer une particule dedensité supérieure à celle du liquide jusqu'à une surface ou une zone de stockage.Les boues fraîches extraites sont très fermentescibles et souvent digérées vers un étage de traitement de boues anaérobie.Dans les installations importantes (> 100.000 EH), le biogaz est récupéré et valorisé en énergie calorifique ou électrique.

(voir schéma au 3.1.1.5 page 60)

LE TRAITEMENT AEROBIELe traitement biologique secondaire aérobie utilise les réactions biologiques naturelles de l'auto-épuration par lesquelles des micro-organismes agissent en présence d'oxygène sur des effluentsbiodégradables.Pour le bon fonctionnement de l'épuration, la variabilité du débit et des températures, et de façongénérale, de tous les éléments chimiques doit être minimale.

Les principales techniques de traitement aérobie sont: les boues activées, le lagunage, les disquesbiologiques, les lits bactériens.

LES BOUES ACTIVÉESCes bassins appelés aussi bassins d'oxydation mettent en uvre une biomasse bactérienne libre associée en flocs. Cesflocons de boues comprennent des micro-organismes hétérotrophes et autotrophes nitrifiants lorsque le temps de séjour dela boue est suffisant pour que leur multiplication produise une biomasse active dans le traitement.Cette reproduction des micro-organismes intervient en conditions favorables, lorsque leur croissance est importante est queles bactéries se mettent à se diviser. Les exo-polymères qu'elles sécrètent leur permet de s'agglomérer en flocs décantables.Les conditions d'opération choisies sont celles qui favorisent la décantabilité de ces flocs.Dans ce cas, la biomasse peut être séparée par une seconde décantation où la boue extraite est recirculée vers le bassin detraitement aérobie.L'aération peut être assurée en surface par des turbines, ou dans le fond par des procédés de rampe de distribution de bullesd'air. Le rendement de transfert peut être amélioré par l'augmentation de la hauteur d'eau.

LES DISQUES BIOLOGIQUESLes disques biologiques constituent une technique utilisée surtout pour les eaux usées saisonnières du tourisme.Ils ont un diamètre de 2 à 4 mètres et sont à demi immergés. Ils sont fixés sur des axes de rotation horizontaux et tournentlentement (quelques tours par minute) pour que la biomasse bactérienne fixée sur la surface des disques soit ainsialternativement mouillée par les eaux résiduaires et aérée par l'air ambiant. De par la rotation, la biomasse se trouvealternativement au contact avec l'eau à traiter et avec le dioxygène de l'air ambiant.

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Cette technique présent l'avantage d'être peu coûteuse en énergie et demande une surveillance pratiquement nulle. Lesdisques nécessitent par contre une structure importante et cette technique peut entraîner l'émanation d'odeurs. Ce procédécomprend: le disque biologique (équipé d'un moteur pour permettre la rotation) et un clarificateur. L'absence de brassagedans la cuve d'aération implique la présence d'un prédécanteur et interdit toute recirculation des boues. Dès lors,l'investissement peut être élevé.

LES LITS BACTERIENSCette technique consiste à faire supporter les micro-organismes épurateurs par des matériaux poreux ou caverneux. L'eau àtraiter est dispersée en tête de réacteur et traverse le garnissage et peut être reprise pour une recirculation.La surface d'encombrement au sol est limitée, et le coût en énergie peu élevé. Néanmoins, elle nécessite des volumesréactionnels importants et entraîne l'émanation d'odeurs.Dans les lits bactériens (ou filtres bactériens), la masse active des micro-organismes se fixe sur des supports poreux inertesayant un taux de vide d'environ 50 % (minéraux, comme la pouzzolane et le coke métallurgique, ou plastiques) à traverslesquels on fait percoler (pénétrer) l'effluent à traiter.En plus du lit bactérien, le procédé met en uvre un clarificateur où l'eau épurée est séparée de la culture microbienne.Dans un premier temps, l'effluent est réparti aussi uniformément que possible (dispersion en pluie par une grille derépartition rigoureusement plane) à la surface du filtre.Le procédé comporte ensuite 2 phases: la phase d'aération et la phase de décantation.L'aération est réalisée dans le lit bactérien par tirage naturel ou par ventilation.Ainsi, une aération abondante, par le sommet et le bas du massif filtrant provoque sur ce dernier le développement d'uneflore microbienne aérobie et, dès lors, le processus d'oxydation efficace de l'effluent qui y percole lentement.L'entrée de l'effluent se fait toujours à la partie supérieure et l'évacuation (après une éventuelle recirculation) par le fondcar, en aucun cas, le massif filtrant ne peut être noyé (arrêt de la fonction aérobie).De ce fait, son utilisation présente un inconvénient majeur en ce sens qu'elle abaisse fortement la cote du point de sortie del'effluent (au moins 1 m). Dès lors, sauf conditions topographiques exceptionnelles, son utilisation, sans dispositif derelevage, s'avère utopique en vue d'envisager en aval l'installation d'un dispositif d'épandage.Le développement de la masse bactérienne se fait à la surface du support. Lorsqu'elle devient trop importante, la pelliculebactérienne se détache naturellement; elle doit alors être séparée de l'effluent par décantation.

3.2.3. Station d'épuration de Malmedy15

La station d'épuration de Malmedy traite les eaux usées de la ville, de quelques PME installées sur leterritoire de celle-ci et d'une tannerie.Le site retenu pour son installation est situé dans le zoning de la Société Provinciale d'Industrialisation(SPI).

Compte tenu de la superficie importante des terrains disponibles et des bonnes caractéristiquesgéotechniques du sol en place, il a été décidé de choisir le procédé d'épuration par lagunage aéré bienadapté à traiter de fortes variations de charges.

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De plus, afin de faire face aux variations saisonnières de la charge polluante dues essentiellement àl'activité de la tannerie, un traitement physico-chimique des eaux a été prévu. Ce dernier est utilisélorsque la capacité épuratoire maximum des lagunes est dépassée.

La tannerie doit de son côté respecter l'autorisation de décharge délivrée par la Région Wallonne etprocéder à une pré-épuration de ses eaux.

La caractéristique principale de la station d'épuration de Malmedy est le caractère modulable de sontraitement. Elle est en effet capable d'épurer les eaux usées d'une population équivalente compriseentre 15.000 et 85.000 habitants.

Le projet de la station d'épuration a été dressé par l'A.I.D.E. qui a également assuré la Direction destravaux de l'entreprise.Les travaux ont été commandés à l'Association Momentanée Wust - Ondéo Degrémont - IndustrielleBoraine le 27 mars 1990 au montant de 4.088.000 euros T.V.A. comprise.Leur subsidiation a été prise en charge à raison d'un montant maximum de 2.176.000 euros par leFonds Européen de développement régional (FEDER) obtenu à l'intervention de la Ville de Malmedyet pour le reste par la Région Wallonne.Les eaux à traiter

Charge minimum Charge moyenne Charge en pointeDébit en m3/jour 5.616 6.000 18.000Débit en m3/heure 234 250 750Equivalents habitants EH 15.000 30.000 85.000

Les eaux traitées• DBO5: < 30 mg O2/l• MES: < 60 mg/l• Msed: < 0,5 ml/l• S2-: ≤ 1 mg/l• Huiles et matières grasses: < 3 mg/l

Les boues produites• Matières organiques < 50 %• Diminution en matières sèches après aération de 5 jours < 10 %

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Procédé de traitementLa station d'épuration de Malmedy comprend principalement:

! un dégrillage! une installation de relevage des eaux à traiter! un dessableur - déshuileur! un traitement physico-chimique par floculateur combiné à un décanteur lamellaire avecrecirculation externe des boues! un traitement biologique par lagunage aéré

Caractéristiques des ouvragesLIGNE DE TRAITEMENT DES EAUX:Un dégrilleur automatique - écartement des barreaux 6 mm avec reprise des déchets par bandetransporteuse et évacuation par conteneur

Relevage des eaux par quatre pompes submersibles, dont une de réserve, de 250 m³.h-1

Un dispositif de réglage du débit admis dans le dessableur - déshuileur

Un dessableur - déshuileur, type cylindro-conique de 6 m de diamètre, avec aération par diffuseursmoyennes bulles

• raclage de surface pour l'évacuation des flottants• extraction des sables par air-lift et déversement, après égouttage, dans un conteneur

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un floculateur - décanteur combiné constitué de:• une chambre de réaction comprenant deux zones, la première équipée d'une hélice à flux

axial induisant un débit de recirculation et la seconde, fonctionnant en flux piston où seproduit un grossissement du floc

• un décanteur-épaississeur alimenté à partir de la chambre de réaction, la partie inférieureconique est équipée d'une herse d'épaississement et d'un racleur de fond tandis que la partiesupérieure constitue la zone de décantation lamellaire à contre-courant obtenue au moyend'un système de modules alvéolaires.

• L'eau clarifiée, à la sortie des modules, est reprise par un réseau de goulottes réparties à lasurface de l'appareil

• un circuit de recirculation et d'extraction des boues comprenant trois pompes de 15 m3.h-1:• une pompe de recirculation dont le débit est réglable par variateur de vitesse• une pompe d'extraction des boues• une pompe de réserve commune

• une installation de dosage des réactifs suivants:• poste de préparation et de dosage de polymère• bâche de stockage et pompes doseuses de FeCl3

UN TRAITEMENT BIOLOGIQUE:Le traitement biologique est assuré par l'application du système de lagunes facultatives avecinsufflation linéaire d'air.Deux étages d'épuration sont mis en service et chaque étage comprend deux bassins ; les deux étagestravaillent en série.L'air nécessaire au bon fonctionnement du bassin est fourni par l'intermédiaire d'une rampe linéaireinstallée au milieu du plan d'eau suivant l'axe transversal.La rampe est un canal vertical qui dirige le transfert de l'oxygène et le mouvement de l'eau ; lesdiffuseurs d'air sont au fond.

Caractéristiques:Lagunes primaires:plan d'eau/lagune: L = 84 m

l = 62 mprofondeur d'eau: 2,50 mvolume d'eau/lagune: 11.200 m³Lagunes secondaires:plan d'eau/lagune: L = 72 m

l = 23 mprofondeur d'eau: 2,50 mvolume d'eau/lagune: 3.000 m³.Le temps de séjour total est de l'ordre de 4-5 jours au débit moyen de 6.000 m³/jour.Les lagunes aérées sont suivies par trois bassins de finition à faible hauteur d'eau (0,90 m à 1,00 m),dimensions du plan d'eau de chaque bassin: 1,20 m x 24 m.Deux de ces trois bassins travaillent par écoulement naturel ; le troisième est planté de PhragmiteAustralis.Un canal de répartition situé en tête des trois bassins assure leur alimentation.

LIGNE DE TRAITEMENT DES BOUES:Un épaississeur des boues extraites du décanteur, équipé d'une herse. Les boues conditionnées à lachaux éteinte (pH ± 10) s'écoulent par débordement, de la cuve de mélange vers le fût central derépartition

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Une installation de stockage et de dosage de Ca(OH)2

Deux lagunes à boues alimentées par:• les boues épaissies reprises par deux pompes de 10 m³.h-1

• les boues biologiques extraites des lagunesLe principe des lagunes facultatives est de traiter eau et boue dans un même milieu.Le mouvement de l'eau est tel que la décantation des boues peut se faire sans difficulté ; une foisdéposées sur le fonds des bassins aérés, les boues ne sont plus remises en mouvement et leur évolutionse poursuit pendant plusieurs années jusqu'à la stabilisation.La reprise s'effectue par pompage.Les boues pompées alimentent les deux lagunes à boues citées plus avant.

3.2.4. Epuration autour de la maison1

De nombreux ménages habitant dans les zones rurales de Flandre et de Wallonie ne seront jamaisreliés au réseau d'égouttage. Ils devront installer leur propre système d'épuration individuel. Voici unbref aperçu des différents systèmes existant sur le marché.Le traitement des eaux usées peut se subdiviser en trois phases: le pré-traitement ou épurationprimaire, l'épuration biologique ou secondaire, et l'épuration tertiaire. Diverses possibilités existentpour chacune des trois phases.

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Epuration primaire oupré-traitement

Epuration secondaire ou biologique Epuration tertiaire

• Biodisques• Lits bactérien aérobie• Boues activées

Micro-stations 3

• Biomasse fixée• Filtre planté de roseaux• Roseleière à écoulement

horizontal• Lagune à macrophytes

• Fosse de décantation 1• Dégraisseur 2• Fosse septique

Epuration par lagunage 4

• Marais reconstitués

• Fosse de décantationsecondaire 5

• Filtre

L'illustration présente également une citerne à eau de pluie

Figure 5

3.2.4.1. L'épuration primaire

Au cours de cette phase, les matières solides et les matières à décanter sont séparées des eaux uséesafin de ne pas perturber l'épuration biologique. Certains systèmes combinent cependant te pré-traitement et l'épuration biologique.

3.2.4.1.1. Fosse de décantation

Cette fosse est un réservoir qui recueille toutes les eaux usées. Les matières à décanter les plus lourdesy sont séparées des eaux usées afin d'éviter d'éventuelles obstructions des canalisations situées plus

6

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loin sur le circuit. La plupart des systèmes d'épuration individuels nécessitent la présence d'un telréservoir, faute de quoi la production de boues serait trop importante et celles-ci devraient êtrerégulièrement évacuées.

3.2.4.1.2. Dégraisseur

Dans le dégraisseur, les eaux usées sont débarrassées des graisses et des huiles qu'elles contiennent.Dans la plupart des systèmes, la fosse de pré-traitement fait également office de dégraisseur. Il fautplacer le dégraisseur de préférence le plus près possible de la cuisine. On recommande d'utiliser undégraisseur si la fosse septique est distante de plus de 10 à 15 mètres de la maison. Le dégraisseur doitêtre régulièrement contrôlé, et les graisses et les huiles régulièrement évacuées (en fait, chaque foisque la couche flottante a atteint une certaine épaisseur).

3.2.4.1.3. Fosse septique

Les eaux usées subissent une épuration minimale dans la fosse septique. Son fonctionnement reposesur le dépôt des matières en suspension sur le fond, la séparation des graisses et des huiles, ainsi que lafermentation partielle des matières qui se sont déposées sur le fond. Suivant ses dimensions, une fosseseptique pourra être utilisée pour le pré-traitement ou l'épuration biologique. Cependant, étant donnéque le rendement est très variable, que les germes nocifs ne sont pas éliminés et que l'eau qui sort de lafosse septique a perdu tout son oxygène, on peut se demander si ce système correspond réellement àune épuration biologique ou secondaire (bien que ce type d'évacuation soit toujours approuvé pourl'épuration de certains types de rejets).

3.2.4.2. L'épuration secondaire ou biologique

Au cours de cette deuxième phase, les particules organiques (comme les protéines par exemple) et lesnutriments sont éliminés par des micro-organismes, d'où l'appellation d'épuration biologique. On peutdiviser les systèmes existants en plusieurs catégories, à savoir les micro-stations (3.2.4.4) et lessystèmes à plantes, ou 'lagunage' (3.2.4.5). Ces deux catégories sont présentées dans les pages quisuivent.

3.2.4.3. L'épuration tertiaire

Les particules en suspension, telles que les nutriments et les germes pathogènes continuent à êtreéliminés au cours de cette phase. Ceci se produit grâce au phénomène de décantation (dans une fossede décantation secondaire) ou grâce à un filtre (par exemple une roselière). Dans certains systèmes,l'épuration biologique et l'épuration tertiaire ne font qu'un. C'est notamment le cas dans une roselière àpercolation. L'évacuation des eaux usées épurées se fait soit dans le sol (par le biais de drains dedispersion ou d'autres systèmes), soit directement dans une canalisation ou un ruisseau.

3.2.4.4. Epuration biologique dans les micro-stations

Chacune des micro-stations présentées ci-dessous applique le principe suivant:

Après décantation dans un premier réservoir, les eaux usées aboutissent dans un deuxième réservoir oùa lieu l'épuration biologique, comme on peut le voir sur l'illustration de la page 78. Les bactéries

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présentes dans les eaux usées assurent la désintégration des particules organiques et éventuellement del'azote et du phosphore. L'élimination de l'azote et du phosphore est appelée élimination des nutriments; elle est conditionnée par une combinaison d'épuration en milieu riche en oxygène et pauvre enoxygène. Les bactéries sont fixées sur un support qui, lui, peut être immergé, ou sont en suspensionsous forme de flocons dans l'eau. Après un certain temps, elles se sont considérablement reproduites etse détachent en flocons. Ceux-ci sont séparés de l'eau dans une troisième citerne, la deuxième fosse dedécantation et envoyés vers une citerne de stockage (en fait, il s'agit le plus souvent de la premièrefosse de décantation, après pompage). L'eau purifiée peut alors s'écouler vers le fossé ou le ruisseau.

Les 4 micro-stations principales sont:

3.2.4.4.1. Biodisques

Les bactéries ou micro-organismes se trouvent sur des disques ondulés fixés à un axe horizontal rotatif(voir Photo 1). Le processus d'épuration se fait en milieu aérobie (riche en oxygène). Les disques nesont pas totalement immergés de façon à ce que les bactéries puissent régulièrement prendre del'oxygène au-dessus de la surface de l'eau.

Photo 1 - Biodisques

3.2.4.4.2. Lit bactérien aérobie

Les bactéries se trouvent également sur un support, mais contrairement au système précédent, celui-cine contient pas de disques. Le support est placé au-dessus du niveau des eaux usées (voir Photo 2):l'eau à traiter est dispersée en pluie à la surface du filtre. Le processus d'épuration a donc lieu en milieuaérobie.

Photo 2 - Lit bactérien aérobie

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3.2.4.4.3. Boues activées

Aucun support n'est présent dans ce système. Les bactéries flottent en flocons dans les eaux usées et leprocessus de purification a lieu sous aération intense. Les conditions aérobies et anaérobies (pauvresen oxygène) peuvent être modifiées dans l'espace et dans le temps de façon à ce que les nutriments euxaussi (comme l'azote et le phosphore) puissent être éliminés.

3.2.4.4.4. Biomasse fixée ou biomasse immergée aérobie

Contrairement aux boues activées, le support présent est entièrement immergé dans les eaux usées. Deséléments d'aération sont situés sous le filtre: ils introduisent régulièrement de l'oxygène dans l'eau. Lesbactéries sont également en suspension dans l'eau, sous forme de flocons. Les conditions aérobies etanaérobies peuvent être modifiées dans l'espace et dans le temps, de façon à ce que les nutriments euxaussi (comme l'azote et le phosphore) puissent être éliminés.

3.2.4.5. Epuration biologique par lagunage

Tous les lagunages appliquent le principe suivant: après une première décantation, les eaux uséestraversent des bassins de lagunage plantés ou non. L'épuration s'effectue par les plantes et par lesmicro-organismes fixés sur leurs racines et sur des substrats (graviers, sable...), grâce à l'effet filtrantdu sol. Dans certains types de lagune, les conditions aérobies et anaérobies se succèdent ou coexistent,ce qui permet d'obtenir un bon rendement d'épuration des nutriments (azote et phosphore). Les lagunesprésentent l'inconvénient d'occuper des surfaces plus importantes (au total, pour l'ensemble desbassins: entre 5 et 10 m2 par usager). Elles ont l'avantage d'être rustiques et peu coûteuses enfonctionnement, et de s'intégrer harmonieusement dans le paysage. Les bassins de lagunage peuventégalement constituer un refuge pour la flore et la faune aquatiques et des milieux humides. Lessystèmes suivants se différencient principalement par la façon dont les eaux usées circulent à travers lesystème.

3.2.4.5.1. Filtre planté de roseaux

Le lagunage consiste en une étendue de roseaux fixés sur un lit de filtration composé de sable, degravier et de gravillons (voir Photo 3 et Photo 4). Les eaux usées sont déversées au-dessus du système:de cette façon, elles traversent verticalement la zone des racines et le matériau de filtration. Ce systèmeprésente l'avantage d'une emprise au sol réduite: environ 2,5 m2 par usager, et de permettre une bonnenitrification de l'effluent.

Photo 3 - Un filtre planté de roseaux, enconstruction

Photo 4 - Un an plus tard

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3.2.4.5.2. Roselière à écoulement horizontal

Les eaux usées s'écoulent horizontalement (juste sous la surface) à travers un filtre planté de végétaux.De cette façon, elles traversent la zone des racines (rhizosphère) des plantes (roseaux, joncs deschaisiers, iris des marais, massettes...). Associé à un filtre planté de roseaux, ce système convientidéalement pour l'épuration tertiaire (dénitrification).

3.2.4.5.3. Lagune à macrophytes

Dans ce système, l'eau est apparente: 30-40 cm d'eau au-dessus d'un substrat composé le plus souventde graviers ou de sable dans lequel sont repiqués les végétaux aquatiques. Ce système nécessite unesuperficie suffisamment grande: 10-12 m2 par usager.L'eau apparente rend ce système plus sensible au gel. Le rendement global est également inférieur àcelui des deux systèmes précédents, principalement au niveau de l'épuration tertiaire.

3.2.4.5.4. Marais (zone humide) reconstituées

Ce système utilise un substrat plus fin, généralement composé d'un mélange de terre et de sable derivière. L'écoulement de l'eau se fait horizontalement dans ce substrat. Contrairement à la roselière,cette lagune n'est pas remplie d'eau en raison de la sortie placée dans le fond du bassin.Ce système mérite d'être recommandé pour son fonctionnement particulièrement naturel et pour la trèsfaible production de déchets qu'il entraîne: les eaux usées provenant de la fosse septique sont libéréesau-dessus du sol dans le filtre planté de roseaux qu'elles traversent de manière verticale (photo degauche). Durant cette phase, les particules en suspension sont retenues en surface et vontprogressivement se transformer en compost. Etant donné qu'on travaille à l'aide de différentes espècesde plantes, on obtient une épuration idéale des particules organiques et des nutriments (azote etphosphore). Dans une seconde phase, l'azote et le phosphore continuent à être éliminés grâce aupassage de l'eau à travers un certain nombre d'autres plantes (roseau, benoîte, trèfle, menthe d'eau,carex), mais cette fois-ci dans un étang (photo de droite). Lorsqu'elle atteint la dernière partie del'étang, l'eau est très bien épurée. On y trouve des poissons ainsi que de nombreuses plantesaquatiques.

Photo 5 - Un système d'épuration des eaux avec sa phase 1 (gauche) et phase 2 (droite)

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3.3. Purification de l'eau au laboratoire13

3.3.1. Les polluants de l'eau

3.3.1.1. Les particules

Résidus solides tels vase, rouille, colloïde... Le niveau de contamination est mesuré par la turbidité.Stations de préfiltration indispensables pour stopper ces polluants et protéger les systèmes depurification d'eau.

3.3.1.2. Les impuretés inorganiques

Tous les sels solubilisés: fer et aluminium provenant de roches ou de canalisation, sulfate et carbonatede magnésium et calcium formant le tartre, silicate provenant de résidus sableux, chlorure... Le taux decontaminant inorganique est mesuré par conductivité en µS/cm ou par résistivité en MOhms.cm.

3.3.1.3. Les impuretés organiques

Pollutions industrielles, agricoles et domestiques: huiles, solvants, pesticides détergents etdécomposition de la biomasse. La mesure de la charge organique de l'eau est la DCO ou pour lesfaibles valeurs le COT exprimé en ppm. Le niveau d'absorption du rayonnement UV est également uncritère de pureté.

3.3.1.4. Les contaminants biologiques

Bactéries, virus, amibe, levure, paramécie, algues... Dans l'eau brute du réseau public seuls subsistentles bactéries et des pyrogènes (fragments résiduels de bactéries produisant de la fièvre s'ils sontinjectés à un mammifère). Le taux de bactéries s'exprime en UFC/ml (Unité Formant Colonie) mesuréeaprès filtration à 0,45 µm et mise en culture. Le taux de pyrogène s'exprime en UE/ml (Unitéd'Endotoxine.)

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3.3.2. Les techniques de purifications

3.3.2.1. L'adoucisseur

Il échange les ions Mg2+, Ca2+ et −23CO responsables de la formation du calcaire par les ions Na+ et Cl-.

Evite la formation de calcaire et facilite l'entretien des appareillages en aval. Il s'agit d'un échange etnon d'une purification, l'eau reste chargée. La maintenance consiste à approvisionner régulièrement unbac en sel.Avantage: le coût de fonctionnement est celui du sel donc faible.

3.3.2.2. L'osmose inverse

L'eau est injectée sous pression dans une membrane semi-perméable. L'eau passe à travers lamembrane sous forme de perméat et les polluants s'accumulent dans l'eau résiduelle évacuée à l'égout.Garantit l'élimination de 95 à 99 % des polluants. La conductivité finale dépend donc de la qualité del'eau brute. La membrane capte également bactéries et pyrogènes produisant une eau de haute qualitémicrobiologique. La maintenance est réduite au changement de la membrane tous les 2 à 3 ans et auremplacement de la cartouche de prétraitement tous les 6 mois.Avantage: l'osmose ne génère pas de coût élevé de consommable.

3.3.2.3. La déminéralisation

L'eau passe sur une résine constituée de billes de polymère. La résine anionique échange les anionscontre l'ion OH-. La résine cationique échange les cations contre l'ion H+. Les résines sont utilisées soiten lits séparés soit mélangées en lit mixte. Cette dernière technique est la plus efficace.La maintenance consiste à suivre la saturation de la résine pour la remplacer en temps utile. Pour lesdébits faibles, les résines sont jetées. Pour les débits élevés, elles sont régénérées automatiquement oumanuellement par circulation de soude et d'acide.Le coût d'utilisation dépend de la fréquence de remplacement des résines et donc de la dureté de l'eaud'alimentation.Avantage: la déminéralisation est d'un emploi très souple et s'adapte à tous les débits.

3.3.2.4. La distillation

L'eau chauffée jusqu'à évaporation est condensée et collectée. L'eau produite est apyrogène et stérile sielle est utilisée immédiatement. L'excellente qualité de l'eau produite fait de la distillation la seuleméthode autorisée pour la production d'eau destinée aux produits injectables. Une maintenance lourdeimpose des détartrages réguliers pour maintenir la pureté et protéger les corps de chauffe. Le coût defonctionnement est élevé car il faut jusqu'à 60 l d'eau de refroidissement pour produire 1 l d'eaubidistillée.Avantage: la distillation est idéale pour la production ponctuelle de faibles volumes.

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3.3.2.5. Le polissage

Ces techniques (ultramicrofiltration, ultrafiltration et photo-oxydation) pour production d'une eauultra-pure sont décrites en page 621. (Eh oui, il faut aller lire dans le catalogue).

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CHAPITRE 4: L'EAU LOURDE, L'EAU TRITIÉEET LES EAUX ENRICHIES. LEURS

APPLICATIONSPar G. GUEBEN, J. GOVAERTS et M. GUILLAUME.16

Les progrès de la physique moderne ont permis de montrer qu'il existait trois molécules d'eau différantpar la nature isotopique de l'atome d'hydrogène qu'elles contiennent:

! l'eau légère H2O! l'eau lourde DHO et D2O! l'eau tritiée THO et T2O

Toute eau naturelle est constituée en majeure partie de la première forme ; elle contient une faibleproportion d'eau lourde et une quantité infime d'eau tritiée.Le but de cette note est de montrer comment on a pu prévoir l'existence des deux dernièrescombinaisons isotopiques, d'en décrire les propriétés et les applications ainsi que de signalerl'existence d'autres eaux isotopiques, à savoir les eaux à oxygène enrichi.

4.1. Notion d'Isotopie

La notion d'isotopie a été introduite au début de ce siècle par le physicien anglais Soddy. Ledéveloppement de la méthode d'analyse électromagnétique, la spectrographie de masse, a permis demontrer qu'un très grand nombre d'éléments se trouvent dans la nature soit à l'état libre soit à l'étatcombiné sous forme de mélanges de diverses variétés qui se distinguent les unes des autres par lenombre de masse de leur atome. Ces différentes variétés d'un même élément constituent ce qu'onappelle les isotopes de cet élément.A titre d'exemple, signalons que l'élément oxygène tel qu'il se trouve dans l'atmosphère terrestre ou telqu'on peut l'extraire des oxydes et notamment de l'eau est un mélange des trois isotopes suivants:

O O O 188

178

168

Les propriétés physico-chimiques essentielles d'un élément sont déterminées par le nombre d'électronspériphériques de l'atome, c'est-à-dire par son numéro atomique ou nombre Z. Le nombre Z représenteaussi la grandeur de la charge électrique positive du noyau de l'atome.Il découle de ce qui précède que les propriétés physico-chimiques des différents isotopes d'un mêmeélément sont qualitativement les mêmes et quantitativement, extrêmement voisines.

Les phénomènes chimiques ordinaires s'interprètent donc aisément sans que l'on doive se préoccuperde cette notion de l'isotopie, puisque les divers isotopes d'un même élément ont pratiquement lesmêmes propriétés chimiques. La masse atomique utilisée par le chimiste est en fait la moyenne desmasses des divers isotopes constituant l'élément, compte tenu de la proportion de chacun d'eux. Cetteconclusion permet d'expliquer pourquoi la masse atomique du chimiste s'écarte souvent des nombresentiers. Les perfectionnements successifs de la spectrographie de masse permettent à l'heure actuelle ladétermination précise des masses individuelles des isotopes. Les résultats montrent que ces massesdiffèrent très peu des nombres entiers. Nous appellerons nombre de masse A d'un isotope le nombreentier le plus voisin de la masse de cet isotope.

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Quelle est la signification physique de ce nombre de masse ? Ce nombre dépend de la masse du noyaude l'isotope et par conséquent de sa structure. On admet à l'heure actuelle que le noyau d'un isotope denombre atomique Z et de nombre de masse A est formé de Z protons et de (A - Z) neutrons.

Le proton et le neutron sont donc les constituants élémentaires à partir desquels sont formés tous lesnoyaux. On les désigne pour cela sous le nom de «nucléons».Les considérations précédentes permettent de donner une nouvelle définition de la notion d'isotopie.On dira en effet que les différentes formes isotopiques d'un même élément ont même nombre atomiqueZ mais des nombres de masse A différents. Ils se différencient donc par le nombre de neutrons quecomporte leur noyau.Le proton est une particule élémentaire possédant une charge positive unitaire et une massesensiblement égale à l'unité: son nombre de masse est donc égal à un. On l'identifie au noyaud'hydrogène.Le neutron est une particule élémentaire sans charge électrique et de masse très sensiblement voisinede celle du proton: son nombre de masse est donc égal à un.Un noyau quelconque étant formé de protons et de neutrons, comme nous l'avons vu ci-dessus, sonnombre de masse indique pratiquement le nombre de nucléons qui le constituent.Les notations des isotopes en physique nucléaire s'obtiennent en affectant le symbole chimique dedeux indices écrits à gauche de ce symbole: l'indice inférieur représente le nombre atomique et parconséquent la charge électrique nucléaire, l'indice supérieur est le nombre de masse.

4.1.1. Le deutérium H21

Appliquons ces considérations de physique nucléaire au cas particulier de l'hydrogène. La théorie aconduit Urey en 1930 à prévoir l'existence d'une forme isotopique de l'hydrogène plus lourde quel'hydrogène le plus abondant: l'hydrogène lourd serait contenu dans hydrogène pur du chimiste à raisonde 1 partie pour 4500.

A cette époque, il n'existait pas de méthode assez sensible pour mettre en évidence un isotope aussipeu abondant, Urey insista sur la nécessité de concentrer cet isotope, c'est-à-dire d'augmenter sonabondance naturelle afin d'en prouver l'existence. Le calcul avait indiqué une différence entre lapression de vapeur de la molécule H2 et de la molécule HD, D étant le symbole de l'hydrogène lourdou deutérium. Partant de là, par une série de distillations, Urey et ses collaborateurs préparèrent deséchantillons renfermant suffisamment d'hydrogène lourd pour permettre sa mise en évidence par voiespectrale. Entre-temps, les perfectionnements de la technique de la spectrographie de masse prouvèrentl'existence de la molécule HD.

L'atome d hydrogène lourd, tout comme celui de l'hydrogène léger, possède un électron périphérique:la charge nucléaire de chacun de ces atomes est donc l'unité; pour l'un comme pour l'autre Z = 1. Lenoyau de l'hydrogène ordinaire est constitué par un proton: son nombre de masse A = 1. Le noyau del'hydrogène lourd contient un neutron en plus du proton: son nombre de masse est donc A = 2.

Le symbole de l'hydrogène lourd ou deutérium sera H21 ou D2

1 .

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4.1.2. Le tritium H31

Les réactions de désintégration artificielle ont mis en évidence une autre forme isotopique del'hydrogène. Dès 1935, l'école de Rutherford montrait que l'action de deutons accélérés (c'est-à-dired'ions d'hydrogène lourd D2

1 accélérés sous une différence de potentiel suffisante) sur des atomesd'hydrogène lourd D2

1 produisait un nouveau type de particules.

La réaction nucléaire responsable serait:

D21 + D2

1 H11 + H3

1

On voit donc apparaître un isotope d'hydrogène, de nombre de masse 3, dont le noyau contient unproton et deux neutrons.

Cet isotope très lourd de l'hydrogène est appelé tritium. C'est un radioélément artificiel. Il émet unrayonnement β d'énergie maximum 0,018 MeV avec une période de 12,5 ans.

Le tritium se prête infiniment mieux à la réaction de fusion nucléaire, que l'hydrogène normal. C'est laraison pour laquelle il est utilisé dans les réactions de fusion thermonucléaires, productrices dequantités considérables d'énergie.

La concentration du tritium dans l'hydrogène naturel est très petite: 1 atome pour 1018 environ.

Sa présence dans l'hydrogène naturel est aujourd'hui expliquée par des réactions de spallation ainsi quepar l'action de neutrons, protons ou deutons rapides sur des atomes de l'atmosphère terrestre.

N147 + n1

0 H31 + C12

6

N147 + H1

1 H31 + autres fragments

D21 + D2

1 H31 + H1

1

Le tritium utilisé comme traceur en chimie et en biochimie est produit artificiellement dans un réacteurpar l'action de neutrons thermiques sur du lithium:

Li63 + n1

0 H31 + He4

2

Le tritium naturel est produit dans l'atmosphère où il se substitue à d'autres atomes d'hydrogèneappartenant aux molécules d'eau. La pluie, la neige apportent le tritium à la surface de la terre.

4.2. Eau lourde et eau tritiée

4.2.1. Propriétés physiques

On vient de voir que l'hydrogène possède deux isotopes lourds: l'un de nombre de masse 2, ledeutérium; l'autre de nombre de masse 3. Le premier ayant été découvert longtemps avant le second,on réserve le nom d'eau lourde, à l'eau qui contient des atomes de deutérium tandis que celle danslaquelle se trouve des atomes de tritium est appelée eau tritiée: c'est en fait une eau extra-lourde.

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Si l'on concentre par évaporation l'eau contenue dans un récipient, on obtient une eau résiduelle plusriche en hydrogène lourd que l'eau primitive. A première vue, il peut paraître surprenant que lesvariations de densité de l'eau qui doivent en résulter soient passées inaperçues pendant si longtemps:ceci est dû au fait qu'on ne disposait d'aucune technique suffisamment sensible pour déterminer ladensité jusqu'à la sixième décimale, alors que les différences de densité résultant des variationsd'abondance isotopique H/D sont de 1 ordre de six parties pour un million. Si ces différences dedensité avaient pu être décelées, on aurait pu connaître beaucoup plus tôt l'existence des isotopes.

Les densités de l'eau pure et de l'eau lourde à la température de 20°C sont respectivementd20

4 = 0,998232 et d204 = 1,10530 ± 0.00001. Dans la pratique, on exprime la densité de l'eau lourde et

d'échantillons d'eau contenant un certain pourcentage d'eau lourde en unités représentant la différenceentre la densité de l'échantillon et celle de l'eau pure à la même température, multipliée par 106. Onaurait par exemple ( d20

4 - 1) x 106. Une unité correspond approximativement à 1 milligramme pour-cent de D2O.

L'isotopie de l'hydrogène constitue un cas particulier. Alors que pour la plupart des isotopes lesnombres de masse diffèrent de quelques unités, dans le cas de l'hydrogène, le nombre de masse passedu simple au double, ou au triple. Il en résulte des différence sensibles entre certaines propriétésphysico-chimiques de l'eau ordinaire, d'une part, et de l'eau lourde ou tritiée d'autre part.Le tableau suivant établit la comparaison:

Table 24 - Comparaison des propriétés de l'eau ordinaire et de l'eau lourde

H2O D2ODensité d20

40,998232 1,10530

Point de congélation °C 0 3,82Point d'ébullition °C 100 101,42Maximum de densité 1.0000 1,1071Température du maximum de densité °C 4 11,6Chaleur de vaporisation cal/mole 9700 9960Viscosité 20°C 10,09 12,6Indice de réfraction 20

Dn 1,33300 1,32844Solubilité à 25°C g/g eau:NaClBaCl2

0.3590.357

0,3050,289

Le tableau correspondant pour l'eau tritiée n'est pas connu. En effet, ainsi que nous le verrons plus loinl'eau tritiée à 100 % présente un temps de vie très court. A cause de son activité spécifique élevée, ellese décompose très rapidement. Cette radiolyse empêche donc l'étude des propriétés de cette molécule.

Les masses du deutérium et du tritium sont très différentes de celle du protium qui constitue la majeurepartie de l'hydrogène ordinaire. Dans les réactions chimiques, ces trois isotopes vont donc se composerdifféremment. Il apparaîtra ce qu'on appelle des effets isotopiques, qui s'accentueront quand on passeradu deutérium au tritium. Il est évident que ce sont les isotopes de l'hydrogène qui donnent lieu aux plusgrands effets isotopiques.

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4.2.2. Préparation

4.2.2.1. Hydrogène lourd ou deutérium

Parmi les différentes méthodes, il faut citer la distillation fractionnée, la diffusion des gaz à travers uneparoi poreuse, la diffusion thermique, l'échange chimique et l'électrolyse.

Depuis de nombreuses années, la préparation ou la concentration de l'hydrogène lourd a dépassé lestade expérimental. On prépare industriellement à l'heure actuelle de l'eau lourde pratiquement pure.

Washburn et Urey ont mis au point une technique de concentration de l'eau lourde par électrolyse. Ellerésulte de l'observation que l'eau, contenue dans les cellules électrolytiques employées pour laproduction commerciale de l'hydrogène et de l'oxygène, présente une concentration plus élevée enmolécules d'eau lourde. En électrolysant quelques centaines de litres d'eau jusqu'à les réduire àquelques cm3, on obtient un résidu qui est de l'eau lourde presque pure.

On utilise aussi avec succès la distillation fractionnée de l'eau. Ce procédé est basé sur le fait que laconcentration en isotope lourd est plus faible dans l'eau à l'état de vapeur que dans l'eau à l'état liquide.Il faut évidemment une distillation très fractionnée par suite de la faible différence entre les pointsd'ébullition de l'eau ordinaire et de l'eau lourde.

Urey et von Grosse ont aussi réalisé la concentration de l'eau lourde au moyen de réactions d'échangecatalytique entre l'hydrogène gazeux et l'eau. Ce processus dépend du fait que si l'équilibre isotopiqueest établi entre l'hydrogène gazeux et l'eau, celle-ci contient une concentration en deutérium de deux àtrois fois plus grande que le gaz hydrogène. Dans ce processus, on réalise une circulation d'eau àcontre-courant d'un mélange d'hydrogène et de vapeur d'eau. A la base d'une tour, l'eau est convertie enhydrogène et oxygène gazeux, par voie électrolytique et l'hydrogène est ajouté à la vapeur d'eau. Cemélange de vapeur et d'hydrogène passe au contact de catalyseurs et barbote à travers le courant d'eaudescendant. Ainsi une partie du deutérium initialement présent dans l'hydrogène se concentre dans lavapeur et, par elle, dans le courant d'eau descendant.

Il suffit de réaliser une cascade de tours pour obtenir un enrichissement progressif. Il faut disposerpour ces réactions d'échange de catalyseurs très actifs. Un de ceux-ci a été mis au point par H. S.Taylor de l'université de Princeton.

Dans le commerce, on livre généralement l'hydrogène lourd sous forme d'eau lourde. La séparationd'hydrogène lourd ou deutérium s'obtient par électrolyse ou en faisant passer la vapeur d'eau lourde surun filament de tungstène chauffé au rouge.

4.2.2.2. Tritium

Le tritium a été découvert grâce à la radioactivité artificielle, comme il a été signalé plus haut. Lesméthodes d'obtention relèvent donc du domaine des sciences nucléaires.

L'eau tritiée se prépare par combustion de tritium gazeux, que l'on peut se procurer à une concentrationmaximum proche des 100 %. Signalons que le tritium gazeux est l'isotope le meilleur marché (2dollars par curie).

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La concentration isotopique en T de l'eau ainsi préparée équivaut évidemment à celle du tritium dedépart. En théorie, il serait possible de préparer de l'eau tritiée 100 % pure. En pratique, la radiolyseintense des molécules à haute activité spécifique empêche de manipuler facilement de l'eau dontl'activité spécifique dépasserait 20 C/cc.

4.2.3. Méthodes de dosage

4.2.3.1. Hydrogène lourd ou deutérium

Le dosage de l'hydrogène lourd revient généralement au dosage de l'eau préparée à partir de cethydrogène lourd.Après purification de l'eau, on observe l'une ou l'autre propriété physico-chimique dépendant del'abondance isotopique.

En chimie biologique, on doit le plus souvent doser le deutérium dans une eau provenant soit d'unecombustion, soit d'une dessication. Une méthode simple de dosage du deutérium consiste dans lamesure de la densité de l'eau. On utilise souvent dans ce but la technique ingénieuse et très sensible,proposée par K. Linderstrøm-Lang.

Une autre méthode de détermination de la densité de l'eau est celle de la chute de la goutteh. La vitessede chute d'une goutte dans un milieu est conditionnée par différents facteurs comprenant notamment ladensité de la goutte, la densité du milieu, la viscosité du milieu, la température et les dimensions de lagoutte. Pour les faibles vitesses, la relation entre ces différents facteurs est donnée par la loi de Stokes:

6 π η r v = 4/3 π r3 (d - d0) g (1)

η = la viscosité du milieu.r = le rayon de la goutte.v = la vitesse de la goutte.d = la densité de la goutte.d0 = la densité du milieu.g = l'accélération.

La différence entre les vitesses de chute de deux gouttes de densités différentes est donnée par laformule:

)d - (d ηrK v- v 12

2

12 = (2)

Pour les grandes vitesses, comme c'est le cas ici, la loi de Stokes n'est plus valable et il n'existe plus derelation linéaire entre la différence des densités et la vitesse de chute ou bien l'inverse du temps quemet la goutte à parcourir un espace déterminé. Aussi, on tracera empiriquement une courbed'étalonnage. La formule (2) peut encore s'écrire:

h E. VOGT et W. F. HAMILTON: Am. .1. Physiol., 113-1935-135. - K. FENGER-ERIKSEN, A. KROGH et U. USS1NG:

Biochem. J., 30-1936-1264.

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00

c - c)t1 -

t1(K = (3)

t étant le temps de chute, c la concentration en D2O à déterminer et c0 étant la concentration en D2O del'eau ordinaire. En déterminant la valeur de K pour différentes concentrations en D2O, il est possible de

tracer la courbe d étalonnage donnant la variation de K en fonction de )t1 -

t1(

0

. Dès lors, il suffira pour

chaque dosage, de calculer la différence entre les inverses des temps de chute de la goutte d'eau à doseret de la goutte d'eau ordinaire, ensuite de lire la valeur de K sur la courbe, et enfin d'appliquer laformule (3).

Le milieu dans lequel on mesure la vitesse de chute doit être un liquide non miscible à l'eau. On utilisesoit un mélange de bromobenzène et xylène, soit un seul composé organique tel que l'o-fluorotoluène.La température de l'ensemble doit être maintenue très constante: les variations de température nepeuvent dépasser 0,001°C.

Si, d'une part, la différence entre les vitesses de chute croît avec le carré du rayon de la goutte, il nefaut pas perdre de vue, d'autre part, qu'il est intéressant de pouvoir travailler avec la plus petite quantitéd'eau possible et qu'il faut éviter aussi les interactions entre la goutte et les parois du récipient.L'erreur commise sur la détermination de la densité suivant cette dernière méthode est de l'ordre de uneà quatre unités de la sixième décimale.Une difficulté importante est la purification des échantillons jusqu'à ce qu'ils ne contiennent plus quede l'eau.

D'autre part, la tension de vapeur de l'eau lourde est plus faible que celle de l'eau ordinaire. Parconséquent, il faut distiller complètement les échantillons pour éviter un fractionnement des isotopes.

Enfin, pour empêcher un échange entre l'eau lourde de l'échantillon et l'eau de l'atmosphère, il estnécessaire de distiller l'eau en présence de la moindre quantité d'air possible, voire même à l'abri del'air quand il s'agit de fortes concentrations. Pour ce faire, la distillation des échantillons, petitesquantités d'eau parfois de l'ordre de 50 à 300 mg, se réalise d'après des techniques spécialementélaborées dans ce but. Ainsi il est à noter qu'en laissant débouché quelques minutes un flaconcontenant de l'eau lourde à 99,7 %, on aura sa concentration ramenée à 99,3 %.

La détermination du rapport des concentrations isotopiques H/D ou H/T de l'hydrogène peutfacilement s'effectuer au moyen du spectrographe de masse. Le gaz est introduit dans une chambre àbasse pression où il est ionisé. Les ions produits sont, après accélération, déviés par l'action combinéed'un champ électrique et d'un champ magnétique. La focalisation du faisceau est réalisée de tellemanière que les particules qui ont la même masse viennent se concentrer en un même point où l'onpeut notamment disposer une plaque photographique.La spectrométrie de masse est une méthode précise, sensible et très rapide ne nécessitant que de faiblesconcentrations en deutérium.

En revanche, cette méthode exige un appareillage coûteux et peu mobile. En outre, il y a des effets demémoire très gênants résultant d'adsorptions sur les parois. Enfin, l'eau lourde a la masse moléculaire20 tout comme la molécule OH 18

2 , d'où la nécessité de normaliser par rapport à l'oxygène.

Les techniques de spectrographie infrarouge constituent une autre méthode de dosage de l'hydrogènelourd. Il s'agit d'une méthode rapide mettant en uvre un appareillage simple et peu coûteux etconvenant très bien pour les fortes concentrations.

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Signalons encore la mesure de la conductibilité thermique qui permet de déterminer les teneurs en 2Het 2D d'un mélange de ces gaz.

4.2.3.2. Tritium

Le dosage du tritium se réalise exclusivement par détection de la radiation β qu'il émet. L'énergie decelle-ci est l'une des plus faibles que l'on connaisse: sa valeur maximum atteint en effet 18 KeV. Cerayonnement mou, arrêté par 6 mm d'air ou 8 microns d'eau, implique que la détection de ceradioélément nécessite certaines astuces de mesure.

Signalons-en les plus importantes:

! La détection du tritium par remplissage interne du compteur de Geiger a été préconisée parEidinoff et Knoll en 1950 ainsi que Glascock en 1951. Elle permet d'éviter l'absorption par lafenêtre du compteur et constitue en outre, dans certaines conditions de remplissage (nature dugaz, pressions partielles), une technique de mesure absolue (4π). Toutefois, cette méthoden'en reste pas moins longue et délicate, car elle oblige à réaliser au préalable la combustionde la molécule tritiée puis à réduire l'eau formée en hydrogène. Le gaz tritié est seulementalors introduit dans le compteur en présence d'un autre gaz dit «de remplissage».

! La scintillation liquide est devenue aujourd'hui une technique courante et sensible de mesuredu tritium. Elle consiste à dissoudre le composé tritié dans un scintillateur liquide dont lacomposition varie avec la nature de la molécule marquée. Lorsque celle-ci est soluble dansles hydrocarbures aromatiques, le scintillateur liquide le plus employé est le mélange suivant:toluène + 2-ô-diphé-nyloxazole (PPO 5 gr/l) + 1-4 di (2-5-phényloxazolyl) benzène (POPOP0,1 gr/l). Si la molécule marquée n'est pas soluble dans les hydrocarbures aromatiques, on lamet le plus souvent en suspension dans un gel scintillant dont la composition comprend, enplus du scintillateur précédent, un agent gélifiant tel que la silice finement divisée, à raison de6 % en poids du scintillateur. Dans le cas où le composé tritié est de l'eau ou est soluble dansl'eau, de nombreux mélanges scintillants, dissolvant l'eau ont été décrits dans la littérature. Ilsemble que celui qui présente le meilleur critère de qualité pour le comptage

fond debruit dissoute)eau d' quantité X comptage2 de é(efficacit soit le DAM 611 composé de six parties

de dioscone pour une partie d'anisole et une partie de 1,2 diméthoxyéthane avec desconcentrations de PPO et de POPOP respectivement de 15 g/l et de 0,62 g/l de scintillant. Cemélange peut dissoudre jusqu'à 25 % en volume d'eau. La scintillation liquide jouit enfin dedeux avantages par rapport au comptage en système gazeux: elle permet d'introduire lecomposé tritié dans le volume sensible sans transformation chimique préalable et la quantitéd'échantillon introduite est incomparablement plus grande pour de plus petits volumes dedétection.

4.3. Autres formes isotopiques de l'eau

Nous savons que la notion d'isotopie a pu s'étendre à tous les éléments à la suite du développement dela méthode d'analyse électromagnétique des rayons d'électricité positive. C'est ainsi que sont connusoutre l'isotope 16 de l'oxygène, les isotopes 17 et 18 de cet élément. Il faut donc signaler qu'il existemaintenant d'autres «eaux lourdes» dénommées eaux enrichies, le terme eau lourde étant réservéexclusivement au cas où l'hydrogène de l'eau est enrichie en deutérium ou hydrogène lourd. Il estpossible de se procurer actuellement de l'eau composée d'oxygène enrichi en isotope 17 à 15 % et pour18O on atteint les enrichissements de 97 %.

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4.3.1. La méthode des indicateurs isotopiques

4.3.1.1. Applications biologiques

On sait que le principe de cette méthode réside dans le fait qu'un isotope permet de suivre le destind'un atome d'une molécule. Quand l'atome auquel on s'intéresse est l'hydrogène, on utilise pour suivreson sort, soit le deutérium soit le tritium. Seule différera la méthode de détection de l'isotope: le dosageéquivaudra à une mesure de radioactivité dans le dernier cas, tandis qu'on utilisera une mesure dedensité dans le cas du deutérium.

On pourra même dans une seule molécule s'intéresser au sort de deux atomes d'hydrogène et les suivreindépendamment et simultanément. Dans ce but, on en marquera un avec du deutérium et le secondavec du tritium.

Signalons toutefois que le marquage au moyen de tritium est beaucoup plus sensible qu'au moyen dedeutérium. Pour une concentration de 0,01 %, celui-ci est pratiquement indosable alors que le tritiumpeut encore être détecté à des concentrations souvent plus basses et dont les valeurs dépendront dessystèmes de détection utilisés.

Un facteur qui ne peut jamais être négligé quand on manipule une substance marquée est lepourcentage d'échange de l'isotope avec le milieu dans lequel se trouve la molécule marquée (solvant -liquide de suspension).

Prenons l'exemple suivant.En dissolvant dans l'eau un composé ayant le radical COOD, par exemple, on obtient la réaction:

COOD + HOH COOH + HOD

Il en est de même des radicaux OH. NH, CHO. Pour les cétones, l'échange peut s'expliquer parune énolisation; ainsi le groupement cétone peut revêtir soit la forme énolique. soit la forme cétonique.comme par exemple:

H3C C

OH

CH2 H3C C

O

CH3

et l'échange se produit parce que. sous forme énolique, la cétone se comporte comme un alcool. A partces quelques exceptions, on peut considérer comme stables les liaisons de D avec les chaînesaliphatiques ou cycliques. Il faut donc utiliser des composés possédant de l'hydrogène «stable». Unesubstance telle que l'acide oxalique, dont les deux atomes H sont «labiles», ne peut être employée.

Pour préparer les deutérocomposés, on peut se servir de réactions ordinaires de la chimie. Ainsi CH3Da été préparé en décomposant CH3MgI par D2O. L'hydrogénation catalytique d'esters ou d'autrescomposés non saturés est également une technique appropriée pour l'obtention de substancesmarquées. On peut faire appel aussi aux réactions d'échange d'atomes, ainsi qu'aux synthèsesbiologiques in vivo.

Au cours de la désintégration et de la reconstruction de la matière vivante, la molécule marquéeadministrée peut subir des transformations et peut même être détruite par combustion; l'eau lourdeproduite au cours de ces processus vitaux se mélange avec l'eau de l'organisme. La détermination de la

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densité du liquide interstitiel nous donnera encore des renseignements précieux, soit sur la quantité desubstance qui a été brûlée, soit sur l'hydrogène qui est devenu «labile».

D'une manière générale, la marche des expériences comporte les quatre stades suivants:1. la préparation du composé marqué, en remplaçant dans la molécule à étudier des atomes légers

par des atomes lourds. Ces atomes doivent être «stables» ;2. l'administration du mélange marqué à l'animal;3. l'extraction et la purification des composés à partir des excréta et des tissus, après la mort de

l'animal;4. la détermination quantitative de l'isotope lourd dans les échantillons d'après des techniques

physiques appropriées.

L'eau lourde était à son origine considérée comme très toxique. En réalité, des concentrations mêmeélevées sont tolérées par l'être vivant sans lui causer de sérieux dommages: ces doses élevéesentraînent néanmoins un ralentissement des processus vitaux. L'administration régulière d'eau lourdeest nuisible. D'après certains, le ralentissement du développement et de la croissance de l'organismepeuvent s'expliquer par le fait que les réactions chimiques des composés hydrogénés sont généralementralenties si l'on y remplace l'hydrogène léger par du deutérium. Quoi qu'il en soit, l'utilisation dudeutérium comme indicateur n'exige pas l'administration d'une quantité importante de cet élément;dans la plupart des cas, il est inutile de dépasser une concentration en eau lourde de 10 % ; pour cesfaibles concentrations, l'eau lourde se comporte comme l'eau ordinaire dans différents types deréactions étudiées et aucune manifestation toxique n'a pu être observée dans ces conditions.

L'utilisation des isotopes dans les recherches biologiques a donné des résultats qu'on ne pouvaitatteindre par les méthodes chimiques ordinaires. Citons à titre d'exemple les importants travaux deSchoenheimer et Rittenbergi qui ont montré que 50 % des acides gras administrés chez la souris nesont pas utilisés directement par l'organisme, mais sont déposés dans les réserves de graisse. Il leur aété possible également de mesurer la vitesse de synthèse de différentes molécules organiques. Ainsi lamoitié du cholestérol de l'organisme est resynthétisé au bout de 30 jours. En administrant chez des ratset des souris de l'acide deutéroacétique, les mêmes auteurs ont montré que le cholestérol isolé renfermedes quantités importantes d'hydrogène lourd. Ils ont pu montrer aussi que l'organisme utilise la glycine,l'arginine et la méthionine pour la synthèse de la créatine.

Les méthodes habituelles d'analyse des protéines entraînent fréquemment des pertes inévitables dematières. Une utilisation très judicieuse du deutérium a permis à Ussing d'élaborer une technique dedosage des acides aminés dans les protéinesj. Reprenons l'exemple du dosage de la leucine. Unequantité connue de deutéroleucine est ajoutée à la protéine hydrolysée devant contenir cet acide aminé.La leucine est ensuite séparée d'après les techniques habituelles. La détermination du D2 dans laleucine isolée nous indiquera, ou bien uniquement la présence de deutéroleucine pure dans le cas où laprotéine est exempte de leucine. ou bien, dans le cas contraire, une certaine dilution de ladeutéroleucine. A partir du taux de D2 contenu dans le mélange isolé, il est possible de calculer laquantité de leucine initialement présente dans la protéine. Ainsi l'eau lourde nous fournit une voienouvelle pour l'étude des grosses molécules.

Les méthodes classiques ne permettent pas de suivre les entrées ou les sorties d'eau au niveau duglobule rouge, tout en respectant les conditions d'isotonie. En collaboration avec A. Lambrechts. nousavons pu résoudre ce problème à l'aide de l'eau lourdek.

i R. SCHOENHEIMER et D. RITTENBERG: J. Biol. Chem., 111-1935-175 et 111-1935-183.j H. USSING: Nature. 144-1939-977.k J. GOVAERTS et A. LAMBRKCHTS: Nature (London), 157-1946-301.

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Les résultats montrent que l'eau pénètre très rapidement dans les globules, aussi bien dans lesconditions normales d'isotonie que dans un milieu rendu hypotonique. En quelque sorte, tout se passecomme si la membrane du globule rouge n'existait pas pour l'eau. Au cours de ces recherches, il a étépossible également de mettre en évidence des échanges d'atomes d'hydrogène et deutérium entre l'eauet les protéines du sangl.En collaboration avec J. Leclercqm, nous avons pu aborder l'étude des échanges d'eau chez certainsinsectes privés de nourriture. Ces insectes, maintenus dans une atmosphère saturée d'eau, échangentcontinuellement leur eau d'imbibition avec celle de l'atmosphère.

4.3.1.2. Applications chimiques

II a été dit plus haut que l'hydrogène lourd, deutérium ou tritium, peut servir «d'indicateur» pour mettreen évidence certains processus réactionnels qu'il est impossible de déceler avec l'atome léger.

Grâce à l'utilisation du deutérium. on a montré en effet que les atomes d'hydrogène de nombreusessubstances sont doués d'une très grande mobilité et sont facilement remplaçables par les atomesd'hydrogène d'autres substances. En réalité, il est possible maintenant de parler d'un coefficient departage de l'hydrogène entre, par exemple, une liaison CH et l'eau.

Les échanges étudiés appartiennent à divers types de réactions.

On observe un échange rapide des atomes d'hydrogène entre le sucre ou NH4Cl et l'eau lourde. Si dansNH4Cl tous les atomes H sont remplaçables, on ne peut remplacer dans le sucre que les atomes H liésaux atomes d'oxygène.Le deutérium se substitue très facilement à l'atome d'hydrogène fonctionnel des alcools et des acidespar des traitements successifs à l'eau lourde. La substitution du deutérium à l'hydrogène de la liaisonCH d'un composé aliphatique ou aromatique se réalise en général plus difficilement.L'étude de l'échange des atomes H et D dans les polyphénols a permis de tirer des conclusionsintéressantes au sujet de la structure du noyau benzène.Les effets isotopiques se rencontrent souvent en chimie organique, où ils influencent parfoisconsidérablement la vitesse de certaines réactions chimiques.Rappelons que la liaison hydrogène-carbone est d'autant plus solide que la masse de l'hydrogène estplus grande. Autrement dit, l'énergie d'activation nécessaire pour déshydrogéner un composéorganique croît avec la masse de l'isotope d'hydrogène. On peut donc classer les liaisons carbone-hydrogène dans l'ordre des stabilités croissantes selon la progression suivante:

C HC DC T

4.4. L'eau lourde dans les recherches de physique nucléaire

Les neutrons se sont révélés des projectiles particulièrement efficace pour provoquer destransmutations d'atomes. Certaines de ces réactions exigent l'emploi de neutrons rapides, d'autres aucontraire nécessitent des neutrons lents, et parfois même des neutrons très lents dont l'énergie est del'ordre de l'énergie thermique des molécules.

l J. GOVAERTS: Bull. Soc. Roy. Se. Liège, n° 10-1945-442.m J. GOVAERTS et J. LECLERCQ: Nature (London), 157-1946-483

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On réalise ce ralentissement des neutrons en interposant entre la source et le milieu à irradier l'un oul'autre élément léger, dont la masse est du même ordre de grandeur que celle du neutron. Les chocsélastiques des neutrons contre les atomes de l'élément interposé diminuent progressivement leurénergie. Notamment l'interposition d'un milieu hydrogéné (eau, paraffine...) permet d'obtenir ceralentissement.En particulier, pour produire la fission de l'isotope 235 de l'uranium, il faut des neutrons très lents.Ainsi, si l'on veut réaliser une source intense d'énergie nucléaire, en profitant des réactions en chaîneentretenues que présentent les piles à uranium, il faut ralentir les neutrons secondaires résultant de lafission. On sait que dans les piles réalisées aux États-Unis d'Amérique, ce ralentissement est obtenupar du graphite.Il y aurait intérêt à utiliser dans ce but l'eau lourde. Les atomes d'hydrogène et de deutérium qu'ellecontient seraient plus efficaces encore que les atomes de carbone pour réduire la vitesse des neutrons.De plus, l'eau lourde présenterait un autre avantage. Les réactions de désintégration de l'uraniums'accompagnent d'un rayonnement γ intense. Or on sait que sous l'effet d'un rayonnement γ,.l'hydrogène lourd subit une désintégration suivant la réaction:

H21 + γ H1

1 + n10

Le deutérium est donc décomposé en un proton et un neutron. Il y a production de ce qu'on appelle desphotoneutrons. Les photoneutrons s'ajoutent aux neutrons de fission pour entretenir la réaction enchaîne.Si l'eau lourde a été remplacée par le graphite dans les réalisations américaines de piles uranium-graphite, c'est pour des raisons d'ordre technique: on ne disposait pas de quantités suffisantes d'eaulourde. A l'heure actuelle sont déjà en service plusieurs piles uranium-eau lourde qui sont beaucoupmoins encombrantes que les piles uranium-graphite.

En définitive, l'eau lourde occupe une place de première importance en technologie nucléaire. Outreles explosifs nucléaires, elle intervient comme modérateur le plus économique pour l'uranium naturelet peut-être même pour le thorium et l'uranium 233. La réaction (T, n) suivante:

D21 + T3

1 He42 + n1

0 + 17,6 MeV

laisse entrevoir son utilisation dans des réactions de fusion. Cette dernière réaction fournit 100 000kWh par gramme de D2 consommé. L'industrie de l'eau lourde s'est considérablement développée et àl'heure actuelle on peut estimer que la capacité de production annuelle est de l'ordre de 500 tonnes.

4.5. Ouvrages généraux

GUEBEN G. - Phénomènes radioactifs et introduction à la physique nucléaire. Dunod, Paris. -Desoer, Liège, 2e édit.GOVAERTS J. - Introduction à la chimie nucléaire. Dunod, Paris.MURPHY G. M. - Production of heavy water. Vol. 4. National Nucl. En. Ser. Mc Graw Hill, N.-Y.,1955.SAMUEL D. et STECKEL P. F. - Bibliography of the stable isotopes of oxygen (17O et 18O). PergarionPress, 1958.BEYNON J. M. - Mass spectrometry. Elescover, 1960.BECKER E. W. - Heavy water production. Agence Int. Energie Atom., Vienne, n° 21, 1962.

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4.6. Composition isotopique de l'eau4

Table 25

Type de molécule Abondance en % m/m1H2 16O 99,72H2 16O 2.10-6

3H2 16O (ou T2O) traces1H2 18O 0,21H2 17O 0,041H2H 16O 0,03

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CHAPITRE 5: PROPRIÉTÉS DE L'EAUIl faut aussi voir:

! Table 5 à la page 12: pH et produit ionique de l'eau en fonction de la température! Table 7 à la page 15: solubilité des gaz dans l'eau (avec constante d'Henry)! Table 8 à la page 15: solubilité de l'oxygène dans l'eau en fonction de la température! Table 24 à la page 89: comparaison des propriétés de l'eau ordinaire et de l'eau lourde! Table 25 à la page 98: composition isotopique de l'eau

5.1. Pression de vapeur et densité de l'eau en fonction de la température4

T(°C)

pressionvapeur (torr) densité T

(°C)pression

vapeur (torr) densité T(°C)

pressionvapeur (torr) densité

-10a 1,95 0,99815 19 16,48 0,99843 40 55,32 0,99224-5a 3,01 0,9993 20 17,54 0,99823 45 71,88 0,990250 4,58 0,99987 21 18,65 0,99802 50 92,51 0,988071 4,93 0,99993 22 19,83 0,99780 55 118,04 0,985732 5,29 0,99997 23 21,07 0,99756 60 149,38 0,983243 5,69 0,99999 24 22,38 0,99732 65 187,54 0,980594 6,1 1,0000 25 23,76 0,99707 70 233,7 0,977815 6,54 0,99999 26 25,21 0,99681 75 289,1 0,974896 7,01 0,99997 27 26,74 0,99654 80 355,1 0,971837 7,51 0,99993 28 28,35 0,99626 85 433,6 0,968658 8,05 0,99988 29 30,04 0,99597 90 525,8 0,965349 8,61 0,99981 30 31,82 0,99567 95 633,9 0,9619210 9,21 0,99973 31 33,70 0,99537 100 760 0,9583811 9,84 0,99963 32 35,66 0,99505 105 906,1 0,954712 10,52 0,99952 33 37,73 0,99473 110 1074,6 0,951013 11,23 0,99940 34 39,90 0,99440 150 3570,5 0,917314 11,99 0,99927 35 42,18 0,99406 200 11660 0,862815 12,79 0,99913 36 44,56 0,99371 250 29820 0,79416 13,63 0,99897 37 47,07 0,9933617 14,53 0,9988 38 49,69 0,9929918 15,48 0,99862 39 52,44 0,99262

a glace

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

-10 40 90 140 190 240

Température (°C)

Den

sité

de

l'eau

0,99

0,992

0,994

0,996

0,998

1

1,002

-10 0 10 20 30

Température (°C)

Den

sité

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5.2. Solubilité du chlore9

5.2.1. Solubilité pratique du chlore, en g/L

Température (°C)Pression partielle(mmHg) 0 10 20 25 30 40

5 0,49 0,45 0,44 0,43 0,42 0,4110 0,68 0,60 0,575 0,56 0,55 0,5350 1,72 1,35 1,18 1,145 1,11 1,025100 2,79 2,07 1,69 1,63 1,57 1,42200 5,71 3,34 2,70 2,50 2,34 2,06300 a 4,54 3,62 3,23 3,00 2,61400 5,73 4,47 3,96 3,63 3,14500 7,00 5,27 4,66 4,21 3,63600 8,08 6,06 5,40 4,84 4,07700 9,12 6,87 6,10 5,42 4,50800 10,05 7,64 6,77 6,04 4,95900 10,85 8,35 7,41 6,61 5,391000 11,62 9,06 8,12 7,18 5,831200 a 10,44 9,37 8,30 6,671500 12,43 11,19 9,95 7,962000 17,07 15,02 12,97 10,133000 a 18,70 14,454000 24,70 18,845000 30,80 22,30

a Formation d'hydrate

5.2.2. Coefficients de Henry pour le chlore

T (°C) H0 (H2O distillée) hHCl hNaClChaleur de dissolution

(kJ/mol)5 (700) (-0,03900) (0,08400) (32,50)10 8,929 -0,03686 0,08052 30,7515 10,929 (-0,03410) (0,07900) (29,00)20 13,210 -0,03395 0,07772 28,2425 16,207 (-0,03380) (0,07600) 27,0030 19,157 -0,03378 0,07555 25,7340 (25,800) (-0,03300) (0,07490) 23,00

Valeurs mesurées, sauf celles, entre parenthèses, qui sont extrapolées.

Les concentrations des phases gazeuse et liquide du chlore, à l'équilibre, sont exprimées par la loi deHenry:

PCl2 = H0[Cl2]

où PCl2 est la pression partielle du chlore (en atm), H0 est le coefficient de Henry relatif à la solution deforce ionique nulle (en atm.L.mol) et [Cl2], la concentration à l'équilibre du chlore dissous (en mol/L).Les solubilités directes du chlore (c'est-à-dire sans hydrolyse) ont été mesurés par AIETA. Le

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coefficient de Henry croît avec la température (Voir Tableau ci-dessus) et est aussi influencé par laforce ionique de la solution. La dissolution du chlore dans l'eau est exothermique, contrairement à sonhydrolyse qui est endothermique.Dans des solutions d'électrolytes de force ionique I (en mol/L), le coefficient de Henry peut êtrecalculé par l'équation suivante:

h IHH log

010 =

dans laquelle h est le paramètre de "salting-out" spécifique ou effet de coordination (en L/mol) 1. Ensolutions électrolytiques mixtes, l'additivité logarithmique des saturations individuelles par effet desels peut être appliquée:

nn I h I h IhHH

+++= . . . log 22110

10

En ce qui concerne la force ionique, la formule généralement appliquée est

2VCΣ I

2nnn=

où n est la valence des ions présents ; par exemple n = 1 pour HCl et NaCl qui sont les sels dominantsau cours de la production de dioxyde de chlore au départ du chlorite.

Le concept de "chlore dissous" ne peut être considéré en pratique sans prendre en compte les formeschimiques dans lesquelles le chlore existe en solution. A basses températures, ou à hautes pressionspartielles, l'hydrate de chlore peut être prépondérant: Cl2.6H2O. L'hydrolyse fournit alors l'acidehypochloreux et l'hypochlorite. Les solubilités utiles du chlore en fonction de la température et de la"pression partielle totale" (c'est-à-dire la somme des pressions partielles du chlore et de la vapeurd'eau) sont données au Tableau du paragraphe 5.2.1.

5.3. Propriétés hydrodynamiques4

5.3.1. Viscosité dynamique (η)

T (°C) η (Pa.s.10-3) T (°C) η (Pa.s.10-3) T (°C) η (Pa.s.10-3)

0 1,792 35 0,722 70 0,4065 1,519 40 0,656 75 0,380

10. 1,308 45 0,594 80 0,35615 1,14 50 0,549 85 0,33520 1,005 55 0,506 90 0,31625 0,894 60 0,469 95 0,29430 0,801 65 0,435 100 0,284

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5.3.2. Tension superficielle (γ)

T (°C) g (N.m-1.10-3) T (°C) g (N.m-1.10-3)0 75,6 30 71,210 74,2 50 67,920 72,75 100 58,9

5.4. Propriétés thermodynamiques4

Enthalpie de formation: H2Oliq ∆Hform = -285,6 kJ.mol-1

H2Ogaz ∆Hform = -241,6 kJ.mol-1

Enthalpie de fusion: ∆Hfus à 0 °C = 335 kJ.kg-1

= 6,01 kJ.mol-1

Enthalpie de vaporisation: ∆Hvap à 100 °C = 2260 kJ.kg-1

= 40,7 kJ.mol-1

Chaleur massique: H2Osol C = 2050 J.kg-1.°C-1 (entre -10 et 0 °C)H2Oliq C = 4180 J.kg-1.°C-1 (à 15 °C)H2Ogaz C = 2010 J.kg-1.°C-1 (entre 100 et 120 °C)

5.5. Propriétés électriques4

Moment dipolaire: 1,86 debÿe (D)Conductance électrique: 0 °C 10-8 S

18 °C 4.10-8 S50 °C 17.10-8 S

Constante diélectrique (ε)ε 88 80,4 78,5 70 55

t° (°C) 0 20 25 50 100

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vapeur, aux circuits de réfrigération et aux réseaux de distribution d'eaux industrielles etpotables. Paris: Dunod, 1969

3. Memento pour le laboratoire de chimie de Merck.4. Tonneau J. Tables de chimie - Un mémento pour le laboratoire. Bruxelles: De Boeck - Wesmael,

19915. Dupont G. Les halogènes. In: ed. Cours de Chimie Industrielle - Tome II Les industries

minérales. Paris: Gauthier-Villars, 1952, 2456. Graphe de condctivité - Document Internet, 2003

www.efs.fr/lis/7. Gouverneur L, Weiler J. Chimie appliquée - Chimie Industrielle Inorganique Tome II. Louvain-

la-Neuve: E.C.A.M et U.C.L., 19788. Pirson P, Bribosia A, Martin C, Tadino A. Chimie 5e Sciences Générales. Bruxelles: de Boeck,

20029. Masschelein W J. Processus unitaires du traitement de l'eau potable. Liège: Cebedoc, 199610. Moneron C, Tassin B, Mesures physico-chimiques in situ et prélèvements d'échatillons -

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11. Quelques notions sur l'eau - Document Internet, 2003www.ccsdz.com/notion.HTM

12. Kremer M, Mans R. Guide de la mesure dans l'eau ultra-pure. JUMO Analyses physico-chimiques, 1999

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