Le pH

La marge acceptable du pH de leau potable estcomprise entre 6,5 et 8,5. La corrosion du mtal peutdevenir srieuse en-dessous dun pH de 6,5; lincrus-tation et lentartrage peuvent samplifier un pHsuprieur 8,5. Laccroissement du pH rduit aussiprogressivement lefficacit du chlore commedsinfectant.

Dfinition et mesureLa valeur p dune entit est dfinie comme le

logarithme dcimal ngatif de cette entit; ainsi,

pM = log10M

o M peut tre une activit, une concentration ou uneconstante dquilibre. Le pH dune solution est lelogarithme dcimal ngatif de lactivit des ionshydrognes aH+ :

pH = log10 (aH+)Dans une solution dilue, lactivit des ions hydrogneest peu prs gale leur concentration.

On mesure ordinairement le pH dun chantillondeau par une mthode lectromtrique laide dunelectrode de verre.(1,2) On peut donc, dans une perspec-tive oprationnelle, dfinir le pH en fonction de E, soitla force lectromotrice en volts mesure entre unelectrode de verre et une lectrode de rfrence lorsqueles lectrodes sont plonges dans lchantillon, et de EB,soit la force lectromotrice obtenue lorsque leslectrodes sont plonges dans une solution tampon derfrence, le pH de cette solution tant reprsent parpHB.(2) Lexpression mathmatique de cette dfinitionest la suivante :

pH = pHB + [(E EB)F/2,3026RT]o F dsigne la constante de Faraday, R la constante desgaz et T la temprature absolue. La solution tampon derfrence fait donc partie intgrante de la mthodenormalise.

La temprature produit deux effets importants sur lamesure du pH.(1,2) La diffrence de potentiel par unitde pH varie (selon le terme considr dans lquation)approximativement de 55 mV/unit de pH 5 C 66 mV/unit de pH 60 C;(2) on peut corriger la

situation grce au systme de compensation detemprature dont sont munis les meilleurs appareilsdu commerce. Les constantes de lquilibre chimiqueexistant dans une solution tampon varient, modifiantainsi le pHB; le pHB doit donc tre corrig en fonctionde la temprature. On connat le pH des solutionstampons, diffrentes tempratures. Les changementsde temprature modifient galement lquilibre ioniquede tous les acides et bases faibles prsents dans unchantillon deau. Limportance de cet effet dpend,dans une large mesure, de lalcalinit de lchantillon.Il faut donc enregistrer la temprature de lchantillonen mme temps que la mesure du pH.

des pH levs, les cations des mtaux alcalins etalcalino-terreux interfrent avec laction des lectrodesde verre. Cest ce quon appelle leffet de lionsodium. Dans le cas des lectrodes de verre normales, tout usage, cet effet se fait sentir des pH au-dessusde 10,5 environ; les mesures sont alors entachesderreurs.(3) Dans le but dviter de telles erreurs, onconseille, pour mesurer les pH suprieurs 10, dutiliserun type dlectrode conu pour une forte alcalinit.(1,2)

Facteurs influenant lchelle des pHLe pH dune solution aqueuse est une mesure de

lquilibre acide-base ralis par diffrents compossdissous; dans la plupart des eaux naturelles, il estcontrl par le mcanisme dquilibre anhydridecarbonique bicarbonate carbonate. Voici les diverstypes dquilibre en cause :(4)

H2O H+ + OH, pKw = 14,0

CO2 (g) CO2 (aq)CO2 (aq) + H2O H2CO3, pKa @ 2,8H2CO3 H+ + HCO3-, pK1 = 6,35

HCO3- H+ + CO32, pK2 = 10,3

o les valeurs pK sont les valeurs 25 C.Tous ces quilibres subissent linfluence de la

temprature; Kw accuse les plus grandes variations.Dans leau pure, lorsque la temprature augmente de25 C, le pH diminue denviron 0,45.(5) Dans les eaux

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ayant un pouvoir tampon d aux ions bicarbonate,carbonate et hydroxyde, leffet de la tempratureest modifi.(5)

Le pH de la plupart des sources deau brute estcompris entre 6,5 et 8,5.(6) Dans certaines sources deaudouce, cependant, le pH peut tre considrablement plusbas cause du lessivage des acides organiquesprovenant de la vgtation en dcomposition(7) et dela prsence danhydride carbonique dissous.(8) Danscertaines sources deau souterraines, lanhydridecarbonique issu de loxydation bactriologique ne peuttre libr dans latmosphre et il en rsulte un pHencore plus bas.(9)

La concentration dions hydrogne peut tremodifie sensiblement au cours du traitement de leau.La chloration tend abaisser le pH tandis que ladoucis-sement de leau laide du procd chaux/soude llve.Une tude portant sur les rseaux daqueduc des 100plus grandes villes des tats-Unis(10) a rvl que,mme si toutes les villes utilisaient une source deaubrute dont le pH tait infrieur 9, leau potabledistribue par 17 de ces villes avait un pH suprieur 9.Lchelle du pH dans leau traite stendait de 5 10,5(valeur mdiane de 7,5).

Le pH en fonction de la corrosion et delentartrage

Les pertes conomiques dues la corrosion dans lesconduites matresses et les installations de traitement deleau sont values 375 millions de dollars par anneaux tats-Unis.(11) Par ailleurs, les dpts de carbonatede calcium diminuent la capacit de distribution tout enfaisant grimper les cots de pompage.(12)

Les mtaux utiliss dans les rseaux de distribution,comme la fonte, lacier et le cuivre, ont tendance secorroder au contact de leau cause de leur instabilitthermodynamique. Les tuyaux de bton, damiante-ciment et de fonte enduite de ciment, tous largementutiliss dans les rseaux daqueduc, peuvent aussi sedtriorer. Les eaux naturelles contiennent des gaz, dessubstances collodales et divers corps lectrolytiqueset non lectrolytiques qui dterminent, avec le pH,lampleur des risques de corrosion dans une situationdonne.(7) En gnral, la prsence danions formant descomposs solubles avec un mtal augmente le pouvoircorrosif de leau face ce mtal, tandis que la prsencedanions formant des composs insolubles peut enaugmenter la passivit.

Drane rsume comme suit le rle du pH dansla corrosion des mtaux utiliss dans les rseaux dedistribution :(7)

1. Lacier se corrode approximativement la mmevitesse tous les pH mesurs habituellement dans leseaux naturelles. La forme de la corrosion dpendcependant du pH. des pH compris entre 7,5 et 9, lesproduits de corrosion ont tendance former une crote

durcie. des pH moins levs, les dpts sont moinsconsidrables, bien quon remarque parfois une formede dpt trs dur dans les tuyaux qui sont en usagedepuis un certain nombre dannes. La perte de chargedue lentartrage dun tuyau se manifeste le plussouvent des pH plutt levs; des pH plutt bas,on se plaint plus frquemment de la couleur rougetredonne leau par la prsence de dchets de corrosionen suspension. La fonte se comporte de la mme faonque lacier dans une eau alcaline; des pH plutt bas,elle est sujette la graphitisation.

2. Le cuivre est trs sensible au pH. Dans les eauxagressives, il se corrode un peu; une petite quantit decuivre en solution peut tacher les tissus et les accessoiresde plomberie. En outre, lorsque le cuivre se dpose nouveau sur les surfaces en aluminium et sur lessurfaces galvanises, il y a formation de cellules lectro-chimiques qui sont lorigine de piqres dans le mtal.Dans la plupart des eaux, le pH critique est denviron 7;dans les eaux douces contenant des acides organiques, ilpeut tre plus lev.

3. La corrosion du plomb est fonction de la teneuren carbonates, du pH et des constituants minraux. Lamthode de contrle la plus simple consiste ordinaire-ment augmenter le pH en ajoutant un alcali. des pHsuprieurs 7, peu deau sont agressives lgard duplomb.

La corrosion attaque lenduit de zinc qui recouvrele fer et lacier galvaniss de la mme faon quelleattaque le fer, mais ordinairement plus lentement. Leseaux trs alcalines, dont le pH est suprieur 10,5environ, peuvent attaquer le zinc(13) et dtruisentsouvent les revtements galvaniss.

Les dpts de carbonate de calcium peuvent aider contrler la corrosion. Les facteurs qui influent surce processus sont la temprature, le pH, les matiresdissoutes totales, la duret, lanhydride carbonique etlalcalinit. En pratique, un traitement rigoureux visant maintenir lquilibre carbonate de calcium/bicarbonateest absolument impossible. En consquence, on a tablides rapports semi-empiriques et empiriques en utilisantdes paramtres facilement mesurables.

Lun des premiers parmi ces rapports a t tablipar Langelier,(5,14) qui a tudi le rapport mathmatiqueentre le carbonate de calcium, le bicarbonate de calciumet le gaz carbonique dans leau. Ce rapport est dfinisous sa forme la plus simple par lquation suivante,applicable lorsque le pHs se situe entre 6,5 et 9,5 :(15)

pHs = pCa2+ + pAlc + (pK2 pKs)o pHs (le pH de saturation) est le pH pour lequel, sansquil y ait de changement en ce qui concerne lalcalinit,la teneur en calcium ou les matires dissoutes, leau nedpose ni ne dissout le carbonate de calcium; les autrestermes sont dfinis comme suit :

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pCa2+ est le logarithme ngatif de la concentrationde calcium, exprim en mg de CaCO3/L,

pAlc est le logarithme ngatif de lalcalinitdtermine avec le mthylorange, exprimen mg de CaCO3/L,

pKs est le logarithme ngatif du produit desolubilit de CaCO3, et

pK2 est le logarithme ngatif de la constantedionisation de HCO3.

Le terme (pK2 pKs) est fonction de la force ionique etde la temprature. On a dress des nomogrammes quitablissent un rapport entre cette quantit et les para-mtres mesurs de leau, par exemple le pH, les matiresdissoutes totales, lalcalinit et la temprature.(5,6,14)

On dfinit lindice de saturation de Langeliercomme la diffrence entre le pH rel de leau et le pH desaturation.

Indice de saturation = pH pHs

Un indice de saturation positif indique que leau atendance entartrer, tandis quun indice de saturationngatif indique quelle a tendance dissoudre le tartre, tre agressive.

Bien que le produit de solubilit du carbonate decalcium diminue lorsque la temprature augmente, cequi provoque une augmentation des dpts destempratures plus leves dans presque toutes lesconditions, il nen est pas de mme pour les eaux peualcalines (

Il convient de mentionner un dernier point en ce quiconcerne la corrosion et lentartrage : la formation dunfilm biologique utile ou nuisible la surface descanalisations. Ce film peut prvenir lenlvement desproduits doxydation sur les parois des tuyaux ainsi quela pntration doxygne jusqu ces tuyaux, enrayantainsi la corrosion. En revanche, les dpts excessifspeuvent crer la surface des tuyaux une zone de pHpeu lev en formant du gaz carbonique, ce qui peutentraner une corrosion localise, mme si les indices destabilit et dagressivit de leau sont favorables.(21) Lacouleur rouge de leau provient souvent dune crois-sance soudaine de bactries ferrugineuses qui donnentde lhydrate ferrique comme produit mtaboliqueterminal. La croissance des bactries ferrugineuses peuttre telle que les tuyaux peuvent se boucher complte-ment en quelques semaines. La croissance des bactriesferrugineuses dpend beaucoup du pH; elle se produit des pH compris entre 5,5 et 8,2, le pH optimal tantdenviron 6,5.(22)

Rapports entre le pH et les autresparamtres de la qualit de leau

Comme lquilibre chimique dune solutionaqueuse fait invariablement intervernir des ionshydrogne (et hydroxyle), le pH sera li, dune ou deplusieurs faons diffrentes, presque tous les autresparamtres de la qualit de leau.

Caractristiques physiquesLe got et lodeur de leau potable proviennent

dune grande diversit de causes; aucune gnralisationnest possible en ce qui concerne leffet du pH sur cesparamtres. Dans leau expose la contamination parle soufre, la formation de sulfure dhydrogne gazeux(odeurs dufs pourris) est thermodynamiquementfavorise lorsque le pH est infrieur 7 environ.(13) Letrichlorure dazote, qui a une odeur piquantedsagrable,(23) a tendance se former en plus grandesconcentrations des pH faibles (

Caractristiques chimiquesLa corrosion dans le systme daqueduc est une

source importante de contamination de leau par lemtal.(39) Deux des mtaux les plus susceptibles decauser des problmes sont le plomb et le cadmium. Leplomb est rfractaire la corrosion des pH suprieurs 6 dans leau pure; en prsence de carbonates et debicarbonates, le plomb est passif des pH compris entre4 et 12 environ, mais il peut tre attaqu par la corrosion des pH suprieurs 12.(13) Une tude portant sur uneeau potable peu alcaline au pH passablement bas arvl de fortes concentrations de plomb dans leaupotable circulant dans des tuyaux en plomb.(40) Lecadmium, dans leau pure, est passif des pH comprisentre 9 et 13,5 environ, mais des donnes expri-mentales indiquent quil ne se corrode vritablementqu des pH infrieurs 6.(13)

Des tudes en laboratoire ont montr que leau dontlindice dagressivit tait infrieur 10 favorisait lalibration des fibres damiante provenant des tuyaux enamiante-ciment.(40) On a galement soulign que lestuyaux enduits dune couche de goudron pouvaient treune source dhydrocarbures aromatiques polycycliques(HAP) cause du lessivage effectu par leau.(40)

Les trihalomthanes se forment au cours de lachloration des eaux contenant du carbone organique. Lesmcanismes admis de formation des trihalomthanessupposent une raction initiale de lacide hypochloreuxavec les prcurseurs organiques, la substitution aromati-que lectrophilique du chlore positif et ladditionlectrophilique de chlore positif la double liaisonconvenablement active,(41) et plus particulirement laraction du chlore avec les structures m-dihydroxy-benzne lintrieur du rseau cristallin dacidefulvique.(42) Ces ractions, de mme que la raction plussimple des haloformes, sont catalyses par une base. Enlaboratoire(43) et dans une usine de traitement deleau,(44) on a montr que, pour une teneur en carboneorganique et une dose de chlore donnes, des concen-trations plus fortes de trihalomthanes se formentlorsque le pH est plus lev.

Effets sur la santtant donn que le pH est li divers autres

paramtres, il nest pas possible de dterminer sil existeun rapport direct entre le pH et la sant de lhomme.Dans la mesure o le pH modifie le procd de traite-ment de leau qui contribue liminer les virus, lesbactries et dautres organismes nuisibles, on peut direquil a des effets indirects sur la sant. La destructiondes virus, aux pH levs que lon rencontre au cours deladoucissement de leau par le procd chaux/soude,peut tre considre comme utile. Par contre, laugmen-tation de la gnration de trihalomthanes des pHlevs peut tre nfaste.

Au cours dune des rares tudes pidmiologiquessur les rseaux de distribution deau potable danslesquelles le pH tait un des paramtres pris enconsidration, Taylor et ses collaborateurs(45) nont putablir de rapport important entre les cas dhpatiteinfectieuse et le pH de leau traite. Cette tude a teffectue dans 16 villes amricaines utilisant des eauxde surface comme source deau potable.

Justification1. Aucun effet prcis du pH sur la sant ne nous

permet de fixer les limites de celui-ci pour leau potable.Le contrle du pH sert avant tout rduire la corrosionet lentartrage.

2. En gnral, la corrosion du mtal devient impor-tante des pH infrieurs 6,5 environ; les problmesdincrustation et dentartrage se font surtout sentir despH suprieurs 8,5 environ.

3. Lchelle acceptable du pH dans leau est doncde lordre de 6,5 8,5. En gnral, les eaux dont le pHest compris entre ces valeurs peuvent tre stabilises, ence qui concerne la corrosion et lentartrage, par unsimple ajustement du pH. Lorsque le pH est maintenu endessous de 8,5, le pouvoir de dsinfection du chlore estaccru et la production de trihalomthanes est rduite.

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