Eau Destinée à la Production d'Eau Potable - B.4 - PDF

B.4- Eau destinée à la production de l’eau potable : C- Classification non normative : Classification non dictée par la loi Classification importante déterminée par la science (géochimie, hydrogéologie, …) Classification ssf d’une représentation simplifiée des caractéristiques chimiques pa...

B.4- Eau destinée à la production de l’eau potable : C- Classification non normative : Classification non dictée par la loi Classification importante déterminée par la science (géochimie, hydrogéologie, …) Classification ssf d’une représentation simplifiée des caractéristiques chimiques par Diagrammes, exemples : Schoeller berkalov, Piper, Stiff ….. ✓ Diagrammes sont déterminés par des logiciels informatiques spécialisés ✓ Diagrammes permettent d’évaluer la typologie (= faciès chimique) des eaux douces naturelles ✓ La typologie est le résultat d’abondance de certain éléments minéraux on dira par exemple une eau : - magnésienne, ferrugineuse, chloruré - bicarbonatées (sodiques, calciques, magnésiennes..)….. III.7- Mesure des paramètres PC des eaux douces naturelles : III.7.1- Mesure de la température (T °C) : ❖ La valeur de ce paramètre est en relation (= influencée) avec : ✓ La T°C de l’air ou de son milieu environnant ✓ Certaines activités industrielles (centrales thermiques) ❖ Ce paramètre gouverne (= dirige) les propriétés physicochimiques de l’eau : ✓ La densité et viscosité (résistance à l’écoulement); ✓ La tension de vapeur (= l’évaporation), ✓ La solubilité des gaz, ✓ Les vitesses des réactions chimiques et équilibres chimiques (KT ) ❖ Ce paramètre gouverne aussi la biologie aquatique (positivement et négativement); Actions positives (= conditions de températures favorables) : ✓ Favorise la Physiologie des êtres vivants (An et Ve) : reproduction, multiplication, …. ✓ Favorise le métabolisme des organismes vivants : photosynthèse, activité enzymatique, ….  Actions négatives (= conditions de températures défavorables) : ✓ Résultats; graves conséquences sur écosystèmes aquatiques (lacs, rivières …) : favorise eutrophisation, intensifie les conditions d’anaérobiose (manque d’O2), mauvaises odeurs et mauvaise qualité. ❖ NB: la T °C est un paramètres PC important concernant le contrôle de la qualité d’eau. 30 ❖ Prise (= Mesure) de valeur : Sonde de Température (= un appareil électronique portatif). Pourquoi portatif ? (selon les recommandations normatives) : ✓ Mesure doit être prise obligatoirement in situ ✓ Mesure Préférablement directement du milieu (sauf conditions difficiles) ✓ Étalonnage de l’appareil selon les recommandations du catalogue III.7.2- Mesure du pH (= potentiel d’hydrogène) Le pH se définit comme le logarithme décimal négatif de l’activité (concentration) des ions hydrogène, exprimé en mol/L : pH = -log10aH+ a- Importance du pH d’eau : Régit un grand nombre d'équilibres physico-chimiques et de réactions biologiques : - Acido-basique (Système calco-carbonique) - Solubilité (Ks) et précipitations : - Influence la réactivité des adsorbants (ex argiles, Matière humique, …) - Influence les interfaces (= Echanges) eau / sédiments (Adsorption /relargage). - Réactions enzymatiques et métaboliques b- Classification due au pH: Dans les eaux naturelles, le pH est fonction de : Nature géologique : ✓ Région granitique (roche acide : SiO2 + H2O = H2SiO3) : pH (= 5 – 6) ✓ Région calcaire (roche basique), pH (= 8 - 8,5) Activité biogène : ✓ tourbière : pH (= 5 – 6) ✓ forte production vég, pH (= 8 - 8,5) NB: la majorité des eaux de surface et souterraines possèdent des pH (5,5 < pH < 8). Si pH = 8 indique une alcalinité forte ou/et une évaporation intense Si pH < 5 indique une acidité forte (présence d’acides minéraux ou/et d’acides organiques) c- Prise de Mesure : ❖ Méthode colorimétrique (voir biblio) : Comparaison à des solutions préparées à partir d’indicateurs colorés; Papier pH ❖ Méthode électrochimique (= potentiométrique) : Utilisant une électrode combinée qui mesure la DDP (= E) entre : ✓Une électrode interne de verre indicatrice sensible à [H+] et, ✓Une électrode de référence Ag+/AgCl (E0 constant). ✓ la DDP, fonction de la [H+], est calculée par la loi : E = E0 + 2.3RT / nF * log [H+] (équation de Nernst) Prise de valeur (méth élec) : pH-mètre portatif Pourquoi portatif ? (selon les recommandations normatives) : ✓ Mesure doit être prise obligatoirement in situ (sauf conditions difficiles) ✓ Mesure Préférablement directement du milieu (sauf conditions difficiles) ✓ Etalonnage du pH-mètre (avant mesure) par solutions tampons certifiés de pH connus ❖ Référence de la méthode : Norme marocaine NM 03.7.009 (2012) ❖ NB : (NM 03.7.001) préconise un pH (= 6,5 – 8,5) III.7.3- Mesure de l’oxygène dissous (O2D) : a- Origine : ❖ Origine de l’O2 dans l’eau : ✓ Diffusion et aération à partir de atmosphère ✓ Photosynthèse, illustrée par la réaction suivante : 6CO2 ✓ Photolyse de l’eau : décomposition d’H2O en atomes (H + O2) par UV (= R solaire) ❖ Fonctions de consommation de l’O2 par : ✓ Respiration ✓ Oxydation de MO + Nitrification, … NB : Concentration d’O2 (= [O2]) du milieu = bilan entre production et consommation - Importance de l’O2 : La Teneur de l’O2 dans l’eau est fonction : ✓ Conditions hydrodynamiques: Généralement une eau suffisamment agitée et aérée est sursaturée en oxygène , ✓ Conditions chimiques : une eau chargée en MO dégradables est sous-saturée. ✓ T°C et l’équilibre avec atm NB : La présence ou le manque d’O2 influence le caractère oxydant et le caractère réducteur de l’eau, ceci a un impact sur : ✓ La biocénose; développement de µorg aérobie ou de µorg anaérobie ✓ Le cycle biogéochimique; N, C, P, S, Fe, …. (ex: lacs barrages en période de sécheresse, dégradation de la qualité eau). C- Dosage de l’O2D : ❖ Méthode Volumétrique (= méthode de Winkler ou méthode Iodométrique) : ✓ Principe de la méthode : (voir biblio, discussion en TD) ✓ NB : Iodométrie, pour évaluer la [O2D], se base sur des réactions d’oxydo-réduction ❖ Méthode électrochimique : ❑ Principe : Utilise une sonde ou électrode spécifique d’O2D La mesure se base sur la diffusion uniquement de l’O2D Càd que la membrane de l’électrode est : ✓semi perméable (diffusion de O2) ✓ imperméable à l’eau et aux éléments en solution électrode est construite par une : ✓ Anode en plomb (oxydation) : Pb + 2OH- - ✓ Cathode en argent (réduction de O2) : O2 + 2H2O + 4 e- NB: Il y’a réduction de l’O2 qui engendre un Courant électrique f ([O2D]) ❑ Dosage (= prise de valeur) : oxymètre portatif (voir photo) Pourquoi portatif ? (selon les recommandations normatives) : ✓ Mesure doit être prise obligatoirement in situ (sauf conditions difficiles) ✓ Mesure Préférablement directement du milieu (sauf conditions difficiles) ✓ Etalonnage d’oxymètre (avant mesure) selon le protocole du type d’appareil III.7.4- Mesure de la conductivité électrique (CE) : a- Définition : Aptitude d’une eau à laisser passer un courant électrique. b- Caractéristique électrique d’eau : - Eau pure = conduit mal l'électricité : cf autoprotolyse de l’eau. - Eau naturelle = bon conducteur : contient des solutés dissous = électrolytes. Donc: CE = f ([ions] = la minéralisation) NB : La CE permet l’évaluation rapide mais approximative la minéralisation par une relation (= formule de calcule) entre les 2 paramètres. c- Mesure de la CE : Par conductivimètre (= conductimètre) doté d’une électrode de mesure menée d’une cellule conductimétrique , (selon les recommandations normatives) : ✓ Mesure doit être prise obligatoirement in situ (sauf conditions difficiles) ✓ Mesure Préférablement directement du milieu (sauf conditions difficiles) ✓ Etalonnage (avant mesure) selon le protocole du type d’appareil B- Titre alcalimétrique (TA) et titre alcalimétrique complet (TAC) : Définition : L'alcalinité d'une eau = capacité à neutraliser un acide; elle correspond principalement à la présence des ions bicarbonate (HCO-3), carbonate (CO2-3) et hydroxyde (OH-). - Le TA; connaitre la quantité : ✓ Carbonates CO32-(= alcalins caustiques) ✓ Hydroxydes (OH-) (= alcalins libres) - Le TAC; connaitre la quantité : (CO2-3) + (OH-) + bicarbonates (HCO-3) (= Hydrogénocarbonates) Origine : roches carbonées, autres minéraux, CO2 atm, MO, … Importance : ✓ Effet tampon (stabilisant) du pH par HCO3- ✓ Relation avec la Dureté : sels de Ca++ et Mg++ (CaCO3, Ca(HCO3)2…..) ✓ ✓ TAC influence le caractère Agressif ou Entartrant (= incrustant) (f (pH, CE, T°C, TH)) NB: TAC est largement contrôlé concernant l’industrie de l’eau et sa distribution. ❖ En général : Dans la nature, le Contexte géologique influence la minéralisation de l’eau et donc son pouvoir agressif ou incrustant : ✓ Agressive; Fort pouvoir de dissolution des matériaux (et conduites) ✓ incrustante; Forte tendance à la formation de dépôt (et sur les conduites) ❖ Explication chimique par l’Equilibre calco-carbonique : Le caractère Agressif et Incrustant est régi par l’équilibre calco-carbonique sous forme de Dissolution/précipitation du calcaire illustrée par l’équation bilan suivante : )2 ceci signifie : Le bicarbonate de Ca Ca(HCO3)2 présente la particularité de n’existé qu’à l’état dissous; s’il précipite, c’est à l’état de carbonate de Ca (CaCO3), et sa présence (Ca(HCO3)2) dans l’eau ne peut être maintenue que s’il est équilibré par du CO2 libre. NB : Cet éql (= éql acido-basique) est maintenue par la [CO2] libre, elle-même influant sur le pH d’eau. Réponse C/C : Eau (Agr / Incr) = F ([CO2] libre) (càd la [CO2] est : en éql, en excès ou en carence. ❖ Dosage du TA et TAC (NM à partir de Rodier, 2016) : ❑ Méthode volumétrique (= acidimétrique) : Neutralisation d’un V d’ H2O par un acide dilué à N connue ( Ex : (HCl, H2SO4, …0,02 N)) en présence d’un indicateur coloré : Méthylorange (= hélianthine) ou bromocrésol (zone de virage pH 4,5; 4.3) ❑ Méthode potentiométrique (MP) : Indique le suivi du dosage (= neutralisation) d’un V d’H2O avec un Acide à N connue À l’aide de pH mètre - Dureté ou titre hydrotimétrique (TH) : ❖ Définition : La somme des teneurs des (cations métalliques alcalino- terreux) (= Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra). (= généralement Ca et Mg). ❖ Types de dureté : ▪ dureté totale ou TH = teneurs des ions Ca++ et Mg++ ▪ dureté calcique = teneurs des sels de Ca++ ▪ Dureté magnésienne : Concentration en Mg++ ▪ dureté permanente (non carbonaté) = liée aux sulfates et chlorures ▪ dureté carbonaté (temporaire) = teneurs en bicarbonates et carbonates de Ca++ et Mg++. La dureté carbonatée = dureté totale – dureté permanente ❖ Classification et teneur : Valeur de TH = f (nature terrains traversée) : - terrains calcaire dolomitique et gypseux : valeur élevée (1g/l CaCO3) - terrains cristallins métamorphique : valeurs faibles Dosage du TH : ❑ Titrimétrie par complexation à l’EDTA ❑ Spectrophotomètre à flamme Rq : dolomie roche : CaMg (CO3 )2; gypse CaSO₄ · 2 H₂O. Rq : par rapport à une eau « calcaire » (équilibrée), une eau « douce » (agressive) contribue (+/- importante) à la corrosion des parties métalliques du réseau (conduites, soudures, équipements). De ce fait, elle est susceptible de contenir des métaux toxiques ou indésirables comme le plomb, le cuivre, le cadmium, …. 53 ❑ Titrimétrie par complexation : ❖ Dureté totale TH (NM à partir de Rodier (2016)) : Dosage par l'EDTA (sel disodique) à pH = 10 (éviter la précipitation de Mg++) (= D. volumétrique) Indicateur : Noir ériochrome T (NET), spécifique au Mg++; Équivalence : virage du rouge (NET-Mg) // au bleu (NET. libre) Dureté calcique (NM à partir de Rodier (2016)) : Dosage par l’EDTA à pH > 12 (précipitation (Mg(OH)2) et son élimination par filtration Indicateurs (spécifiques au Ca++) soit : ✓ indicateur de Patton et Reeder ou Calcone : Éqvl : virage du rouge // au bleu (Ind. libre). ✓ Indicateur murexide : Eqvl : virage du rose // au violacée ❖ Dureté permanente (DP) ou non carbonatée (NM à partir de Rodier (2016)) : Dureté à déterminer après précipitation des carbonates La DP persiste après ébullition de l’eau (= sulfates et chlorures de Ca et Mg). Dosage (= titration volumétrique) : ❑ Même protocole que dureté totale (TH), précédé du traitement suivant : ✓ ▪ élimination de CO2 (provenant de HCO3) ▪ précipitation CaCO3 et MgCO3, ✓ élimination du précipité par filtration ❑ Indicateur : NET ❖ Dureté magnésienne (DMg) (NM à partir de Rodier (2016)) : Détermination de la Concentration (= teneur) en ions Mg. Dosage (= titration volumétrique) : ❑ Même protocole que dureté totale (TH), utilisant l'EDTA à pH = 10, avec : ✓ précipitation du Ca++ ssf d'oxalate de calcium (CaC2O4) ✓ élimination du précipité par filtration, ❑ Indicateur : le NET. III.7.6- Eléments minéraux (évaluation spécifique) : A- Evaluation de la teneur en ions chlorures (Cl-) : ❖ Définition : Les chlorures correspondent aux sels de chlorures solubles dans l’eau principalement : NaCl, KCI et CaCI2. ❖ Origine des Cl- : ✓ Roches des terrains salifère et des sols sédimentaires (ion très mobile) ✓ Roches silicatées et autres minéraux. ❖ Dosage des Cl- : La teneur en Cl- peut être déterminée par 3 méthodes argentimétriques; Càd qui utilisent le plus sauvent l’ion argentique Ag+. 1- Méthode gravimétrique (NM à partir de Rodier (2016)) : Détermination de la masse de Cl- après réaction de précipitation suivante : Cl- + (Ag+ NO3- - puis la masse de Cl- ⇒ déduite de la masse de AgCl et exprimée (mg/l) f (Véch) Evaluation de la teneur en nitrites (NO2-) : ❖ Origine : Nitrification autotrophe (= processus naturel) par des bactéries aérobies qui transforme la M Org (d’N Org: NH4+, …) selon les réactions suivantes (2 étapes) : NH4 - + 2H+ + 2H2O; (1) : Nitritation (= Nitrosation) / Nitrosomonas spp NO2 - - (2) : Nitratation / Nitrobacter spp ❖ Importance : Dans l’eau : Forme fugace (= transitoire), teneur généralement faible; Toxicité : NO3 - / NO2 - NB : La méthémoglobinémie est la destruction, par oxydation, de l’hémoglobine contenue dans les globules rouges du sang conduisant à l’impossibilité de fixer l’O2. ❖ Dosage des nitrites par méthode à sulfanilamide : Méthode utilisant la Spectrophotomètre d’absorption moléculaire (= Colorimétrie) Spectrophotométrie : utilise le processus d’interaction entre Matière // REM (= Rayonnements électromagnétiques) ❑ Nature physique de la lumière : dualité onde-corpuscule : Le rayonnement électromagnétique (REM) est un type d’énergie qui se propage ds l’espace ssf : ✓ D’ondes (= rayonnement électromagnétique) ou ✓ De particules (= rayonnement corpusculaire (= photons)) Le spectre électromagnétique (REM) englobe toute une gamme d’énergie, depuis l’énergie très faible (ex: ondes radio), jusqu’à l’énergie très haute (ex: rayons gamma). Il y’a 7 formes naturelles de REM : R gamma, RX, RUV, LV, RIR, µondes et ondes radio. La lumière visible (LV) est un REM qui peut être décrit de : ✓ Manière corpusculaire comme la propagation des photons ou ✓ Manière ondulatoire comme la propagation d’une onde électromagnétique NB: les REM sont caractérisés par la dualité onde / corpuscule C- Evaluation de la teneur en nitrates (NO3-) : ❖ Origine (voir nitrites) : ✓ Naturel par oxydation de la M Org ✓ Anthropique : engrais org ou/et chim azotés, Eaux usées, boues, …etc. ❖ Importance : voir nitrites ❖ Dosage des nitrates (NM à partir de Rodier, 2016) : Méthode utilisant la Spectrophotomètre d’absorption moléculaire (= Colorimétrie) Dosage du complexe paranitrosalicylate de sodium (solt. Jaune; λ = 415 nm) résultant du mélange de salicylate de sodium et des ions NO3- ❖ Détermination des teneurs : Comme les nitrites par courbe d’étalonnage. ❖ Réglementation marocaine : (NM 03.07.001) établit comme teneur maximale admissible 50 mg/L C- Evaluation de la teneur en sulfates (SO4 2- ): ❖ Origine : ❑ Naturel : ✓ Retombés atmosphériques (après oxydation de sulfure d’hydrogène (H2S)) ✓ Dissolution des minéraux sulfurés (soufre) des roches géologiques ✓ Dissolution des minéraux contenant des sulfates : la baryte (BaSO4); l’épsomite ✓ (MgSO4. 7H20) et le gypse (CaSO4. 2H20), …etc ❑ Anthropique : Engrais chimiques, produits phytosanitaires, Eaux usées, boues, …etc. ❖ Importance : Les sulfates sont moins toxiques. A forte dose donne un goût amer à l’eau. La dose létale est de 45g ssf K2SO4 ❖ Dosage (selon NM à partir de Rodier, 2016) : Méthode utilisant la Spectrophotomètre d’absorption moléculaire (= Colorimétrie) Les ions sulfates sont précipités en milieu chlorhydrique à l’état de sulfate de baryum. Ce dernier est stabilisé à l’aide d’une solution du tween 20. La solution résultante est mesurée par colorimétrie à λ = 650 nm ❖ Détermination des teneurs : Par préparation de la courbe d’étalonnage. ❖ Réglementation marocaine : (NM 03.07.001) établit comme teneur maximale admissible 400 mg/L III.7.7- Test d’oxydabilité au permanganate de potassium (= KMnO4) : ❖ Définition : Le dosage des M.Org (= M. Oxyd), des eaux douces se fait par ce test (= OPP) ou indice de permanganate (= IP). Application pour des taux M.Org où la DCO (voir cours Pr. Ouazzani) est non sensible. C’est la conc en masse d’O2, en relation avec la qtté d’ions permanganate, consommée par un éch d’H2O et exprimée en mg d’O2/L. NB : OPP permet indirectement d’évaluer la qtté de M.Org, ssf particulaire (sans filtration d’eau) ou dissoute, dans l’H2O. ❖ Principe chimique du dosage : Le KMnO4 est utilisé comme oxydant (comme K2Cr2O7 pour la DCO). La réaction a lieu en milieu acide, à froid ou à chaud, elle repose sur 3 étapes : 1- En milieu basique, oxydation de la M. Org d’H2O par un excès de KMnO4 (Solt Rose), 2- En milieu acide, ajout d’un excès de sel de mohr afin de réduire l’excès de KMnO4 n’ayant pas réagi avec la M.Org (décoloration de la Solt 1 = Solt transparente), 3- Titrage en retour de l’excès de sel de mohr (en milieu acide) par le KMnO4 donc on va voir réapparition de la coloration rose, due à l’excès de MnO4- à l’équivalence. NB : Sel de mohr = sel de sulfate de fer et d’ammonium (FeSO4 (NH4)2SO4.6H2O), PM=392g/mol ❖ Dosage par volumétrie : La réaction bilan du dosage est la suivante : MnO4 - + 8H+ + 5Fe2+ → Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O On titre en retour l'excès sel de Mohr par le KMnO4 dont MnO4 - est lui-même indicateur d’éqvl. ❖ Normes et conséquences : Selon le décret exécutif, défini par l’OMS, relatif à la qualité des eaux destinées à la consommation humaine : OPP (= IP) mesuré doit être < ou = (5 mg d’O2/L) (= valeur limite). NB : IP > 5 mg/l d’O2 indique présence de M.Org en décomposition provenant de la pollution : ✓ Soit Exogène (poll. anthropique = poll. Par l’homme); ex: contamination par EU ✓ Soit Endogène (poll. Naturelle); ex: eutrophisation C/C : Une eau riche en M.Org (IP > VL) est suspectée de contamination bactériologique ou/et de pollution chimique. En effet, M.org favorisent le développement des micro-organismes non ou/et pathogène