L’Alcalinité des Eaux

L’Alcalinité des Eaux

Sommaire

1.     Introduction……………………………………………………………….2

2.     La Qualité de l’Eau………………………………………………………3

2.1.         Le pH…………………………………………….……………………..3

2.2.         La conductivité………………………………………………………..3

2.3.         La dureté de l’eau……………………………………………………..3

2.4.         L’alcalinité des eaux………………………………………………….3

3.     Étude de l'alcalinité des eaux………………………………………….4

3.1.   Qu'est-ce que l'alcalinité et pourquoi la tester dans notre eau ? ...4

3.2.   D'où vient l'alcalinité de l'eau ?............................................................4

3.3.   L’eau alcaline……………………………………………………………4

4.     Principe de l’alcalinité des eaux………………………………………5

5.     Expérimentation…………………………………………………….……7

6.     Application…………………………………………………...……………8

7.     Conclusion……………………………………………………….……….12

Bibliographie…………………………………………….………………….12

Étude de Principe d'une Station de Traitement des Eaux (potables)

1.     Introduction

L'eau constitue est un élément essentiel pour le développement de la vie : le corps d'un être humain adulte est composé à 60 % d'eau et une consommation minimale de 1,5 litres d'eau par jour lui est nécessaire. En raison de son caractère vital, l’eau consommée doit être de bonne qualité sanitaire afin d’éviter la survenue de pathologies d’origine hydrique. Quatre siècles avant notre ère, Hippocrate attirait déjà l’attention de ses confrères sur la relation entre la qualité de l’eau consommée et l’état de santé d’une population [1].

La mise à disposition de la population d’une eau potable  de bonne qualité sanitaire constitue une préoccupation permanente des autorités sanitaires. L’action des autorités sanitaires ainsi que celle des collectivités ou de leurs délégataires dans différents domaines (fixation des exigences de qualité, recherche permettant d’améliorer les techniques de traitement des eaux, préservation des ressources en eau, etc.) font que la qualité de l’eau du robinet est globalement de bonne qualité.

Parallèlement à cette situation, les phénomènes qui contribuent à la dégradation de la qualité de l’eau et  par suite à la perturbation  de tout l’écosystème se multiplient et s’intensifient. Le rejet  des eaux usées chargées en substances polluantes, dans le milieu récepteur sans aucun traitement préalable est un motif de préoccupation croissant compte tenu des effets indésirables qu’elles peuvent engendrer sur l’environnement et sur la santé.

2.     La Qualité de l’Eau

2.1.   Le pH

Le pH mesure la concentration des ions H+ dans l'eau. Ce paramètre caractérise un grand nombre d'équilibre physico-chimique. La valeur du pH altère la croissance et la reproduction des micro-organismes existants dans une eau, la plupart des bactéries peuvent croître dans une gamme de pH comprise entre 5 et 9, l’optimum est situé entre 6,5 et 8,5, des valeurs de pH inférieures à 5 ou supérieures à 8,5 affectent la croissance et survie des micro-organismes aquatiques selon l’Organisation Mondiale de la Santé  (OMS) [2].

2.2.   La conductivité

La conductivité est la mesure de la capacité de l'eau à conduire un courant électrique. La conductivité varie en fonction de la présence d’ions, de leur concentration, de leur mobilité et de la température de l’échantillon. Elle est liée à la concentration et à la nature des substances dissoutes. En général, les sels minéraux sont de bons conducteurs par opposition à la matière organique et colloïdale, qui conduit peu [3].

2.3.   La dureté de l’eau

La dureté de l'eau, ou le titre hydrotimétrique (T.H.), est l’indicateur de la minéralisation de l’eau. Elle est surtout due aux ions calcium et magnésium. La dureté s’exprime en ppm w/v (ou mg/L) de CaCO₃ [4].

2.4.   L’alcalinité des eaux

C’est un paramètre important dans la détermination des propriétés corrosives de l'eau, provenant de la présence de carbonates, de bicarbonate, de sels dissous tels que phosphates, silicates et sels contenus dans quelques acides organiques. Il est important de tester l’alcalinité dans le traitement de l'eau potable et des eaux usées, des piscines, des chaudières et tours de refroidissement, des systèmes de nettoyage de l’industrie alimentaire, de même que dans l’environnement, l’agriculture et l’aquaculture [5].

Elle caractérise la possibilité qu'a une eau à maintenir son pH constant. Ainsi un ajout d'une petite quantité d'acide faible dans une eau pure provoque automatiquement une baisse sensible du pH.

On va s’intéresser dans la suite de notre travail, sur l’étude de l’alcalinité des eaux et son principe en citant quelques applications.

3.     Étude de l'alcalinité des eaux

3.1.   Qu'est-ce que l'alcalinité et pourquoi la tester dans notre eau ?

L'alcalinité est une mesure de la capacité de notre eau à résister à des changements du pH, qui tendrait à rendre l'eau plus acide. Le pH est une valeur donnée pour indiquer le degré d'acidité ou de basicité d'une substance. Une alcalinité équilibrée est importante pour notre eau. Au Canada, le domaine recommandé d'alcalinité est 80-120 ppm. Si les niveaux sont plus élevés ou inférieurs à ceci, il peut y avoir des problèmes de qualité de l'eau. Le niveau d'alcalinité est très souvent examiné avec le niveau de pH afin d'avoir une bonne idée de la qualité de l'eau [6].

3.2.   D'où vient l'alcalinité de l'eau ?

L'alcalinité de l'eau est due à la présence de certains ions: carbonates, bicarbonates, et hydroxydes (souvent désignés sous le nom des sels alcalins). Les bicarbonates sont la cause la plus commune de l'alcalinité et sont trouvés dans presque toutes les sources d'eau, de même que des carbonates. Des hydroxydes sont moins souvent trouvés dans l'eau mais les concentrations peuvent augmenter après certains traitements [6].

3.3.   L’eau alcaline

Une eau alcaline est capable de neutraliser une quantité d'acide et donc de maintenir son pH plus ou moins constant. On parle aussi de pouvoir tampon d'un tel milieu. Elle protège donc la vie aquatique.

Lorsqu'une eau se charge en carbonates, bicarbonates (en traversant des roches calcareuses par ex), hydroxydes, phosphates, silicates elle augmente son alcalinité.

On distingue [7] :

Alcalinité de l’eau	Domaine de l’alcalinité
Faible	< 0,5 m.éq/l
Faible à moyen	0,5 - 2,0 m.éq/l
Moyen à élevé	2,0 - 5,0 m.éq/l
Elevé	> 5,0 m.éq/l
Des valeurs supérieures à 4,0 m.éq/l sont indicatrices d'une pollution organique ou chimique

Tableau 1 : Caractéristiques et domaines d’alcalinité de l’eau

4.     Principe de l’alcalinité des eaux

La technique est basée sur le dosage des bases qui se trouvent dans une eau telle que CO₃^2-, HCO₃^- et OH^-. Elle se mesure par la neutralisation d’un certain volume d’eau par une solution diluée d’un acide minérale, le point d’équivalence étant déterminé par des indicateurs colorés.

Ces bases ne sont pas nocives pour la santé des consommateurs, mais leur limitation dans l’eau est très intéressante, par exemple, l’élévation de la température conduit à la précipitation des ions CO₃^2- et HCO₃-, ce qui gène la conduction thermique qui peut être à l’origine d’incendie.

Le CO₂ aqueux réagit avec l'eau et l'on peut représenter la réaction par la formation d'un acide : l'acide carbonique (H₂CO₃) qui lui-même réagit pour former l'ion carbonate et l'ion Hydrogénocarbonate [8] :

On a donc 3 espèces en présence issu de la dissolution du CO₂ : H₂CO₃^-, HCO₃^- et CO₃^2-.

En fonction du pH on aura des concentrations de certaines de ces espèces qui pourront être négligées.

Pour une solution très diluée on montre que pour pH>8,3 on peut négliger la concentration en CO₂ devant les autres concentrations; de même en dessous de pH=4,5, hydrogénocarbonates et carbonates ont pratiquement disparu au profit du CO₂.

Si l'on définit comme état de référence : "HCO₃^- et CO₃^2- en quantité négligeable devant CO₂", (= référence au CO₂), l'alcalinité sera la quantité de protons nécessaires pour amener l'eau à un pH tel que cette condition soit réalisée.

Pour exprimer cette quantité on envisage un bilan des protons pour arriver à cet état de référence :

Ø  Pour amener un ion CO₃^2- à l'état CO₂ il lui faut : "2 protons" soit pour l'eau considérée une quantité de H⁺ en mol.l^-1 : 2.[CO₃^2-]

Ø  Pour amener un ion HCO₃^- à l'état CO₂ il lui faut : "1 proton" soit pour l'eau considérée une quantité de H+ en mol.l^-1 : 1.[HCO₃^-]

Ø  Mais pour neutraliser HCO₃- et CO₃^2-, il faut aussi neutraliser OH- : l'alcalinité (totale pour cet état de référence) s'exprimera par : TAC=2.[CO₃^2-]+[HCO₃^-]+[OH^-].

On peut montrer que cette neutralisation se traduit lors de l'ajout d'un acide, par une brusque variation de pH.

A priori cette valeur du pH est fonction de la concentration totale initiale en espèces carbonatées (Fig. 1).

fig1: Proportion de l’espèce rapportée à la concentration en CO₂ total (ou CMT) en fonction de pH

TA : Titre Alcalimétrique permet la mesure de la teneur en Hydroxyde et en Carbonates.

TAC : Titre Alcalimétrique Complet mesure la somme des alcalins libres (OH^-), Carbonates et Bicarbonates.

Pour le TA l'état de référence est la prédominance des hydrogénocarbonates.

Pour des valeurs de l'ordre de la dizaine mmol.l^-1 au maximum, le pH de   neutralisation est de l'ordre de 4,5 (pour le TAC, pour le TA il est de l'ordre de 8,3).

5.     Expérimentation

L’alcalinité d’une eau est essentiellement due aux ions carbonate CO₃^2- et hydrogénocarbonate HCO₃^– (anciennement appelés ions bicarbonate). L’ion carbonate CO₃^2- est la base conjuguée de l’ion hydrogénocarbonate HCO₃^– et l’ion hydrogénocarbonate HCO₃^– est la base conjuguée du dioxyde de carbone CO₂ dissous dans l'eau ; ces deux ions peuvent donc réagir avec les ions oxonium H₃O⁺ : ainsi, l’alcalinité d'une eau peut se mesurer à partir d’un titrage réalisé avec une solution d’acide chlorhydrique et s’exprime par les titres alcalimétriques [9].

Par convention :

v  le Titre Alcalimétrique T.A. d’une eau correspond au volume, en mL, de solution d’acide chlorhydrique de concentration 0,020 mol.L ^–1 nécessaire pour doser 100 mL d'eau en présence de phénolphtaléine comme indicateur de fin de réaction.

v  le Titre Alcalimétrique Complet T.A.C. d’une eau correspond au volume, en mL, de solution d’acide chlorhydrique de concentration 0,020 mol.L ^–1 nécessaire pour doser 100mL d'eau en présence de vert de bromocrésol (ou phénolphtaléine) comme indicateur de fin de réaction

Le titre alcalimétrique rend compte de la concentration d'une eau en ion carbonate CO₃^{2 -} ; le titre alcalimétrique complet rend compte de la concentration d'une eau en ions carbonate CO₃^2- et en ions hydrogénocarbonate HCO₃^-.

_  Pour calculer ces deux paramètres :

TA= TAC= V x N x 1000/v (mmol/l)

V : volume de titrage (HCl)

N : normalité de HCl (0,1 N)

v : volume de la prise d’essai.

Le résultat est exprimé en degré français (°F).

Remarque : 

                   1 méq/l = 5 °F               TA & TAC < 50

6.     Application

ETUDE D’UNE EAU MINERALE [10]

Les étiquettes portées par les bouteilles d’eaux minérales indiquent la nature des ions présents, leur concentration massique et le pH de l’eau. L’étiquette correspondant à l’eau minérale étudiée est donnée ci-dessous :

Tableau 2 : Minéralisation caractéristique en mg/L : Eau sulfatée calcique et magnésienne

Calcium : 467	Magnésium : 84	Sodium : 7	Potassium : 3
Sulfate : 1192	Hydrogénocarbonate : 377		Chlorure : 7

On veut vérifier au cours des expériences l’indication de l’étiquette concernant la concentration massique en ions hydrogénocarbonates HCO₃^- (appelés parfois ions bicarbonate et connus pour faciliter la digestion).

Pour cela on réalise un dosage de l’eau minérale par une solution d’acide chlorhydrique S de concentration C égale à 0,10 mol.L^-1.

Données : Les ions hydrogénocarbonates interviennent dans les couples acide-base suivants :

H₂O, CO₂ / HCO₃^-

HCO₃^- / CO₃^2-

Þ         Matériel à disposition :

v  Pipettes jaugées de 10 mL, 20 mL et 50 mL ;

v  Burette graduée de 25 mL ;                                                   

v  Fioles jaugées de 50 mL, 100 mL et 250 mL ;

v  Béchers de 50 mL, 100 mL et 250 mL ;

v  éprouvette graduée de 25 mL et 100 mL ;                                                                  

v  Tubes à essais dans un porte-tubes ;

v  pH-mètre ;

v  Solutions tampons de pH = 4,0 ; pH = 7 ; pH = 9,0 ;

v  Agitateur magnétique et barreau aimanté.

Þ         Solutions à disposition :

v  Eau minérale à analyser

v  Solution d’acide chlorhydrique à 0,50 mol.L^-1

v  Solution de nitrate d’argent 0,10 mol.L^-1

v  Solution de chlorure de baryum 0,10 mol.L^-1

v  Solution d’oxalate d’ammonium 0,10 mol.L^-1

v  Solution de sulfate de cuivre 0,10 mol.L^-1

v  Les indicateurs colorés suivants :

Indicateur	Teinte	Zone de virage	Teinte
Hélianthine	rouge	3,1 - 4,4	jaune
Rouge de méthyle	rouge	4,2 - 6,2	jaune
Bleu de bromothymol	jaune	6,0 - 7,6	bleu
Rouge de crésol	jaune	7,2 - 8,8	rouge
Phénolphtaléine	incolore	8,2 - 10,0	rose

Tableau 3 : Quelques indicateurs colorés utilisés dans l’alcalinité

Þ         Préparation de la solution d’acide chlorhydrique S

La solution est 5 fois plus diluée donc on prélève 20 cm³ de la solution d’acide chlorhydrique disponible à l’aide d’une pipette jaugée de 20 cm³.

On les place dans une fiole jaugée de 100 cm³ contenant déjà de l’eau distillée. On agite.

On complète jusqu’au trait de jauge avec l’eau distillée et on termine en agitant de nouveau.

Þ        

évolution du pH d’une solution de carbonate de sodium en fonction du volume d’acide chlorhydrique versé

 

D’après l’étiquette, le pH de l’eau minérale est de 7,3. Or ce pH est compris dans l’intervalle défini par les deux pKa d’où l’espèce prédominante est HCO₃^-.

 La zone de virage de l’indicateur coloré doit contenir le pH à l’équivalence.

Lors de la deuxième équivalence, correspondant au dosage des ions HCO₃^-, le pH est d’environ 4. C’est donc l’hélianthine qui est l’indicateur le plus approprié.

Þ         Détermination de la concentration des ions hydrogénocarbonate dans l’eau minérale

Fig. 2 : Montage utilisé pour la détermination de la concentration des ions hydrogénocarbonates dans l’eau minérale

HCO₃^-  +  H₃O⁺       ®      CO₂  +   2 H₂O

Le virage de l’indicateur coloré a lieu lorsqu’on a versé un volume Véq = 6,1 cm³ de la solution S (prise d’essaie).

A l’équivalence, la quantité d’ions H₃O⁺ versée est égale à la quantité d’ions HCO₃^- présents :

n (H₃O⁺)  =  n (HCO₃^-)

D’où                                          [ HCO₃^- ] =  C x Véq / V

  = 0,10 x 6,1 / 100  =  6,1 x 10^-3 mol.L^-1

La  concentration massique est : 6,1 x 10^-3 x (1+12+3*16) = 370 mg.L^-1

â  Ce qui est voisin de l’indication portée sur l’étiquette 377 mg.L^-1.

7.     Conclusion

L’alcalinité joue un rôle très important dans le traitement, la potabilité et la qualité des eaux d’où elle est capable de maintenir le pH de l’eau plus ou moins constant en neutralisant la quantité d'acide contenant dans l’eau.

Les normes de potabilité ont pour but d'éviter tout risque sanitaire. Maintenant pour que l'eau soit entièrement bénéfique pour la santé humain, y compris pour une femme enceinte, pour la préparation du biberon d'un nourrisson, pour celles et ceux qui sont malades, souffrent de problème rénal, de décalcification, ainsi pour que les personnes âgées ; alors l'eau devrait posséder les caractéristiques d'une eau pure, qui est d'une plus haute qualité que celle de l'eau potable.

En tout cas, il faut faire des études approfondies dans le traitement et l’alcalinité des eaux, afin d’éviter ou au moins réduire la pollution d’eau et les impacts sur la santé publique et l’environnement.

Bibliographie

[1].       La qualité de l’eau potable en France: Aspects sanitaires et réglementaires_ Ministère de la Santé et des Solidarités - Direction générale de la santé _ p. 2 _ 7 septembre 2005.

[2].       R. SALGHI _ DIFFERENTS FILIERES DE TRAITEMENT DES EAUX _ p. 8

[3].       CENTRE D’EXPERTISE EN ANALYSE ENVIRONNEMENTALE DU QUÉBEC, Lignes directrices concernant l’application des contrôles de la qualité en chimie, DR-12-SCA-01, Ministère de l’Environnement du Québec, Édition courante.

[4].       http://fr.wikipedia.org/wiki/Duret%C3%A9_de_l'eau

[5].       AMERICAN PUBLIC HEALTH ASSOCIATION, AMERICAN WATER WORKS ASSOCIATION AND WATER POLLUTION  CONTROL FEDERATION, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 2320 Alkalinity, 2320 B. Titration method, 21st Edition, 2005

[6].       http://www.safewater.org/PDFS/owdfrenchhighschool/analyse-de-lalcalinite.pdf

[7].       http://users.swing.be/chapp/p-alca.htm

[8].       http://pagesperso-orange.fr/bernard.pironin/aquatech/alcalinite.htm#co2

[9].        http://www.lyc-international.ac-versailles.fr/IMG/pdf/dosage_hydrogenocarbonate.pdf

[10].   www.cndp.fr/secondaire/phychim/dossiers/exophys/exobacTS96-97/source/eau_min.doc -