Crôute terrestre et sols

M1 Chimie des eaux et des sols
Cours 1 / 2: Qualité des eaux chargées en MO
1) Illustration: Interdépendance entre réservoirs, transferts, processus
chimique et toxicité: Cas du mercure
2) Oxygène et eau:
Solubilité,
O2 et substances nuisibles dans les lacs, dans les rivières
Eutrophisation: Processus et indicateurs chimiques
DBO, DCO, COT
Fonctionnement d’une station d’épuration
3) Réactivité de la matière organique
Particules et tailles
Groupes fonctionnelles de la MO, et molécules modèles
Acid et bases fortes & faibles,
floculation de la MO
Transfer et Réservoirs
P1-T2: Exemple: Cycle du mercure
P1-T3: Bioaccumulation
P1-T4: Illustration: Orpaillage au mercure
P1-T5: Resumé
P1-T6: Mots-clefs & concepts
La toxicité du mercure dépend :
> de l’état de valence
> de sa mobilité , sa volatilité , sa solubilité , sa tendance à l’adsorption ?
> de sa bioassimilabilité (tendance à la bioaccumulation ),
>> donc de sa SPECIATION
Les conditions physiques et chimiques conditionnent la présence du mercure dans les
réservoirs.
On retient pour l’instant:
* L’influence du potentiel oxydoreducteur (oxygénation de l’eau).
* Le potentiel d’immobilisation des sulfures :
>> sulfures (S-I, S-II EXTREMEMENT INSOLUBLE (Pyrite FeIIS-II, Galène PbS…)
>> Sulfates SVIO4-2 TRES SOLUBLE (constituant majeur des eaux potables)…
* Le potentiel de transfer par voie solide (retention sur particules mobiles > colloïdes)
* Le potentiel de transfer par voie gazeux (Hg°)
* Le potentiel de mobilité sous forme dissoute.
P1-T7 Milieux lacustres:
Dynamique de la colonne d’eau
P1-T8: Genèse des Varves
P1-T9: Extractions séléctives Fe(III), Fe(II), AVS
#1 >
Selective extraction leads to
differentiation of:
AVS
#2 >
CRS
Chrom reducible sulfides
(Pyrite, Marcasite, other FeS2
minerals
1904
#3 >
1885
#4 >
#5 >
#6 >
 non sulfide Fe(II)
non sulfide Fe(II)
CaxFe1-xCO3
#7 >
#8 >
#9 >
Acide volatile sulfides
(Mackinawite, X-ray am. Fe1-xS)
Fe(III)
Fe(III) (presumably bond as
oxides
P1-T10: Les AVS - indicateurs climatiques
Comparison of three years moving
averages of AVS and CRS (Pyrite)
concentrations with the yearly
temperature from the Bern
meteorological station.
Failing AVS-temperature correlation
after ~1980 relates to lake aeration
starting in 1982.
P1-T11: Exercice
Commentez ces profils verticaux
de substances dissoutes et de la
température dans une colonne
d’eau d’un lac!
P1-T12: On retient…
… La dynamique des systèmes naturels
Pour les lacs:
* Cyclicité annuelle de l’oxygénation des milieux lacustres
* L’enregistrement sédimentaire fonction de l’oxygènation
* L’enregistrement sédimentaire fonction du climat
* Le rôle essentiel des sulfures de Fer amorphe: Ces substances insolubles ‘piègent’ le
fer dissous dans les conditions reductrices (exemptes d’oxygène).
* Fe ‘sensible’ au redox: Fe(II) soluble, Fe(III) insoluble.
* N ‘sensible’ au redox: N+V (Nitrate NO3-) versus N°2(g) versus N+III (NO2- Nitrites) versus
N-III (Ammonique NH3 ou ammonium NH4+)
* P sensible au redox: P+V (Phosphate PO43-) versus « phosphore organique »
* S sensible au redox: Sulfures S-II , S-I (Acide sulfhydrique H2S toxique, Pyrite FeS2)
versus états plus oxydés, notemment ion SVI (ion sulfate SO42- soluble)
Deux petits exercices:
1) Donnez la formule d’un oxyde de Fer
2) Des sédiments de fonds de lacs peuvent rapidement devenir rouge une fois qu’ils
sont exposés à l’air. Pourquoi ? (idem eaux de nappes, eaux de fond de lacs…)
P1-T13: Cyclicité de l’oxygénation journalière et annuelle dans la Loire
Cas de la Loire : rivière eutrophe
(D’après Moatar, 1997)
(O2h-O2moy)/(O2max-O2min)
Pourquoi ?
heure
Cycle saisonnier
Cycle journalier
P1-T14: Dissolution d’un gaz dans l’eau
 A l’équilibre…
Loi de Henry
ex : de l’Oxygène
O2 [aq] = KH x PO2
O2 [aq] : M
KH : cste de Henry (M atm-1)
PO2 : pression partielle en oxygène
en atm
Constante de Henry (25°C)
Gaz
KH (M atm-1) * 10-3
CO2
33.8
N2
0.642
O2
1.27
 En déséquilibre…
Sur-saturation > 100 % de saturation (02 produit par photosynthèse)
Sous-saturation < 100 % de saturation (02 consommé par respiration)
P1-T15: Effet de la température
La solubilité de l’oxygène diminue quand la température augmente!
Gaz
pression partielle
0°C
10°C
20°C
30°C
unité
O2
0.21 atm
14.58
11.27
9.08
7.53
mg/L
N2
0.78 atm
22.46
17.63
14.51
12.40
mg/L
CO2
0.0003 atm
1.00
0.70
0.51
0.38
mg/L
P1-T16: Effet de la pression
La solubilité de l’oxygène diminue quand la pression augmente!
P1-T17: Exercice
N°1
Calculer la solubilité de l’oxygène de l’air dans le lac du Luitel (tourbière alpine située à 1250
m, à voir en allant skier à Chamrousse). On prendra une température de l’eau de 10°C. Sur
le terrain on y mesure une concentration de l’ordre de 4 mg/L. Calculer le % de saturation.
Données : >Tableau du cours ; masse molaire de O = 16 g/mol ; 1 atm = 1000 hPa
N°2 (facultatif)
Sur la base de la composition de l’atmosphère terrestre suivantes :
0.03% de CO2, 21% de O2 et 78% deN2
Calculer les quantités globales en moles de ces molécules?
La surface de la terre est soumise à une pression de 1 atm (105 Pa). La composition de la
masse de l’atmosphère en mol/cm2 résulte du poids moléculaire de l’air (4 volumes de N2
pour 1 volume de O2) égal à 29 g/mol.
Surface terrestre : 5,1.1014 m2
N°3 (facultatif)
L’atmosphère contient 0.2% de vapeur d’eau (en masse). S’il pleut en moyenne 100 cm par
an, quel est le temps de séjour de l’eau dans l’atmosphère?
Partie 2: Photosynthèse, Respiration, Eutrophisation, Demande
d’oxygène, Base d’une STEP
Formule simplifiée:CO2 + H2O
Energie
lumineuse
CH2O + O2
O2
Respiration
Photosynthèse
production de matière
organique
N, P
(algues, plantes)
Formule de Redfield:
CO2
106 CO2 +16 NO3- + 1HPO4- +122 H2O + 18H+
utilisation et
dégradation de la
matière organique
(animaux, bactéries,
champignons)
énergie
C106 H263 O110 N16 P1 + 138 O2
Composition élémentaire moyenne d’une algue = (Redfield Ratio, 1958)
P2-T2: C, N et P : composés essentiels du vivants
 Carbone
•
Molécule organique (CH2On)
 Azote
•
•
•
Acides aminés
Protéines
Acides Nucléiques (ARN, ADN)
 Phosphore
•
•
•
•
Transfert d’énergie (ATP)
Acides nucléiques (ARN, ADN)
Phospholipides (membranes cellulaires)
Enzymes
P2-T3: L’eutrophisation en lac et rivière
Processus :
1) Apport nutritifs (N et P) par les activités humaines
(agriculture, rejets de STEP)
2) Développement massif d’algues en période chaude et
ensoleillée
3) Dégradation bactérienne de la biomasse algale
entraînant une consommation d’oxygène
Bloom algal en rivière
Développement de
macrophytes en rivière
P2-T4: L’eutrophisation: Conséquences écologiques
Impacts :
1) Colmatage des pompages des usines de
production d’eau potable
2) Problème du goût de l’eau et de turbidité
3) Impacts sur les activités récréatives (baignade…)
4) Désoxygnation importante entraînant des mortalités
piscicoles ou des déséquilibres écologiques
Lac hypereutrophe
P2-T5: Eutrophisation des estuaires
P2-T6: Sources anthropiques du phosphore
1) Sources ponctuelles ou
domestiques

Rejets de station d’épuration

Rejets industriels
Sous forme dissoute
2) Sources diffuses

Ruissellement sur les terres
agricoles, drainage, élevage
Sous forme particulaire
P2-T7: Indicateurs physico-chimiques d’eutrophisation
Paramètre
[mg/l]
Normale
Pollution
modérée
Pollution
nette
Pollution
importante
Pollution
catastroph.
NH4+
< 0.1
0.1 – 0.5
0.5-2
2-8
>8
NO3-
<5
5 –25
25-50
50-80
> 80
NO2-
< 0.1
0.1- 0.3
0.3-1
1-2
>2
NTK
<1
1–2
2-3
3-10
> 10
PO43-
< 0.2
0.2 – 0.5
0.5-1
1-2
>2
P total
< 0.1
0.1 – 0.3
0.3-0.6
0.6-1
>1
Chloroph. mg/m3]
< 10
10 - 60
60-120
120-300
> 300
Autotrophie/hétérotrophie du cycle de l’azote
Dénitrification (respiration nitrate)
NO2NH4+
assimilation
Fixation (cyanobac.)
nitrification
N organique
(protéine, ac.
aminés …)
NH4+, NO3-, NO2- : Formes minérales dissoutes
N2 : forme gazeuse
N organique : forme assimilé dans le vivant
NO3-
ammonification
N2
Assimilation réductive
EVOLUTION DES NITRATES DANS LES RIVIERES
DU MONDE
Thames
Seine
Rhine
Danube
Mississippi
Meybeck, 2003
Depuis les 1960 les
nitrates ont augmenté
dans la majorité des
grands fleuves.
Les valeurs maximums
sont observées dans les
petits bassins exposés à
l’utilisation intensive de
fertilisants
P2-T8: Cycle du phosphore dans les milieux aquatiques
P2-T9: Restauration des plans et cours d’eau
Restauration de rivières
Restauration de lacs CH
Restauration du Lac Léman
P2-T9b:
STEP: Données Aquapol & Fontanil
Mesures en chromatographie ionique (mg/L)
Entrée Aquapole
Sortie Aquapole
Fluorure
0,67
Nitrate
2,5
Fluorure
0,22
Nitrate
0,50
Chlorure
49,7
Phosphate
4,5
Chlorure
50,7
Phosphate
4,36
Bromure
1,8
Sulfate
57,4
Bromure
2,05
Sulfate
52,7
Sortie Fontanil
Entrée Fontanil
Fluorure
0,179
Phosphate
15,8
Fluorure
0,20
Nitrate
0,25
Chlorure
118,2
Sulfate
31,7
Chlorure
89,8
Phosphate
17,0
Bromure
3,3
Sulfate
64,8
Isère
Nappe de l’Isère proche Goncelin
Fluorure
0,34
Nitrate
3,9
Fluorure
0,56
Nitrate
2,58
Chlorure
17,1
Sulfate
286,2
Chlorure
8,89
Sulfate
94,9
Bromure
1,23
Bromure
2,932
Eau de source
Fluorure
1,20
Bromure
2,33
Chlorure
47,6
Sulfate
79,6
Interprétation des données ?
P2-T10: DBO
DBO: Quantité d’oxygène nécessaire à l’oxydation de la fraction biodégradable de la MO
Exemple: CH2O + O2 => CO2 + H2O
> Il faut une molécule O2 pour dégrader une molécule de CH2O
* Oxydation assurée par les souches bactériennes
* Durée longue: On mesure la DBO5
> côut, réactions de nitrification
Equation DBO: Oxygène présent
en quantité illimité, matière
organique limitée
* Thermostaté, 20 °C, absence lumière.
DBO5
P2-T11: DBO: Particularités:
Méthode ‘non exacte’ car dépendent de
- Eventuelle présence de toxine
-Temps d’acclimatation des bactéries
au substrat
> Ensemencement
> Composition de la MO
- pH (Activités enzymatique) > ajout tampon
- Estimation DBO à partir de DBO5 incertaine
P2-T12: DCO, DIO, COT
DCO:
Demande Chimique en Oxygène
DIO:
Demande immédiate en oxygène
COT:
mesure du carbone organique total
P2-T13: Valeurs
Exercices:
1) Comparez ces valeurs
à la solubilité de
l’oxygène dans l’eau
Conclusions ?
2) Sur ce constat proposé
un protocol expérimental
permettant la mesure de
la DBO5
P2-T14: Exercice Demande Théorique en Oxygène
Une eau usée d’une usine chimique contient 50 mg/l d’acide
acétique CH3COOH et 100 mg/l de NaCl. Quel est la demande
théorique en oxygène ?
P2-T15: La station d’épuration
P2-T16: Etapes de Traitement et Efficacité
P3-T1: Particules et Macromolécules
Colonne de Tamis:
principe
sur agitateur
Classification granulométrique des
constituants des sols.
d = diamètre des grains
a) Gravier de rivière, b) gravier d’entrée de plan d’eau, c) sable
marin côtier, d) sable fluviatile, e) loess, f) argiles à blocaux
Vérifier les caractéristiques du sable de plage vs.
celles du loess
Cailloux
d > 2 cm
Graviers
2 mm < d < 2 cm
Gros sables 0.2 mm < d < 2 mm
Sables fins
0.02 mm < d < 0.2 mm
Limons
2 m < d < 20 m
Argiles
d < 2 m
P3-T2: Echelles du monde petit…
Taille de filtres (ou tamis > sols) ‘standards’ en expérimentation:
Eaux (Naturelles et Potables). diamètre des pores: 0.45 m
Sols: a) Séparation des éléments grossiers: : tamis 2 mm
b)Séparation des fines 63 m
P3-T3: Techniques de séparation
Rayon ionique des atomes:
Roxygène = 1.4 Å ~10-10 m
P3-T6: Exemples de colloïdes :
Substrats microbiens et organisation
Pseudomonas putida ATCC12633
Thèse Muris Myriam, ENTPE Lyon, 2004
P3-T7: Structure d’une paroi bactérienne gram-négative (Escherichia. coli K12DH5a)
Exemples de réactions métalliques:
COO- + Cd2+  COOCd+
PO- + Cd2+  POCd+
Glc
N-acetyl-glucosamine
CH2OH
O
OH
Glc
Glc
Outer core
CH2OH
O
O
OH
Gal
N-acetyl-muramic acid
O
NH O
NH
CH3 O
O
NH
H3C
Hep
GN
O O
Core
region
Kdo Kdo
O
OPO3
GN
O
O
Lipid A
NH
Lipid A
Inner core
Hep
O
-
O
O
O
HO
O
NH
HO
O
O
O
HO
O
O
NH
OPO3-
L-Alanine
O O
OH
D-Glutamic acid
NH
meso-diaminopimelic acid
O
NH
NH O
OH
D-Alanine
O
HO
Glc
Guiné et al., ES&T, submitted
OPO3
NH3
Surface réactive faible
P3-T7b: Dégradation matière organique
Sites Carboxyls majoritaires
≡R-COOH
 ≡R-COO- + H+ pK~3 à 5
+2
≡R-COO + Me  ≡R-COOMe+
Sites phénoliques majoritaires
≡Phenol-OH
 ≡Phenol-O- + H+ pK~8 à 11
≡Phenol- + Me+2  ≡Phenol-OMe+
Surface réactive croissante
Sites Phosphates minoritaires
≡R-POH
 ≡R-PO- + H+ pK~7
≡R-PO- + Me+2  ≡R-POMe+
Sites Amines minoritaires
≡R-NH3+  ≡R-NH2 + H+ pK~10
≡R2-NH2+  ≡R2-NH + H+ pK~10
≡R3-NH+  ≡R3-N + H+ pK~12
≡R-NH2 + Me+2  ≡R-NH2Me+2 ; etc.
Macromolécules tridimensionnelles: Acide humiques &
fulviques: Surface réactive très élevée (~3 mmol sites / gMS )
P3-T8: Macromolécules:
Exemple Acides Humiques
« Bioasse dégradée »:
Faible taux d’azote.
Exemples de réactions métalliques:
COO- + Cd2+  COOCd+
Ligands organiques prépondérants dans
les eaux superficiels: Exemple de la
distribution du carbon organique dissous
dans une eau de rivière d'une DOC de 5
mg/l.
P3-T8a: Réactions acid-base des groupes fonctionnels organiques
Réactions acid-base de substrats organiques
Conceptualisation:
O -1
C
+ H+ 
O
H
N
N
Carboxyls:
Amines:
Phosphates:
H
H
+ H+ 
+
N-H2+
O
-2
O – P -- O
O
H
+ H+ 
+ H+ 
O
C
OH
H
N-H
O
-1
O – P -- OH
O
COO- + H+  COOH logK ~ 2 à 4.7
N + H+  NH+
logK ~ > 8
PO- + H+  POH
logK ~ 5.5 à 8
P3-T8b: Acides et bases fortes
 produitsi
K = --------------- ;
 réactifsi
Acides forts:
Acide Chlorhydrique: HCl  H+ + Cl- ; K = (H+) (Cl-) / (HCl) = 103 -> pK = -3
i le coef. stoichiom.
Cl- le ion chlorure
Acide Sulfurique: I: H2SO4  HSO4- + H+ ; K = (HSO4-)(H+)/(H2SO4) = 103 -> pK = -3
II: HSO4-  SO4-2 + H+ ; K = (SO4-2)(H+)/(HSO4-) = 10-1.9 -> pK = 1.9
HNO3  H+ + NO3- ; K = (H+)(NO3-)/(HNO3) = 10-1 -> pK = 1
Acide Nitrique:
SO4-2 le ion sulfate
NO3- le ion nitrate
Bases fortes:
H2O  OH- + H+ ; K = (H+) (OH-) = 10-14 ; pK = 14
HS-  S-2 + H+ K = (S-2) (H+) / (HS-)= 10-14 ; pK = 14
Si(OH)4  SiO(OH)3- + H+
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Cl-
HNO3
H2O
Fourchette pH des
eaux naturelles
NO3-
conc. %
HCl
S3-T21: Acides et Bases faibles
; K = (SiO(OH)3-) (H+) / (Si(OH)4) = 10-9.5 ; pK = 9.5
OH-
ions dominants:
NO3-, Cl-, H2O,
SO4-2, Si(OH)4°
-5
-4
-3
-2
pH = pK
-1
0
1
2
pH = pK
3
4
5
6
7
pH
Acide Fort: pK > 4 Acide faible: 4 <= pK <=
8
9
10
11
12
13
14 15
pH = pK
9: Base forte pK > 9
P3-T8b2: Acides et Bases faibles
Acides et Bases organiques prépondérantes:
R-COOH  H+ + R-COO- pK ~ 2 à 5
groupes fonctionnels Carboxyls
Exemples: acide acetique CH3COOH, oxalate HOOC-COOH, Protéines…
OPO2OH   OPO3- + H+ pK ~ 5 à 7.5 groupes phosphates :
Exemples: Acide phosphorique (H2PO4-  HPO4-2 + H+), phosphomonoester, …
NH3+   NH2 + H+ pK ~ 8 à 10 Amines
NH4+  NH3 + H+ pK = 9.3 ion ammonium  Exemple: ammoniaque, Acides aminés, protéines
100
CH3COO-
90
80
CH3COOH
% conc.
70
60
pK = pH = 4.7
50
Exemple acide acétique.
40
30
20 pH = 3.7
pH = 5.7
10
0
2
4
6
8
pH
10
12
P3-T8c: Courbe de Titrage des Acides Humiques et Fulviques
P3-T9c2: L’ion hydrogénocarbonate
L’ion hydrogénocarbonate
Le ion HCO3- (ion hydrogénocarbonate, également nommé bicarbonate) est le seul
ion majeur qui a la propriété d’un acide faible (eaux oxiques). C’est donc le seul
composé majeur qui réagit à l’état dissout avec les protons dans la fourchette des
pH ‘environnementaux’.
H2CO3  HCO3- + H+ ; pK 6.3
Une eau riche en HCO3- est donc naturellement
protégée d’une pluie acide par transformation
progressive des ions HCO3- en ions H2CO3.
100
H2CO3
90
Une définition spécifique est donc liée à la
présence de ce ion:
L’alcalinité exprime la capacité
neutralisante d’une eau relatif à l’ajout
d’acides forts. Cette capacité correspond
(sauf exception) à la concentration des ions
HCO3- présents.
Par ailleurs, il s’agit d’un diacide libérant son
deuxième proton à pH 10:
HCO3-  CO3-2 + H+ ; pK 10
% C-tot (C-tot = 1 mmol/l)
HCO3-
CO3 2-
80
70
60
50
pK = pH = 6.3
40
pK = pH = 10.0
30
20
10
0
2
4
6
8
pH
10
12
P3-T8d: Exercice acid-base
Toxicité de l’ammoniac
Dans les recherches de toxicité sur les poissons on a déterminé
que la présence de 0.1 mg de NH3 par litre (sous forme N) durant
une heure conduit à l’empoisonnement des poissons.
Quelle est la valeur de pH maximum tolérable pour une eau
contenant 2 mg/L d’ions ammonium (sous forme N) jusqu’à
laquelle il n’est pas observé d’empoisonnement?
NH4+ = NH3 + H+, pK=9.2
P3-T9: La charge de la biomasse organique
Conclusion Redfield: Rapports élémentaires: C >> N >> P
* C dominant forme des « groupes fonctionnels » Carboxyls :
COOH
  COO- + H
+
(pK 3 à 4.7: négativement chargé à pH ambiant)
* N minoritaire fome des groupes fonctionnels Amines  NH3+ :
NH3+
 NH + H
2
+
(pK 8 à 11: positivement chargé à pH ambiant)
Charge globale des biocolloïdes:
Charge Q = [ COO- ] – [NH3+] < 0 : Charge NEGATIVE
Exemple
Charge élémentaire d’un colloïde organique: -6 + 2
-4
Nota:
 Signifie ‘attachement à une structure moléculaire
P3-T10: Principe de la Floculation et Coagulation
Principe: Association de particules individuels en flocs
> sédimentation accélérée (souhaitée en station d’épuration).
Forces électrostatiques: Répulsives
Champ d’action à longue distance
Colloïde à charge
négative
K
Forces Van-der-Waals: Attractives
Champ d’action à courte distance
Limite de la double couche
(contient 90% des contreions)
Répulsion
Ca
Na
Le RAPPROCHEMENT des particules permet leur coagulation. Plusieurs possibilités…
1) Neutralisation des charges négatives – adsorption spécifique de cations multivalents
2) Piégeage sur précipités positivement chargés – ajouter Al(OH)3 ou Fe(OH)3
3) Compression de la double couche - augmenter force ionique
4) Pontage des colloïdes - ajouter des polymères naturels ou synthétiques
P3-T11: Neutralisation des charges par
Adsorption Spécifique(=en sphère interne)
O -1
C
O
O
C
COO- + Al+3  COOAl+2 ;
Al
O
LogK
O -1
C
>> Neutralisation de la charge négative
>> Problème de surtitrage (inversement de charge)
+2
O
P3-T12: Compression de la double couche
Force ionique faible
> Importante épaisseur de la double couche
> Pas de rapprochement des colloïdes
Force ionique élevée
> Faible épaisseur de la double couche
> Rapprochement > floculation
Fond ionique
Charges
colloïdales, et
contre charges
longue - Distance entre particules - courte
Limite de la
double couche
(contient 90%
des contre ions)
P3-T13: Adsorption sur précipités et polymères Al(III) et Fe(III)
Polymères Al(OH)x et Fe(OH)x
métastables - positivement
chargés. Particulièrement
efficace pour élimination des
colloïdes.
Précipitation des hydroxides
Al(OH)3(s) et Fe(OH)3(s)
positivement chargés –
adsorption et entraînement des
colloïdes.
P3-T14: Pontage des Colloïdes
Efficace à faible dose de floculant ajoutée - Côut important
P3-T15: Resumé et concentrations d'adjuvents comparées
Changement de Force ionique:
D'autant plus efficace que le
cation est chargé
Adsorption Spécifique:
Optimum de dosage à
rechercher:
Précipitation à [Altot] élevée:
P3-T16: Question:
1) Qu’est-ce qui est plus réactif: Un kg de sable ou un kg de biomasse ?
Quel est le paramètre essentiel qui entre en jeux ?
2) Comment éliminer (a) le sable et (b) la matière organique d’une
eau usée ?
P3-T17: Formation d'un gel
Particules hydrophiles avec charges permanentes
> large nuage de contre ions
> Stabilisation" des contre ions par liaisons hydrogènes,
Van der Waals et/ou covalentes.
Gel: Formé par eau emprisonnée entre colloïdes.
> dépend sensiblement de T (mouvements thermique)
> Important volume d’eau enfermé - jusqu’à 100 fois
le volume du colloïde.
> Gélatine: ponts d'hydrogène
> Gel de silice : liaisons covalentes : plus stable
am.Fe(OH)3 : bon pour formation de gels
>> Boues des stations d'épurations
>> Épaississement des boues.
P3-T18: Loi de Stokes
* Séparation de particules < 20 m par tamisage (sèche ou humide) impossible.
* Alternative: Sédimentation par voie aqueuse: La vitesse de ‘chute’ (ou montée)
dans un champs gravitaire est d’autant plus importante que la particule est grande, et
que sa densité est différente de celle de l’eau.
* Illustration: Nous observons tous que les bulles d’air dans une eau gazeuse (de
boisson en exemple) monte d’autant moins rapidement qu’elles sont petite.
vP = g (P - W) d2 / (18)
vP vitesse de chute (ou de montée) de la particule en cm / s.
g: accélération de la pesanteur: 981 cm/s2.
P = masse volumique de la particule. ‘Standard’ = 2.7 g / cm3.
W = masse volumique de l’eau : ~ 1 g / cm3
d = diamètre de la particule [cm]
: viscosité dynamique de l’eau: 0.01 g cm-1 s-1 (à 20 °C).
Masse volumique sèche ‘standard’ (i.e. communément utilisé dans les calculs): 2.7 g / cm3
Ce ‘standard’ s’explique par la même densité du Quartz et de la Calcite, sauf exception
composés minérales majoritaires des sols. Or de nombreux constituants sont
> moins denses (matière organique: 1.5 à 2.5 g/cm3 ), ou
> plus dense (sulfures de Fer, minéraux contenant du plomb… ~ 3 à 5 g/cm3.).
P3-T19: Exercices
1)
Votre opinion sur la taille standard des filtres utilisés en laboratoire ?
2)
Vous dimensionnez un bassin de sédimentation dans une carrière à ciel ouvert
(mines d’or en milieu alluvionnaire guyanais par exemple. Les fines sont exportés par
voie aqueuse vers les rivières. Pour ne pas trop charger les rivières avec des fines
vous prévoyez de faire sédimenter les particules > 10 m dans un bassin de
sédimentation. Le flux des eaux chargées en particules entrant dans (et sortant du)
bassin est de 0.1 m3 / s. Pour des raisons techniques la profondeur du bassin est
fixée à 2 m, sa largeur est de 10 m. Dimensionnez le bassin (i.e. calculez sa
longueur).
3)
La charge de mercure dissout dans les rivières de la Guyane Française est de 2 ng/l.
La concentration des MES (= matière en suspension) est de 20 mg/l et on sait que
sur les MES il y a environ 1 ppm de Hg fortement fixé.
a) Sous quelle forme (solide ou dissout) le mercure est-il véhiculé ?
b) en fonction de a), quels sont les compartiments à risque pour l’homme ?
Ouvrages recommandés
Ouvrages de référence du cours. La plupart des figures du polycope sont extrait de ces ouvrages sans qu’il y ait à
chaque fois mention complète de la citation:
Sigg Laura, Behra Philippe, Stumm Werner Chimie des milieux aquatiques Chimie des eaux naturelles et des
interfaces dans l’environnement 3ème édition, Editions Dunod Paris, ISBN 2-10-004723-6
567 pages
Commentaire : Livre de base pour l'enseignement.
Gil Michard, Chimie des eaux naturelles – Principes de Géochimie des Eaux. Edition Publisud, Paris, ISBN 2-86600890-1 455 pages.
Commentaire : Ouvrage synthétique, bien structuré.
Monique Tardat-Henry Chimie des Eaux Edition les Griffons d’argile, Québec, Canada, 2ème édition, 1992, ISBN
2-920922-87-4
540 pages
Commentaire : Livre du ‘practicien-généraliste’. Traite de façon compréhensible les paramètres de l’eau et les
méthodes de mesure, la DBO, la DCO, alcalinité, les interactions solide-solution etc. en incluant les protocoles
d’analyses pour les eaux de consommation, eaux usées etc.
Werner Stumm & James J. Morgan, Aquatic Chemistry, 3d edition, Wiley Interscience, 1996 ISBN 0-471-511846 ou ISBN 0-471-51185-4
Commentaire : La bible… 1022 pages. Très complet, pour spécialistes avertis.
Ramade François, Dictionnaire encyclopédique des Sciences de l'Eau EDISCIENCE 1998, ISBN 2-84074-152-0
Ouvrage très complet, très utile, illustrations de qualité.