L`extraction des ions se fait par migration des
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Travaux Personnels Encadrés Environnement et progrès Le dessalement de l’eau de mer par électrodialyse L’eau dessalée est-elle suffisamment saine pour l’agriculture dans le but de pallier au manque d’eau potable sur Terre ? Étude du cas du dessalement par électrodialyse Alexandre Pelourdeau Richard L’Hotellier Romain Stievenard 1ère S3 – 2006-2007 Sommaire Sommaire ................................................................................................................... 2 Introduction ................................................................................................................. 3 I) Qu’est ce qu’une eau dessalée ? ....................................................................... 4 a) Composition chimique et norme de potabilité .......................................................... 4 b) Influence d’une salinité de l’eau trop importante sur les êtres vivants ..................... 6 II) Les procédés de dessalement ........................................................................... 8 a) L’électrodialyse ....................................................................................................... 8 b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable .....................10 III) Les conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée par électrodialyse ..... 14 a) Conséquences sur les sols .....................................................................................14 b) Conséquences sur les plantes ................................................................................15 Conclusion ................................................................................................................ 16 Annexes.................................................................................................................... 17 Glossaire .....................................................................................................................17 Sources .......................................................................................................................19 Webographie ........................................................................................................... 19 Bibliographie ............................................................................................................ 20 Cartographie ............................................................................................................ 20 NB : Les mots comportant un astérisque sont définis dans le Glossaire disponible page 16… 2 Introduction Depuis plusieurs dizaines d’années, l’Homme tente de remédier à la pénurie d’eau douce qui menace de nombreuses régions dans le monde. Sachant que la population mondiale a triplé, selon l’Unesco, les besoins en eau ont été multipliés par 6; cette augmentation disproportionnée est due à deux facteurs: d'une part les besoins quotidiens en eau de chaque individu, d'autre part, l'augmentation de la consommation d'eau par l'industrie et surtout l'agriculture, pour parvenir à produire assez de nourriture et d'énergie pour une population en perpétuelle expansion. Document 1 : Comparatif du stress hydrique et des carences* en eau dans le monde en 1995 et en 2025 Source : Cartographie UNEP Comme on peut le voir ci-dessus, sur le document 1, la zone de pénurie déjà présente dans certaines régions du globe s’agrandira considérablement d’ici 20 ans. Une des méthodes pour remédier à ce problème serait de remplacer l’eau potable utilisée par l’agriculture par de l’eau dessalée. En effet, le secteur de l’agriculture consomme énormément d’eau (70% de la consommation mondiale). Si l’on parvient à remplacer l’eau potable utilisée pour l’agriculture par de l’eau suffisamment dessalée (celle-ci n’étant pas potable pour l’Homme) pour l’irrigation des cultures on économiserait ainsi des quantités considérables d’eau potable pour l’Homme. Nous nous demanderons donc si l’eau dessalée est suffisamment saine pour l’agriculture ; nous nous intéresserons plus spécialement au dessalement de l’eau par électrodialyse. Pour cela, nous verrons donc dans une première partie à la nature d’une eau dessalée : sa composition chimique, et sa norme de potabilité. Dans une seconde partie nous étudierons différents procédés de dessalement (nous nous intéresserons principalement à l’électrodialyse). Puis dans une troisième partie nous verrons les conséquences d’une utilisation d’une eau dessalée sur l’Homme et dans l’irrigation. 3 I) Qu’est ce qu’une eau dessalée ? a) Composition chimique et norme de potabilité Le dessalage, le dessalement et la dessalaison* désignent l’action de retirer le sel d’un corps. Appliqué à l’eau, ce procédé permet de rendre un liquide salé ou saumâtre, potable ou apte à être utilisé pour l’agriculture. En termes de potabilité, plusieurs critères définis par les lois permettent de régir les seuils maximaux acceptables dans la distribution de l’eau. Parmi ceux-ci on retrouve le pH*, les concentrations en métaux, minéraux, produits toxiques et bactéries. Méthode de détermination des concentrations des différents sels minéraux d'un liquide (mélange) : La première étape consiste en l’identification des différents sel minéraux et autres consituants du mélange par chromatographie* ; on fait ensuite passer le mélange étudié sur une membrane spécifique pour chaque ion, recouverte de résine échangeuse d’ions. Cela permet d’isoler chaque sel minéral dans une solution fille. On peut ensuite grâce à la conductimétrie, déterminer la concentration du sel minéral en question dans le mélange. Document 2 : Principe chimique de la chromatographie Source : Infographie extraite de la définition de « Chromatographie » sur Wikipedia Le principe de conductimétrie consiste en la mesure de la contuctance d’une solution comportant un ion spécifique ; plus la conductance est élevée (la solution conduit bien le courant), plus la concentration de l’ion en question est élevée. En effet ces deux paramètres sont proportionels (pour des concentrations en soluté inférieures à 0.01 mol/L). Grâce à des courbes d’étalonnage réalisées préalablement, on mesure avec précision la concentration du soluté de la solution. En appliquant ce principe à n’importe quel liquide, on peut déterminer les concentrations des différents sels minéraux qui y sont dissouts. 4 En France, un décret du code de la santé publique basé sur les normes européennes, définit ces seuils d’acceptation, il a été révisé cinq fois depuis 1989 afin de limiter, selon les dernières études, les différentes carences* et maladies appliquées aux hommes et aux plantes. Le sel est un cristal ionique composé de Na+ et de Cl-. Nom des ions Concentration maximale admise en France Concentration moyenne des puits français Sodium (Na+) 150 mg/L 200mg/L 4,4 mg/L 7 mg/L - Chlorure (Cl ) Tableau de données : Récapitulatif des concentrations légales et constatées en ions Sodium et Chlorure sur les puits français Si ces concentrations sont dépassées lors des prélèvements, l’eau doit être impérativement traitée avant d’être distribuée. Ces concentrations sont fixés par des lois, cependant si on les dépasse, les réactions des individus et des plantes peuvent varier selon les concentrations en sel auxquelles on les soumet. 5 b) Influence d’une salinité de l’eau trop importante sur les êtres vivants Chaque être vivant dispose d’un organisme ayant des besoins particuliers en sels minéraux, en revanche lorsque le besoin est dépassé, l’individu ou la plante peut ressentir des effets secondaires. Nous verrons plus tard les dommages qui peuvent leur être causés. Chez les plantes, ce surplus de sel peut ralentir le développement naturel de l’espèce, voire la tuer. En effet, les plantes assimilent les sels minéraux qui sont à leur portée qu’ils soient nocifs ou non : Ions Innofensif Nocif Anions (-) NO3- Cl- SO42- H2PO4− Cations (+) NH4+ K+ Mg2+ Ca2+ Na+ Tableau de données : Influence de principaux sels minéraux de la terre sur les plantes Sachant que les ions sodium Na+ sont les derniers dans l’ordre de préférence et que les ions chlorure Cl- sont seconds dans l’ordre de choix de l’ion complémentaire, on peut ainsi en déduire de que le sel comporte une influence néfaste pour la santé de la plante. Pour démontrer l’effet néfaste du sel sur les plantes, nous avons réalisé l’expérience suivante : Nous avons alimenté dans deux verres distincts, une rose témoin avec de l’eau saine ainsi qu’une autre rose avec de l’eau saturée en sel. Plante avec sel Plante sans sel Au début de l’exprience 6 Après 5 jours avec sel Après 5 jours sans sel À la fin de l’expérience, la rose témoin s’est développée normalement alors que l’autre rose a perdu s’est pétales qui se sont révélés être salés. On peut donc confirmer le fait que le sel présente une influence néfaste contre les plantes. Expérience : Développement d’une rose dans de l’eau salée Quant à la santé de l’Homme, le sel constitue un élément essentiel de son alimentation. En effet, les composantes du liquide de ses cellules sont le sodium et le chlore, ions du sel. Par conséquent, il serait amené à déshydratation sans sel. Lors d’une déshydratation ou d’une hospitalisation, on lui injecte alors, par intraveineuse, une solution physiologique* à 0,9% de sel. Les ions sodium lui apportent une bonne transmission des messages nerveux et les ions chlore lui permettent un bon fonctionnement de l’estomac et du système immunitaire. Après un excès d’ingestion de sel, un être humain voit son flux de sang artériel passer en hypertension*. Le surplus de consommation de sel est donc un danger potentiel autant pour la flore que pour les Hommes. Pour faire face à la pénurie d’eau grandissante et prévenir une consommation impropre de l’eau par les êtres vivants, les chercheurs ont mis au point des techniques de dessalement de l’eau de mer. 7 II) Les procédés de dessalement a) L’électrodialyse L'électrodialyse est un procédé électrochimique qui permet d'extraire les ions contenus dans une solution. Également disponibles : Maquette explicative Modélisation 3D sur la présentation PowerPoint Description du procédé : L'extraction des ions se fait par migration des ions à travers des membranes sélectives (anioniques ou cationiques) sous l'action d'un courant électrique. Ainsi seuls les anions peuvent traverser une membrane anionique* et seuls les cations peuvent traverser une membrane cationique*. En plaçant plusieurs membranes en parallèle laissant passer alternativement les ions positifs et les ions négatifs, on peut éliminer certains ions de l'eau. Dans certains compartiments, on obtient une concentration des ions et dans d'autres les ions sont éliminés. Les solides en suspension dans l’eau ayant un diamètre supérieur à 10 mm doivent cependant être éliminés par une filtration préalable de l’eau, auquel cas ils risqueraient de boucher les pores de la membrane. Maquette explicative : Représentation de la composition interne d’un bac de dessalement par électrodialyse 8 Application au dessalement : Sous l'effet d'un courant appliqué dans un bac compartimenté hermétiquement par une alternance de membranes anioniques et cationiques, les ions Na+ sont attirés vers l'électrode négative (anode) et les ions Cl- vers l'électrode positive (cathode). En raison de la sélectivité des membranes, on obtient de l'eau douce dans deux des cinq compartiments. En fin de chaîne de traitement, on récupère à la fois de l'eau douce et de la saumure. Il existe également des unités en série et d'autres modèles de système d'électrodialyse. Cependant, le procédé d’électrodialyse n’élimine pas uniquement les ions sodium et chlorure, il filtre également les autres sels minéraux dont les plantes ont besoin pour se développer (comme les autres procédés). Il est donc nécessaire de rajouter lors d’une étape supplémentaire les ions essentiels à la croissance des plantes en quantités suffisantes. 9 b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable Il existe plusieurs procédés pour dessaler l’eau de mer tels que : l’osmose inverse : si l'on applique à une solution aqueuse en contact avec une membrane semi-perméable* (pores de 0.5 à 1.5 nanomètre) une pression supérieure à la pression osmotique*, de l'eau pure traverse alors la membrane. La perméabilité de la membrane peut être suffisamment petite pour permettre de filtrer quasiment toutes les impuretés, sels, ainsi que bactéries et virus. Cependant, l’inconvénient de ce procédé est qu’il supprime également les sels minéraux de l’eau, il faut donc en rajouter après le traitement pour la rendre potable. De plus, la pression qu’il faut donner pour faire passer l’eau au travers de cette membrane est très importante (jusqu’à 200 bar), ce qui implique une lourde infrastructure pour y parvenir. Document 3 : Schéma de principe du fonctionnement de l’osmose et de l’osmose inverse Source : Infographie réalisée par la société Odmer (voir sources : lesnouvelles.org) Légende : OSMOSE A : L’osmose est un phénomène naturel à travers une membrane semi-perméable* : l’eau douce migre vers l’eau salée, la plus concentrée. B : L’équilibre s’établit à la pression osmotique. Plus l’eau est chargée en sels et plus la pression osmotique est élevée. OSMOSE INVERSE C : Il est possible d’inverser l’opération en exerçant une pression sur l’eau salée pour faire migrer les plus petites molécules d’eau, c’est l’osmose inverse. 10 Exemple : Le dessalement d’une eau saumâtre de concentration 12.000 ppm nécessite moins de pression et donc moins d’énergie qu’une eau de mer de concentration 35.000 ppm. la nanofiltration : c’est un traitement des eaux à l’aide de membranes (pores d’environ de 4 à 5 nanomètres). En faisant passer l’eau à travers ces membranes on élimine les contaminants organiques de l’eau ainsi que les ions en trop forte concentration. concentration tels que les métaux lourds ou le sel. L’avantage de ce procédé par rapport à celui de l’osmose inverse est que la pression que l’on doit administrer pour que la dialyse* se réalise est beaucoup plus faible (10 à 30 bar). L’inconvénient est que la taille des pores de ces membranes ne permet pas de filtrer l’eau aussi bien que par l’osmose inverse. Ces deux procédés sont des traitements de l’eau par membranes cependant l’osmose inverse filtre beaucoup mieux l’eau que la nanofiltration. Le document 3 ci-dessous est un schéma explicatif du principe de filtration de l’eau salée, se basant sur l’usine du Golfe D’Oman aux Émirats Arabes Unis. Cette usine exécute l’osmose inverse. 11 Document 4 : Fonctionnement de l’usine de dessalement par osmose inverse du Golfe D’Oman dans les Émirats Arabes Unis Source : Infographie Le Point extraite du n°1693 (Page 58) du 24/02/05 12 la distillation : Le procédé utilise la différence de volatilité* entre les constituants afin de les séparer : le plus volatil a une température d'ébullition* plus petite que le moins volatil, etc. Ainsi, en chauffant le liquide, chaque constituant va être séparé successivement, on parle alors de coupe de distillation. La vapeur ainsi produite peut être condensée, donnant le distillat, et la substance restante est appelée résidu. Attention cependant, le distillat n'est pas toujours un produit pur. Il peut être un mélange défini par deux constituants (même non miscibles). Ce procédé élimine la totalité des ions présents dans la solution. Légende : Distillation simple sans la colonne à fractionner, souvent utilisée par les chimistes. 1. Source de chaleur (ici, un bec Bunsen) 2. Ballon à distiller 3. Tête de distillation 4. Thermomètre 5. Colonne réfrigérante à eau 6. Entrée d'eau de refroidissement 7. Sortie d'eau de refroidissement 8. Ballon de réception des gouttes de distillat 9. Vers une pompe à vide éventuelle 10. Adaptateur pour la pompe à vide Document 5 : Principe chimique de la distillation Source : Infographie extraite de la définition de « Distillation » sur Wikipedia Lors d’une électrodialyse, la totalité des ions n’est pas neutralisée à la différence de la distillation et de l’osmose inverse . Après l’opération de rajout, l’eau obtenue contient les sels minéraux indispensables aux plantes en quantités suffisantes et le sel se retrouve en concentration trop faible pour intervenir sur leur développement. Nous allons donc étudier l’impact de cette eau sur les sols et les plantes. 13 III) Les conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée par électrodialyse a) Conséquences sur les sols L’utilisation d’eau peu dessalée (traitée par nanofiltration par exemple) plus que celle de l’eau douce dans l’irrigation augmente les probabilités de formation de sols salins (salisols) et/ou de sols alcalins (sodiques ou sodisols) par accumulation des sels minéraux dans la terre. On appelle ce processus la salinisation des sols. Si le sol absorbe trop de sel, on peut alors assister à la formation de cristaux à la surface du sol, remontés par capillarité comme sur le document suivant. Document 6 : Efflorescence saline à la surface d’un sol salé Source : Photographie Futura-Sciences (voir sources) Parmi les différentes cultures existantes, on distingue trois classes de niveau de tolérance de salinité du sol : Les cultures sensibles qui réunissent la plupart des fruits et arbres fruitiers ainsi que certains légumes tels que la carotte, le haricot, la salade ou le radis avec une concentration critique en sels de 1,3 g/L. Les cultures à tolérance moyenne comptant les autres légumes, les grandes cultures, quelques fruits comme l’olive, le raisin, la figue ou la grenade. Ces cultures peuvent supporter une concentration maximale de 2,5 g/L de sels dans le sol. Les cultures tolérantes avec les prairies, les cultures de coton, orge, colza, betteraves à sucre, dattiers et autres cocotiers qui acceptent jusqu’à 5 g/L de sels dans le sol. L’utilisation d’eau dessalée a pour conséquence de former des sols salins. Cependant, l’irrigation de ceux-ci par de l’eau déssalée par électrodialyse conduit-elle au mêmes conséquences ? Ceux-ci ont-ils une influence sur les plantes qui y poussent ? 14 b) Conséquences sur les plantes Nous avons fixé précédemment, les concentrations critiques en sels pour chaque type de culture. En effet, lorsque ces plantes poussent sur des sols ne dépassant pas ces concentrations critiques, elles parviennent à évacuer par leurs racines le sel (NaCl), comme le démontre ce document. Document 7 : Représentation schématique de l'évacuation du sel par les racines de la plante Source : Article de l'Atlas de biologie On peut voir dans ce schéma que le sel est absorbé par les racines et se retrouve relâché dans le sol après été véhiculé par la sève de la plante jusque dans ses feuilles. Ainsi, si la concentration en sel n’est pas trop élevée, la plante parvient à l’évacuer. Si la concentration est trop élevée, la plante ne parvient pas à l’extraire de ses feuilles et fane. L'expérience réalisée au cours de la première partie, sur l'effet d'une trop forte concentration de sel dans l'eau d'une plante, nous a montré qu'avant de périr la plante présentait un goût salé dans ses pétales, et confirme ainsi ces faits. En conséquence, la consommation de tels aliments n’a aucune influence néfaste sur l’organisme de l’Homme. 15 Conclusion Nous avons vérifié que les plantes parviennent à évacuer le sel, lorsque celui-ci ne se trouve pas en concentration trop importante dans le sol (ce que l’eau déssalée par électrodialyse permet d’obtenir); et ainsi permettre à l’Homme de les consommer. On peut dire que l’eau déssalée par éléctrodialyse est assez saine pour l’agriculture. Par conséquent si l’on remplace l’eau douce consommée par l’agriculture par de l’eau de mer déssalée, on arriverait a économiser au profit de l’homme des quantités d’eau potable considérables. Ainsi le problème du manque d’eau sur la planète serait considérablement réduit, en permettant l’approvisionnement suffisant en eau douce a chaque individu de la planéte. Seulement pourra-t-on appliquer cette méthode sur l’ensemble de la planète... 16 Annexes : Glossaire : Carence : Une carence se définit par un manque d’éléments indispensable, par une insuffisance (ici l’eau ou les minéraux, essentiels à l’Homme, qu’elle contient). Chromatographie : La chromatographie est utilisée pour identifier les composés chimiques d'un mélange : Les différents composants de l'échantillon ont une vitesse de migration spécifique qui permet de les séparer, donc de les identifier. Cette vitesse de séparation est aussi dépendante de la nature du solvant (liquide absorbé par la phase fixe, qui entraîne les constituants et les fait migrer à des vitesses variables). Dessalage, Dessalement, Dessalaison : Ces mots désignent l’action de retirer le sel d’un corps. Appliqué à l’eau, ce procédé permet d’en retirer tous les ions Sodium (Na+) et les ions Chlorure (Cl-) et de la rendre ainsi propre à la consommation. Le terme désalinisation désigne également ce procédé, cependant, bien que couramment utilisé, il n’a pas été validé par l’académie française. Dialyse : La dialyse est un terme désignant une technique de purification d’une solution. Souvent utilisé en médecine, ce procédé permet grâce à l’aide de membranes semiperméables de séparer les éléments d’une solution. Son produit s’appelle le dialysat. Le mot repris dans l’électrodialyse perd son sens premier pour ne représenter qu’une séparation de la solution et de ses ions. La dialyse est finalement une filtration précise du micromètre au nanomètre. Efflorescence saline : Dépôt superficiel, le plus souvent blanchâtre, formé de sels montés à la surface du sol par capillarité. Hypertension : On peut définir l’hypertension comme un excès de pression du sang artériel. Membrane anionique : Ce type de membranes se constitue de polystyrène sulfonaté qui permet de ne laisser passer à travers ses pores que les ions négatifs (anions). Utilisées en complémentarité de membranes cationiques lors d’une électrodialyse, ces membranes permettent de rendre l’eau salée pure en séparant les ions qui y sont contenus (Na+ et Cl-). 17 Membrane cationique : Ce type de membranes se constitue de polystyrène avec des ammoniums quaternaires, qui permet de ne laisser passer à travers ses pores que les ions positifs (cations). Utilisées en complémentarité de membranes anioniques lors d’une électrodialyse, ces membranes permettent de rendre l’eau salée pure en séparant les ions qui y sont contenus (Na+ et Cl-). Membrane semi-perméable (ou membrane hémiperméable) : Ce type de membrane ne laisse passer que le solvant (en général, l’eau), et non les autres substances en solution. Osmose : L’osmose désigne le transfert d’un solvant (souvent de l’eau) à travers une membrane grâce à l’action de la différence des concentrations entre les deux liquides (gradient de concentration). L’osmose se traduit par un flux de la solution diluée vers la solution concentrée. Si on applique une pression sur la solution concentrée, le flux sera diminué. Lorsqu’il devient nul, on appelle cette pression la pression osmotique. Si la pression devient supérieure à la pression osmotique, se produit alors le phénomène d’osmose inverse, qui rend nulle la concentration de la solution concentrée en la faisant passer à travers la membrane. Osmose Inverse : Voir Osmose. pH (Potentiel d’hydrogène) : Le pH représente en chimie la basicité ou l’acidité d’une solution sur une échelle de 0 (très acide) à 14 (très basique). Pour être neutre une solution doit avoir un pH entre 7 et 7,5. L’eau de mer à un pH d’environ 8. Pression Osmotique : Voir Osmose. Solution physiologique : Une solution physiologique est une solution de même concentration que le sang de façon à ce qu’elle soit inoffensive pour l’organisme. Elle se compose généralement de sel et d’eau distillée à 0,9 g/L. On peut également la trouver nommée liquide physiologique ou improprement sérum physiologique, car il ne s’agit pas d’un sérum. Stress hydrique : Le stress hydrique correspond à la consommation en eau de l’Homme par rapport à la ressource en eau disponible dans une région donnée. Température d’ébullition : La température d’ébullition est la température à laquelle se produit le changement d’état d’un liquide de son état liquide à son état gazeux. Volatilité : La volatilité représente la capacité à un liquide à s'évaporer. Celle-ci dépend de la température. 18 Sources : Webographie : Lenntech : Site d’un producteur spécialisé dans le matériel du traitement des eaux. http://www.lenntech.com/français/ World Water Council : Site du conseil mondial de l’eau. http://www.worldwatercouncil.org/ Unesco : Site de l’organisation des Nations Unies dédié à la sauvegarde des ressources en eau. http://www.unesco.org/water/ LesNouvelles.org Article réunissant les différentes techniques de potabilisation de l’eau. http://www.lesnouvelles.org/ Hydram : Dossier décrivant les effets du sel sur les sols et leurs cultures. http://hydram.epfl.ch/docs/ Grenoble Eau Pure : Site présentant des relevés d’analyse d’eaux dans la commune de Varces Allières et Risset, près de Grenoble. http://grenoble.eau.pure.free.fr/ Futura-Sciences : Dossier sur l’eau et les différents systèmes d’irrigation en présence de sols salés. http://www.futura-sciences.com/comprendre/ CNRS : Centre National de la Recherche Scientifique Article du catalogue de documents pour le chercheur sur la surconsommation de sel dans l’alimentation. http://cat.inist.fr/ Wikipedia : Encyclopédie réunissant entre autres des articles sur la distillation, l’osmose et les différentes filtrations. http://fr.wikipedia.org/wiki/ 19 Bibliographie : Sciences et vie Junior n°190, Juillet 2006, p 56 : « De l’eau qui vaudra de l’or » est un article qui décrit les prévisions des conséquences d’une surconsommation de l’eau. Article du dossier Eau II au CDI, p 26-27 : « Comment vivre avec la sécheresse » envisage dans un futur proche les possibilités d’économie de l’eau. Quid 2006 : - L’article « Traitement des eaux » décrit les différents modes de dessalement des eaux. - L’article « Eau potable » traite des limites fixées par la législation française en termes de concentration des sels minéraux. Le Point n°1693, février 2005, p 58 : « La mer à boire » donne le portrait de l’usine du Golfe d’Oman dans les Émirats Arabes Unis fonctionnant sur le principe de l’osmose inverse. Dictionnaire de l'Académie française, neuvième édition : Ce dictionnaire édité par l’académie française est définit les normes du langage français dans tous les domaines. Cartographie : La documentation française : Cet organisme réuni des cartes les prélèvements en eau dans les différents pays du monde. http://www.ladocumentationfrancaise.fr/cartotheque/ UNEP : Ce site du programme environnemental des nations unies propose des cartes décrivant l’état du stress hydrique sur la planète. http://www.unep.org/vitalwater/ 20
