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15 Jul 2016

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L'analyse d'eau en détail

Introduction

Cette page contient les éléments d'analyse nécessaires aux applications d'échange d'ions. Il sont moins nombreux que ceux destinés à évaluer la qualité d'une eau potable.

SalinitéLes caractéristiques générales de l'eau à traiter sont décrites dans une autre page, avec les limites recommandées pour certains contaminants et paramètres. Nous présentons ici l'analyse de détail des substances minérales dissoutes dans l'eau.

L'image de droite (cliquez pour l'agrandir) montre seulement les composants que l'on trouve dans la plupart des eaux de surface ou de forage, et qui sont importants pour le procédé d'échange d'ions.

Traditionnellement, on regroupe certaines de ces substances :

Ca++ + Mg++= TH
HCO3 + CO3= + OH= TAC
Cl + SO4= + NO3= SAF

D'autres ions, le plus souvent à l'état de traces mais parfois non négligeables, peuvent être combinés aux éléments ci-dessus :

Il faut se rappeler que les résines standard on une faible affinité pour certains de ces ions, tels que le lithium et le fluorure. Par ailleurs, d'autres éléments, tels que l'aluminium, l'arsenic et de nombreux autres métaux peuvent exister sous forme de complexes et se comporter comme des anions; leur élimintation est parfois difficile.

Le baryum et le strontium réagissent comme suit dans une réaction d'échange d'ions :

Voir aussi la page (sans relation directe) sur l'eau de mer.

Unités de concentration et de capacité

Comme nous avons besoin de connaître le nombre des ions à échanger — leur masse n'est guère utile ici — la concentration de ces ions doit être convertie en unités "équivalentes" ; l'unité internationale correspondante est eq·kg–1. On utilise généralement en pratique les "équivalents par litre" eq/L, et pour les concentrations faibles habituellement trouvées en traitement d'eau, on utilise meq/L. D'autres unités sont toujours en cours dans certaines régions du monde :
 

Unités de concentration
(par volume d'eau)
Nom Abréviation
meq/L
ppm de carbonate de calcium 1 ppm as CaCO3 = 0,02
Degré français 1 °f = 0,2
Degré allemand de dureté 1 °dH = 0,357
Grain de CaCO3 par gallon US 1 gr as CaCO3/gal = 0,342

 

Unités de capacité
(par volume de résine)
Nom Abréviation
eq/L
Gramme de CaCO3 par litre 1 g as CaCO3/L = 0,02
Degré français 1 °f = 0,0002
Gramme de CaO par litre g CaO/L = 0,0357
Kilograin de CaCO3 par pied cube kgr CaCO3/ft3 = 0,0458

Une table de conversion complète en anglais peut être consultée dans une fenêtre séparée.

Il est préférable d'éviter absolument les moles pour l'échange d'ions, car cette unité ne tient pas compte de la valence et conduit à des erreurs. Rappelez-vous : 1 eq = 1 mole / valence.
Pour ceux qui sont curieux, une mole contient 6,02×1023 atomes, ions ou molécules. Ce nombre gigantesque est appelé constante d'Avogadro.
Note : en Allemagne et dans certains pays d'Europe centrale et orientale, on utilise mval/L et val/L au lieu de meq/L et eq/L.

Exemples

La table suivante montre les ions communéments présents en traitement d'eau et leur masse équivalente.

Nom Ion g/mole g/eq
Calcium Ca++ 40 20
Magnésium Mg++ 24 12
Sodium Na+ 23 23
Potassium K+ 39 39
Ammonium NH4+ 18 18
Chlorure Cl 35,5 35,5
Sulfate SO4= 96 48
Nitrate NO3 62 62
Bicarbonate HCO3 61 61
Carbonate CO3= 60 30

Dans l'eau, les concentrations sont exprimées en meq/L. Par exemple, si vous avez une concentration de calcium de 90 mg/L, la concentration équivalente est de 90/20=4,5 meq/L.

La silice (SiO2), qui n'est pas ionisée dans l'eau naturelle, a une masse molaire de 60. En échange d'ions — avec une résine fortement basique sous forme OH — on considère la silice comme monovalente, donc avec une masse équivalente de 60 également.
L'acide carbonique (ou dioxyde de carbone CO2 appelé communément gaz carbonique) est très légèrement ionisé dans une eau naturelle, et on le considère aussi comme monovalent, avec une masse équivalente de 44. L'équilibre entre CO2 et HCO3 est présenté au bas de cette page.

Ne tombez pas dans le piège suivant : 1 équivalent de CaCO3 (50 g), par exemple, contient 1 eq de Ca (20 g) et 1 eq de CO3 (30 g). On n'additionne pas les deux (1 eq cation et 1 eq anion) : il n'y a toujours qu'un seul équivalent de CaCO3, pas 2 !

Une analyse équilibrée ?

L'eau est électriquement neutre, même lorsqu'elle contient une grande quantité d'ions, comme dans la mer. Ceci signifie que le nombre de charges anioniques est exactement égal au le nombre de charges cationiques. Si tel n'était pas le cas, vous recevriez un choc électrique en plongeant votre main dans l'eau ! Par conséquent, une fois que vous avez converti soigneusement les éléments d'une analyse d'eau en meq/L, la somme des anions doit être égale à la somme des cations. Les seules exceptions à cette règle sont :

Un exemple d'analyse d'eau

Voici une analyse telle qu'il faut la présenter pour le calcul d'une installation d'échangeurs d'ions (adoucissement, déminéralisation, décarbonatation, dénitratation). C'est une eau de rivière réelle (1), provenant de l'Oise en France, et l'analyse est datée du 28 septembre 2005.

Cations mg/L meq/L Anions mg/L meq/L
Ca++ 93 4,65 Cl 67 1,89
Mg++ 12 1,00 SO4= 33 0.69
Na+ 26 1,13 NO3 6 0,10
K+ 4 0,10 HCO3 259 4,23
Total cations 6,90 Total anions 6,91

SiO2 2,4 0,04
pH 7,04 CO2 libre 45 1,02
Conductivité µS/cm 627 Charge anionique 7,97
Matières organiques (2) 2,6  
Température °C 16
(1) Pour le calcul d'installations de traitement d'eau, il faut toujours utiliser une analyse réelle, pas une moyenne. Au besoin, il faut considérer plusieurs analyses s'il y a des variations saisonnières de salinité.

(2) Les matières organiques (DCO) sont importantes, car elles peuvent empoisonner les résines échangeuses d'anions. Elles sont traditionnellement exprimées en mg/L de KMnO4.

L'analyse ci-dessus est assez typique d'une eau d'Europe occidentale, avec une teneur relativement élevée en dureté et en alcalinité, et peu de silice. La silice et le gaz carbonique libre sont éliminés par la résine fortement basique dans une installation de déminéralisation. Néanmoins, le gaz carbonique peut être réduit fortement par un dégazeur atmosphérique ou à membrane installé après l'échangeur de cations pour réduire la charge anionique.

TAC et TA

L'alcalinité comprend les anions suivants :

L'alcalinité de l'eau est mesurée par titration avec un acide. Deux indicateurs colorés sont utilisés : L'alcalinité totale est le TAC, et peut inclure les ions OH, CO3 et HCO3. Le TA ne mesure que les ions OH et la moitié des ions CO3. Lorsque le pH de l'eau est inférieur à 8,3, le TA est nul, et l'eau ne contient que du bicarbonate. À pH plus élevé, des ions carbonate peuvent être présents. À pH encore plus haut, on trouve des ions hydroxyde, mais alors il n'y a plus d'ions bicarbonate, car ceux-ci se combineraient avec les ions OH pour produire du carbonate et de l'eau :

HCO3 + OH ---> CO3= + H2O

Selon la valeur du pH en ordre croissant, nous aurons dans l'eau soit seulement du bicarbonate, soit un mélange de bicarbonate et de carbonate, soit un mélange de carbonate et d'hydroxyde, soit seulement de l'hydroxyde. Ceci se retrouve dans la table suivante :
 

Composition ionique en fonction du TA et du TAC
Ion
TA = 0 TA < TAC/2 TA = TAC/2 TAC/2 < TA < TAC TA = TAC
OH = 0 0 0 2 TA - TAC p
CO3 = 0 2 TA TAC = 2 TA 2 (TAC - TA) 0
HCO3 = TAC TAC - 2 TA 0 0 0

Les valeurs de cette table sont exprimées en unités équivalentes, donc en meq/L ou éventuellement en mg/L de CaCO3, en degrés français ou allemands, mais pas en mol/L ou mg/L !

Examinons des exemples pour une eau dont le TAC est de 5 meq/L, avec pH croissant :
 

Exemple 1 TAC = 5 TA = 0
OH = 0 CO3 = 0 HCO3 = 5
Exemple 2 TAC = 5 TA = 1,5
OH = 0 CO3 = 3 HCO3 = 2
Exemple 3 TAC = 5 TA = 3
OH = 1 CO3 = 4 HCO3 = 0

Lorsque le TA est positif, ce qui correspond à un pH supérieur à 8,3, il n'y a pas de CO2 libre, car il se combinerait avec CO3 pour produire du HCO3 :

CO2 + CO3= + H2O ---> 2 HCO3

CO2 libre et pH

pH vs Alk to CO2 ratioUne valeur basse de pH signifie qu'il y a des ions H+ en solution. En présence de bicarbonate, l'équilibre suivant se produit :

H+ + HCO3 <---> H2CO3 <---> CO2 + H2O

Les deux graphiques illustrent cet équilibre. Utilisez le second graphique pour vérifier que l'analyse donnée par votre client est correcte, et pour estimer la concentration de gaz carbonique libre s'il n'est pas inclus dans l'analyse. Vous voyez sur le graphique qu'à un pH supérieur à 7,2, il n'y a pratiquement pas de CO2.

Lorsque l'on traite par échange d'ions un perméat d'osmose inverse, cette relation est très importante, car le CO2 constitue souvent la part majeure de la charge anionique sur les résines. Dans ce cas, vous pouvez utiliser le troisième graphique, qui est un agrandissement du précédent pour de faibles concentrations.

Pour mémoire (comme les graphiques sont en anglais) : m-Alk = TAC.
 

CO2 vs pH and Alk  CO2 vs pH and Alk


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© François de Dardel