Répondre aux questions posées à la page 4.Travail demandé

A faire pour le cours de chimie la semaine de la rentrée des vacances de Pâques

Les documents 1 et 2 sont extraits de l’article « Traitement des résidus de réaction » de Miche-line IZBICKI, Michel FICHEUX et François SEVIN paru dans le Bulletin de l’Union desPhysiciens (BUP - volume 94, numéro 829, décembre 2000).

Document 1 : Valeurs limites de concentration pour une eau potable

Dans la réglementation ces valeurs sont données en mg · L−1 ou en µg · L−1. Dans cet article, lesvaleurs sont exprimées en mol · L−1.

Concentration comprise entre 10−2 et 10−3 mol · L−1 :

Ions Cl– SO 2–4 Na+ Ca2+ Mg2+

Concentration 5.6 × 10−3 2.6 × 10−3 6.5 × 10−3 2.5 × 10−3 2.0 × 10−3(en mol · L−1)

Pour éliminer ces ions qui ne sont par ailleurs pas toxiques par accumulation, il suffit de dilueravant de rejeter dans l’évier. Le calcium et le magnésium peuvent éventuellement être précipités sousforme de carbonate.

Concentration comprise entre 10−3 et 10−4 mol · L−1 :

Ions NO –3 K+

Concentration (en mol · L−1) 8.1 × 10−4 3.0 × 10−4

Concentration comprise entre 10−4 et 10−5 mol · L−1 :

Ions F– Fe Zn2+ Sn2+ Co2+ Cu2+Concentration 7.9 × 10−5 8.9 × 10−5 7.7 × 10−5 1.7 × 10−5 1.7 × 10−5 1.6 × 10−5(en mol · L−1)

Pour le cobalt et le cuivre les normes sont dictées par des raisons gustatives.L’élimination d’un litre de solution de Cu(II) de concentration 0.1 mol · L−1 nécessitant 625L d’eau,

l’élimination de ces éléments par dilution peut donc être envisagée, si les concentrations sont faibles(ex : solutions préparées pour la spectrophotométrie).

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AD Traitement des effluents

Concentration comprise entre 10−5 et 10−6 mol · L−1 :

Ions NO –2 Al3+ Ce3+

Concentration (en mol · L−1) 2.2 × 10−6 7.4 × 10−6 7.1 × 10−6

Concentration comprise entre 10−6 et 10−7 mol · L−1 :

Ions Pb2+ Ni2+ Cr Mn Ba2+Concentration 2.4 × 10−7 8.5 × 10−7 9.6 × 10−7 9.1 × 10−7 7.3 × 10−7(en mol · L−1)

Le chrome (VI), le manganèse et le plomb doivent être impérativement éliminés car ils sont can-cérogènes nocifs pour l’environnement par effets cumulatif.

Le baryum s’élimine par précipitation de sulfate de baryum.

Concentration comprise entre 10−7 et 10−8 mol · L−1 :

Ions Ag+ Cd2+

Concentration (en mol · L−1) 9.2 × 10−8 4.4 × 10−8

Les ions Ag+ précipitent facilement avec les ions chlorures. Il faut utiliser une solution de chlorurede sodium de concentration 0.1 mol · L−1.

Concentration comprise entre 10−8 et 10−9 mol · L−1 :

Ions Hg2+

Concentration (en mol · L−1) 5.0 × 10−9

Il faut impérativement éliminer ces ions.

Document 2 : Fiche de traitement de résidus de réaction

• Verser la solution à traiter dans un grand bécher.

• Ajouter à la solution précédente des spatulées d’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 (chaux éteinte)jusqu’à obtenir un précipité.

• Vérifier que le pH est 10 pour une solution de cadmium, 3 pour une solution de fer III, 9 pourune solution de fer II, 9,5 pour une solution de nickel, 9 pour une solution de cobalt, 7 pour unesolution de cuivre, 9,5 pour une solution de cérium III et 3 pour une solution de cérium IV.

• La solution précédente décante pendant quelques jours à l’air libre (s’agissant d’une solutionaqueuse il n’est pas nécessaire de laisser le bécher sous la hotte).

• Le liquide surnageant incolore est ensuite retiré en le siphonnant, neutralisé par une solutiond’acide et rejeté à l’évier.

• Le solide est, selon les caractéristiques du laboratoire et les quantités à traiter, soit filtré surbüchner, soit étalé sur une grande surface pour être séché à l’air.

• Stockage du résidu solide : placer ce solide sec dans une boîte fermée portant une étiquette oùsera notée le ou les produits composants ce solide, la toxicité, la date de mise en conditionnement.Le stocker dans un lieu ventilé en attente de l’envoi à une société spécialisée.

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Commentaires :

Manipulations concernées : dosage d’oxydoréduction en solution aqueuse, dosage pH-métrique,dosage complexométrique, dosage spectrophotométrique UV-visible.

Espèces à traiter : ion zinc Zn2+, ion aluminium Al3+, ion plomb Pb2+, ion cadmium Cd2+, ionfer II Fe2+, ion fer III Fe3+, ion nickel Ni2+, cobalt Co2+, ion cuivre Cu2+, ion cérium III Ce3+, ioncérium IV Ce4+.

Transformation en hydroxyde solide moins volumineux, moins lourd et donc moinscher à collecter que la solution aqueuse initiale.

Toxicité des éléments : les limites réglementaires dans l’eau potable en zinc, cobalt, nickel,cuivre dépendent de raisons gustatives. Le cadmium, le zinc et le plomb sont des toxiques avec effetcumulatif, polluants de l’environnement par accumulation dans les organismes vivants.

Traitement des résidus :

• Précipitation des ions sous forme de précipité d’hydroxyde en ajoutant une base économiquel’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 sous forme solide. Le pH de fin de précipitation dépend duproduit de solubilité de chaque hydroxyde et des limites admissibles pour une eau potable :

Élément Cd Ni Fe(II) Fe(III) Zn Al Pb Cu Ce(III) Ce(IV) CoLimite 5 50 200 200 5000 200 50 1000 1000 1000 1000(en µg/L)pKs de 14.0 15.0 15.1 38.6 16.0 33.0 16.0 18.5 20.2 50.4 15.0l’hydroxyde

(...)

• Filtration de la solution : la solution précédente décante pendant quelques jours à l’air libre(s’agissant d’une solution aqueuse il n’est pas nécessaire de laisser le bécher sous la hotte).Le liquide surnageant est ensuite retiré en le siphonnant, neutralisé par une solution d’acideet rejeté à l’évier. En effet, la concentration en ions libres de cette solution est inférieure à laconcentration maximale donnée dans les normes pour l’eau potable.Le « fond liquide-solide » est selon les caractéristiques du laboratoire et les quantités à traitersoit filtré sur büchner, soit étalé sur une grande surface pour être séché à l’air. (...)

• Stockage du résidu solide : le mélange ou non des déchets dépend du fonctionnement de la sociétéde traitement et de son mode de collecte. Il lui est cependant beaucoup plus facile de travaillerquand elle connaît la nature du mélange et qu’il est peu complexe.

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Extraits d’une fiche sur l’épuration de l’eau publié par l’Office national de l’eau et des milieux aquatiques [1]. 1.1 Pourquoi épurer l’eau ?

Les législations européennes et françaises font obli-gation aux communes, aux agriculteurs et aux indus-triels, de traiter leurs effluents à l’aide de techniques efficaces. Un grand nombre de communes se sont équi-pées d’une station d’épuration. Ces stations utilisent des procédés artificiels qui imitent le processus natu-rel d’auto-épuration de la rivière. À la fin du traitement, l’eau épurée est rejetée dans le milieu naturel. Elle peut également être utilisée en irrigation de cultures ou d’es-paces verts.1.2 Les systèmes d’épuration des grosses

collectivitésCes techniques concernent les ouvrages d’épuration

des agglomérations de taille importante et par consé-quent un grand nombre d’habitants. En 2009, quelque1200 stations d’épuration d’une capacité supérieure à 10000 équivalents-habitants traitaient une pollution équi-valente à près de 62 millions d’équivalents-habitants.

L’épuration des eaux usées des grosses collectivitéspeut comporter quatre phases principales :

— le traitement primaire ou prétraitement,— le traitement secondaire,— le traitement tertiaire,— le traitement des boues.

FIGURE 1 – Station d’épuration de Pont-l’Abbé.

1.3 L’arrivée des eaux usées dans les ouvragesde traitement

Une station d’épuration ne peut correctement fonc-tionner que si un réseau d’assainissement performant aété installé. Communément appelé « réseau d’égout », ceréseau de canalisations collecte les eaux usées à la sortie

des habitations et les achemine vers la station d’épura-tion. Ces eaux usées circulent dans ce réseau gravitai-rement. Il y a parfois besoin de remonter de plusieursmètres les eaux usées pour permettre cet écoulementgravitaire d’un bout à l’autre du réseau. On met alors enplace un système de relevage opéré par une pompe ouune vis d’Archimède.

Il existe deux systèmes de collecte des eaux usées :

un réseau unitaire, qui collecte les eaux usées et leseaux pluviales dans les mêmes canalisations.

un réseau séparatif, qui collecte les eaux usées dansdes canalisations différentes de celles recueillantles eaux de pluie (réseau « pluvial »).

1.4 Le traitement primaireIl permet d’éliminer de l’eau les matières en suspen-

sion (déchets grossiers, sables. . .) et les huiles.

eau àépurer

dégrillage

racloir de surface

graissesen surface

purgedes sables

traitement biologiquedécantation

boues d’épurationbactéries

FIGURE 2 – Les principales étapes du traitement primaire.

Ce traitement comprend plusieurs opérations :

Le dégrillage retient, par des grilles les déchets debois, papiers, plastiques...

Le dessablage retient la terre et le sable susceptiblesd’endommager les pompes ou de créer des dépôtsdans les bassins.

Le déshuilage favorise, par injection de fines bullesd’air ou statiquement, la flottation des huiles etdes graisses qui sont séparées par raclage en surface.

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Document 3 : Généralités sur l'épuration de l'eau

MPSI Approche documentaire

La décantation primaire permet aux matières en sus-pension de se déposer par simple gravité sousforme de boues, recueillies ensuite par pompagede fond.

1.5 Le traitement secondaireLe traitement secondaire élimine les matières en so-

lution dans l’eau (matières organiques, substances mi-nérales...). Deux types de traitements sont utilisés : lestraitements biologiques sont appliqués aux matièresorganiques (biodégradables) ; les traitements physico-chimiques aux matières non organiques (non biodégra-dables).

1.5.1 Le traitement biologique

Les eaux arrivent dans un bassin où sont développéesdes cultures de micro-organismes.

Les impuretés sont alors digérées par ces êtres vivantsmicroscopiques et transformées en boues. On repro-duit ici l’auto-épuration naturelle que l’on peut obser-ver dans les rivières : sous l’action d’un brassage mé-canique ou d’un apport d’air, les micro-organismes sereproduisent très rapidement ; ils se nourrissent de lapollution organique et du dioxygène de l’air pour pro-duire du gaz carbonique et de l’eau.

À la suite de ce traitement la décantation secondairepermet de recueillir, sous forme de boues, les matièrespolluantes agglomérées par les micro-organismes.

Le traitement biologique est le procédé le plus uti-lisé pour restaurer la qualité de l’eau en la débarrassantde ses principales impuretés. Il est indispensable, maisinsuffisant : en dessous de 5 ◦C, l’activité bactérienneest stoppée. Les bactéries éliminent difficilement lesphosphates, les éléments toxiques et les polluants nonbiodégradables.

1.5.2 Les traitements physico-chimiques

Ils consistent à transformer chimiquement, à l’aidede réactifs, les éléments polluants non biodégradables.

Ces traitements sont mis en œuvre pour répondreà des enjeux particuliers (recherche de performancestrès élevées), ou lorsque le traitement biologique n’estpas possible (contraintes de place ou de température,variations subites de charge polluante).

Les procédés qui s’appliquent aux matières en sus-pension (MES) :

la floculation, c’est-à-dire la précipitation de ces ma-tières sous l’effet de réactifs chimiques, permetd’accélérer et de compléter leur décantation.

la centrifugation est employée pour les rejets forte-ment chargés en MES et ayant une faible vitessede décantation.

la filtration s’applique à des MES peu nombreuses etde petite taille.

Les principaux procédés de traitement des matièresen solution :

l’oxydation et la réduction chimique transformentcertains polluants en substances non toxiques, aumoyen d’oxydants et de réducteurs chimiques.

l’osmose inverse consiste en une filtration molécu-laire qui élimine les matières polluantes.

À ce stade, l’eau, débarrassée des éléments qui la pol-luaient, et qui forment les « boues », est épurée à 90 %.Elle peut alors être rejetée à la rivière qui achève de ré-sorber la pollution grâce au processus de l’épurationnaturelle (auto-épuration).1.6 Le traitement tertiaire

Les eaux épurées sont souvent rejetées dans le mi-lieu naturel à la fin du traitement secondaire. Toutefois,elles peuvent quelquefois faire l’objet d’un traitementcomplémentaire ou « affinage » dans le but, soit d’uneréutilisation à des fins industrielles ou agricoles, soitde la protection du milieu récepteur pour des usagesspécifiques.

La désinfection est appliquée dans le cas d’un mi-lieu récepteur sensible (zone de baignade ou deconchyliculture...) car une épuration classiquen’élimine pas la pollution bactériologique. Onajoute le plus souvent du chlore en sortie de sta-tion d’épuration dans un bassin de « contact », oùon traite aux ultraviolets.

Les traitements destinés à éliminer l’azote et le phos-phore sont des traitements complémentaires. Ilsconcernent maintenant la majorité des stationsd’épuration.

1.7 Le traitement des bouesEn fonction de leur destination, elles font l’objet d’un

traitement ayant pour objectif de réduire leur volume.Pour ces boues, trois destinations sont possibles :

l’épandage agricole qui représente une valorisationde ce sous-produit fertilisant (amendement orga-nique contenant de l’azote, du phosphore et de lamatière organique).

l’élaboration de compost par incorporation de pailleou de sciure ou de déchets verts. Le compost peutensuite être utilisé pour l’épandage agricole.

l’incinération pour quelques grosses unités ou lors-qu’une installation locale existe déjà pour les or-dures ménagères.

[1] OFFICE NATIONAL DE L’EAU ET DES MILIEUX AQUATIQUES : L’épuration de l’eau. Disponible à http: //www.lesagencesdeleau.fr/2012/07/19/20-fiches-pedagogiques-pour-tout-savoir-sur-l%E2%80%99eau/, 2012.

Questions :1. Pourquoi est-il nécessaire de traiter les effluents sortant d’une usine chimique ou d’une salle de TP ?2. Sur quels critères sait-on si une eau peut être rejetée dans l’environnement ?3. Citer au moins trois méthodes physiques et deux méthodes chimiques utilisées pour la dépollution des eaux.4. Expliquer la valeur numérique donnée la phrase du Document 1 : « L’élimination d’un litre de

solution de Cu(II) de concentration 0.1 mol/L nécessitant 625 L d’eau. » On attend un calcul.

5. Sachant que le pKs du chlorure d’argent vaut 9.8, expliquer la valeur numérique donnée dans laphrase du document 1 : « Les ions Ag+ précipitent facilement avec les ions chlorures. Il faut utiliserune solution de chlorure de sodium de concentration 0.1 mol/L. »

6. À partir des informations contenues dans les documents 1 et 2, expliquer pourquoi il est nécessairede vérifier que le pH vaut 10 lors du traitement d’une solution de cadmium. On pensera à calculer lepH de fin de précipitation à l'aide du calcul de la solubilité.

7. Pourquoi le pH doit être maintenu à des valeurs différentes lors du traitements des ions fers II et III ?

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