Solution de soude à 0,1 mol/L (100mL) + poire de prélèvement 3mL








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date de publication24.10.2017
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1ere L L’eau que l’on consomme séance n°2

version profs
Matériel :
Bureau

Terre + 2 Grands bécher (750mL) ou verre à pied + Grille pour pieds de Bec bunsen (grille pas trop fine)

Charbon actif (noir animal)

Solution de soude à 0,1 mol/L (100mL) + poire de prélèvement 3mL

Solution de CaCl2 à 0,1 mol/L (100mL) + poire de prélèvement 3mL

Solution de BaCl2 pour test (environ 0,2 mol/L)

Elèves

Matériel de filtration simple (avec 2 filtres)

2 ou 3 petits béchers transparent (pour évaluer la turbidité de l’eau)
Objectif et programme

Reconnaître les différents changements d’état intervenant dans le cycle de l’eau

Utiliser les termes de décantation, filtration, distillation

Repérer dans un document, différents agents responsables de la pollution de l’eau.
Analyse comparative de divers documents similaires : texte, schéma et résultats expérimentaux



A - Le traitement des eaux - Textes – Schéma et Manipulation.
Lire le texte 1 ; faire l’étude du vocabulaire ; comparer le texte au schéma ; lancer la manipulation (avec le parallèle schéma texte)

ATTENTION : la floculation n’est pas immédiate tout comme la décantation. Pendant qu’elles se déroule : lire le texte 2 et comparer le traitement de l’eau et le retraitement.


  1. Texte 1 : Principe d’une usine de traitement de l’eau


Ouvrir un robinet est un geste banal. Pourtant, l'eau captée dans le milieu naturel est chargée de minéraux, de micro-organismes et d'impuretés et doit subir un ensemble d'opérations destinées à la rendre potable.

À la seconde moitié du XIXe siècle, naquit l'ancêtre des traitements modernes : la filtration sur lit de sable. C'est la méthode écologique par excellence. À la surface du bassin se développe une couche d'algues filamenteuses bourrée de bactéries consommatrices de matières organiques indésirables. L’eau traverse cette membrane biologique et ressort propre. Ces filtres sont toujours employés mais ne produisent que 200 000 à 300 000 m3 d'eau propre par jour.

Les usines de la dernière génération se ressemblent toutes. Celle de Choisy-le-Roi, dans la région parisienne, produit quotidiennement 800 000 m3 d'eau potable.

Un dégrillage sommaire arrête les corps flottants si l'eau est pompée dans une rivière. L’eau est ensuite stérilisée avec du chlore et de plus en plus souvent à l'ozone (particulièrement efficace contre les virus). Au cours de cette première étape, on injecte des substances permettant de coaguler les matières en suspension et d'ajuster le pH.

Au cours d'une seconde étape, les matières coagulées sont grossies par un procédé de floculation, c'est-à-dire transformées en flocons plus gros, puis décantées et rapidement filtrées sur du sable. L’eau est ainsi clarifiée.

À la fin du cycle, intervient une nouvelle ozonation. Une ultime filtration sur charbons actifs élimine enfin la quasi-totalité des matières organiques.

Avant d'être envoyée dans le réseau de distribution, l'eau à présent potable est légèrement chlorée pour assurer la maintien de sa qualité pendant le transport.

Faire le point sur le vocabulaire : dégrillage, ozone, filtration, coaguler, floculer, décanter …
Texte 2 : Assainissement des eaux usées
Après son utilisation, l'eau devient usée. Il est alors nécessaire de la nettoyer.

Le rôle des stations d'épuration est de détruire la majeure partie des polluants avant de rejeter les eau usées dans la nature.

Les eaux usées sont amenées à la station d'épuration par les égouts. Elles subissent alors les opérations suivantes 

- des pompes déchiquettent les déchets solides. Une décantation primaire élimine les produits grossiers et lourds;

- l'eau est ensuite aérée par brassage dans des cuves où se développent des micro-organismes et s'agglomèrent dans un processus de floculation naturelle;

- une décantation secondaire assure la clarification. L’eau épurée peut-être ainsi rejetée dans le milieu naturel.

2) Schéma du traitement de l’eau




Dégrillage

Et Tamisage

Préozonation

ou préchloration

Première clarification

Ozonation







3) Manipulation


Préparer environ 1/2L d’eau très sale : une poignée de terre dans de l’eau du robinet ; ne pas laisser décanter

  • Dégrillage : Faire passer l’eau boueuse sur une grille. réalisé par le prof Observations et schématisation

  • Première clarification distribuer aux élèves 25 à 50mL d’eau dégrillée

Floculation. Ajouter environ 2 ou 3mL de soude (0,1 mol/L) puis verser 2 ou 3 mL d’une solution de CaCl2 (0,1mol/L). Observations et schématisation au bout de 2 ou 3 min la floculation est nettement visible

Décantation. Laisser décanter l’eau. les flocons se déposent Observations et schématisation

  • Seconde clarification. Filtrer l’eau décantée sur un filtre papier. Observations et schématisation

  • Deuxième filtration. Filtrer sur charbon actif, l’eau récupérée après la filtration sur papier Observations et schématisation.

  • Test. Tester l’eau récupérée après cette deuxième filtration avec une solution de chlorure de baryum. Observation et schématisation. Le test est positif ce qui permet de dire aux élèves que la clarté n’est pas un gage de l’absence de substances présentes dans l’eau (ici les ions sulfates)



B] Le cycle de l’eau : rappels.


A faire dessiner par un élève, à commenter et compléter

C] Etude de textes



Texte 3 : La potabilisation de l'avenir microfiltration pores de l’ordre du µm : élimine impureté et bactéries , ultrafiltration pores d’une dizaine de nm : élimine sels protéines et impuretés ou nanofiltration pores de l’ordre du nm : élimine virus, pesticides herbicides.

L’eau est pulsée à grande vitesse à travers des tubes creux percés de millions de pores microscopiques. À l'intérieur du tube, reste une boue de matières organiques et de virus. De l'autre côté de la membrane, l'eau ressort limpide sous forme d'infimes gouttelettes.
Texte 4 : Le dessalement de l'eau de mer par distillation
L'eau de mer contient environ 35g de sel par litre qui rendent cette eau imbuvable. Une des manières de la rendre potable est de séparer l'eau pure du sel (ou des impuretés) par distillation.

Le premier distillateur solaire industriel a été construit en 1872 par un ingénieur suédois Charles Wilson. L'installation était conçue pour la ville minière de Las Salinas dans le nord de Chili. Le distillateur utilisait des bacs en bois sur une surface de 4.700 m² pour produire 23.000 litres d'eau pure par jour, soit 4,9 litres par mètre carré de distillateur solaire. L'installation a fonctionné pendant 40 ans.
Depuis un siècle, des milliers de distillateurs solaires fonctionnent à travers le monde ; la plupart pour un usage domestique. Ils sont construits artisanalement suivant le modèle montré en coupe. Ils peuvent produire de 2 à 6 litres d'eau pure par mètre carré par jour.

Coupe d’ un distillateur solaire artisanal ci contre

L'eau salée dans le bassin va se chauffer (d’autant plus vite que le bassin est noir) et avec l'augmentation de température une partie de l’eau va s'évaporer. La vapeur d'eau va se liquéfier sur la surface intérieure de la vitre transparente. Éventuellement des gouttes d'eau vont se former, couler sur la surface de la vitre et tomber dans le récupérateur situé au coin.

Il faut régulièrement nettoyer le bassin pour éliminer le sel.
Actuellement, les distillateurs solaires sont considérés trop chers pour les installations industrielles et la technique d'osmose inverse est généralement utilisée pour les usines de dessalement de l'eau de mer.
Texte 5 : Des normes strictes

L’eau livrée au consommateur est l'aliment le plus surveillé qui soit. À sa sortie de l'usine de traitement, elle doit être conforme aux normes de potabilité définies par le décret du 03.01.1989 du ministère de la santé.

On contrôle alors - l'odeur, le goût, la couleur, la transparence;

- le pH, le taux de chlorures, de sulfates, etc.

- le taux de substances indésirables : nitrates, nitrites, fluor, hydrocarbures;

- le taux de substances toxiques : mercure, plomb, chrome, arsenic.

Enfin, il faut éliminer les substances pathogènes. Dans le cas de désinfection d'eau suspecte, le traitement antimicrobien peut utiliser des composés chlorés comme l'eau de Javel. Ce traitement donne un goût désagréable à l'eau. En France, le taux de « chlore » résiduel est de 0,2 à 0,3 mg/L à la sortie des stations, alors qu'à New York il atteint 2 mg/L, l'odeur et le goût d'eau de Javel y étant considérés comme gage d'une eau saine.

Le tableau suivant indique les concentrations maximales tolérées (Cmax) dans l'eau potable pour quelques substances.


Substance

Cmax (mg/L)

Substances toxiques

Cmax (mg/L)

Substances indésirables

Cmax (mg/L)

Chlorures

200

Arsenic

0,010

Nitrate

50

Sulfates

250

Plomb

0,010

Chlorure de vinyle

0,0005

Sodium

150

Mercure

0,001

Fer

0,2

Magnésium

50

Cyanure

0,050

Fluor

1,5




  1. Questions relatives aux textes

  1. Quels sont les avantages et les inconvénients de la filtration sur sable (texte 1) ?

Peu polluant, simple d’utilisation mais ne permettant pas un débit suffisant

  1. Quelle(s) étape(s) essentielle(s) n’a-t-on pas réalisé dans notre série d’expériences pour rendre l’eau potable ? En déduire quels polluants n’ont pas été éliminés.

Aucune étape de stérilisation (ozonation et chloration) n’a été réalisée. Il reste donc tous les agents pathogènes virus, bactéries…

  1. Comparer le traitement de l’eau à son assainissement (textes 1 et 2)

Lors de l’assainissement des eaux usées les étapes sont simplifiées et il n’y a en particulier aucune étape de stérilisation ni de filtration

  1. Les techniques de filtration de l’avenir s’appelle la microfiltration ou la nanofiltration. Expliquez le terme. Quelle différence y a-t-il entre ces deux techniques selon vous. (texte 3)

Filtration à travers de minuscules trous permettant d’arrêter diverses substances suivant la dimension des trous (pores).

Micro filtration : pores de l’ordre du micromètre ; nanofiltration : pores de l’ordre du nanomètre  il n’y a alors aucune autre étape à faire car l’eau ressort pure.

  1. Compléter le schéma du texte 4 en ajoutant les mot suivant :

Rayons solaires ; Evaporation ; Liquéfaction ; Eau salée ; Eau douce


  1. Quel est l’intérêt d’avoir un bassin noir ? Pourquoi doit on éliminer le sel du bassin ?

Un bassin noir permet de mieux capter l’énergie solaire et donc d’évaporer plus efficacement l’eau salée ou saumâtre.

L’eau s’évaporant dans le bassin, l’eau restante se concentre en sel (comme dans un marais salant). Il faut donc éliminer cette eau avant que le sel ne cristallise et la remplacer par de l’eau de mer « neuve ».

  1. Avant de consommer cette eau distillée il est nécessaire de la re-minéraliser. Expliquer pourquoi.

Cette eau distillée ne contient plus de sels minéraux dissous : sa consommation, sans être dangereuse, pourrait provoquer des diarrhées.

  1. Le taux de chlore à New York vous semble-t-il justifié ? Pourquoi ? (texte 5)

Ce taux de chlore est injustifié car l’eau conserverait sa potabilité avec 10 fois moins de chlore. C’est juste un problème culturel.


  1. Un peu de chimie

  1. Qu’est-ce que les chlorures et les sulfates ? Des ions. Quelle en est la formule chimique ? Cl- et SO42-

Citez des noms de sels contenant le mot chlorure chlorure de sodium (le sel) ou sulfate. sulfate de cuivre

  1. Quels sont les symboles chimiques des quatre substances toxiques citées dans le texte ? As Pb Hg et CN-

  2. Dans quelle unité s’exprime ici la concentration ? mg/L En connaissez vous une autre ? mol/L

Document produit par le Lycée Toulouse Lautrec -31000 Toulouse

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