les réactifs usuels

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Les réactifs de coagulation et de floculation sont des sels minéraux, simples ou polymérisés, et des poly­mères organiques, naturels ou de synthèse. Les tableaux principaux réactifs utilisés en traitement d'eau et principaux réactifs utilisés en traitement d'eau récapitulent les caractéristiques des formes commerciales des différents réactifs.

les coagulants minéraux

Les réactions données dans ce paragraphe sont des écritures schématisées résumant ces diverses réac­tions. Tous les produits formés sont solubles à l’exception d’A(OH)3 et de Fe(OH)3.

Pour des raisons :

  • d’innocuité (parfois remise en cause dans certains pays pour l’aluminium : risque possible du rôle de celui-ci dans la maladie d’Alzheimer) ;
  • d’efficacité (cations trivalents) avec un minimum de solubilité aux environs de pH 7 ;
  • de coût,

les coagulants principalement utilisés sont à base de sels d’aluminium ou de fer. On peut également, dans certains cas, utiliser des produits de synthèse, tels que les polyélectrolytes cationiques décrits plus loin.

sels d’aluminium

sels simples

La réaction de base, lors de l’ajout de l’ion Aℓ3+ dans l’eau, est la formation d’un précipité d’hydroxyde d’aluminium avec libération d’une certaine acidité (hydrolyse) :

Formule : sels d'aluminium - ajout ion Aℓ3+ dans l'eau

Cette acidité réagit sur certaines espèces en solution, notamment sur les ions bicarbonates (hydrogénocarbonates) :

Formule : sels d'aluminium - réaction ions bicarbonates

La réaction globale est :

Formule : sels d'aluminium - réaction globale

Si le pouvoir-tampon ( TAC ) de l’eau brute n’est pas suffisant, cette acidité doit être compensée lors de l’ajout du coagulant par l’adjonction d’une base (soude, chaux, carbonate de sodium).

En fait, il ne s’agit ici que de réactions globales ; les mécanismes réels sont plus complexes et font inter­venir des formes intermédiaires entre l’ion Aℓ3+ et l’hydroxyde AℓOH)3, de la forme :

Formule : sels d'aluminium - formes intermédiaires ions et hydroxyde

par exemple : Aℓ(OH)2+, Aℓ(OH)2+

Ces ions sont aussi capables de s’hydrater, suivant la formule générale :

Formule : sels d'aluminium - ions hydratation
Formule : sels d'aluminium - réaction d'olation

De tels ions complexes subissent ensuite une polymérisation du fait d’une réaction d’olation, qui corres­pond à un pontage entre les hydroxyles OH :

Formule : sels d'aluminium - diversités des polymères

La diversité des polymères susceptibles de se former en fonction des conditions locales (pH, température, sels dissous, quantité et nature des colloïdes…), allant de

(ce qui cor­respond à la formule générale

Formule : sels d'aluminium - formule générale

explique les différences de floculation qui existent d’une eau à l’autre.

Bien entendu, ces phénomènes ne sont pas indépendants de ceux concernant la neutral

isation de la charge des MES de l’eau brute : ce sont en fait ces ions complexes qui évoluent de la sorte à la surface des particules constituant la turbidité, ce qui permet d’intégrer intimement ces dernières dans le floc en cours de formation ; on peut donc interpréter la formation du floc comme un pontage, entre les colloïdes initiaux de l’eau brute, par des complexes hydroxo-alumineux

Les réactifs les plus employés sont :

  • le sulfate d’aluminium, soit cristallisé : Aℓ2(SO4)3, 14 ou 18 H2O, soit liquide : solution à 600 ou 720 g · L–1 de sulfate cristallisé 18H2O ; couramment appelé sulfate d’alumine ou encore « Alum » en anglais.
  • le chlorure d’aluminium AℓCℓ3 liquide (efficace mais rare)
  • l’aluminate liquide Aℓ2O3, n NaOH qui de fait s’hydrolyse en AℓO accompagné de plus ou moins de NaOH en excès.

Comme déjà expliqué, l’hydrolyse des sulfates, chlorures, voire chlorosulfates d’Aℓ, libère de l’acidité qui doit être neutralisée par la décomposition de bicarbonates. Le pH chute plus ou moins rapidement (hors zone pH optimal…) suivant le pouvoir tampon de l’eau, selon la réaction globale (ex. avec le sulfate, cas le plus courant) :

Formule : sels d'aluminium - pouvoir tampon de l'eau exemple du sulfate

On en déduit que :

10 mg · L–1 de sulfate d’alumine 18 H2O commercial (0,81 mg · L–1 en Aℓ)

  • diminuent le TAC de 0,45 °F et augmentent les sulfates d’autant ;
  • forment 2,35 mg · L–1 d’hydroxyde d’A;
  • libèrent 4 mg · L–1 de CO2

et en cas de TAC trop faible, il faut dans l’exemple ci-dessus ajouter 3,33 mg · L–1 (soit 0,45 °F) de chaux hydratée Ca(OH)2 pour maintenir le pH dans la zone optimale (voir aussi neutralisation-reminéralisation).

Dans le cas de l’emploi d’aluminate, il faudra au contraire neutraliser au besoin son alcalinité sodique avec un acide ; en outre, le coût du réactif est élevé, ce qui limite son emploi à des actions combinées clarification/ désiliciage (voir précipitation du silicium).

polymères d’aluminium

Les sels d’aluminium précédents, s’ils sont partiellement basifiés par ajout d’OH avant leur mise en œuvre, vont « prépolymériser » des chaînes d’hydroxyde en laissant de nombreux sites Aℓ3+ disponibles pour la coagulation.

De formule globale Aℓn(OH)p(Cℓ)3n–p (polychlorures d’aluminium) ou Aℓn(OH)p(Cℓ)q(SO4)r (polychloro­sulfates d’aluminium),ces polymères d’aluminium sont caractérisés par leur rapport molaire

Formule : polymères d'aluminium

Plus ce rapport est élevé, plus les chaînes sont longues et meilleur est l’effet floculant du réactif, produisant rapidement un floc de bonne taille et dense (cohésif) ; en revanche plus R croît, plus le produit devient instable ; en pratique, R est généralement limité au domaine 0,4 à 0,6.

De nombreux produits commerciaux existent et sont en évolution régulière.

PCBA (polychlorure basique d’aluminium)

Si l’on veut pousser plus avant R, il faut préparer sur place le produit juste avant son utilisation et dans ce cas R peut atteindre des valeurs > 2, ce qui permet une floculation rapide avec un taux de traitement mini­mum et une bonne élimination des matières organiques.

Malheureusement, la préparation in situn’est pas facile et ceci a, jusqu’à présent, bloqué la diffusion de ce réactif.

sels de fer

Parmi ceux-ci, les sels ferriques sont les plus utilisés. La réaction globale est la même qu’avec les sels d’aluminium :

Formule : sels ferriques

et par exemple avec le chlorure ferrique dans une eau bicarbonatée calcique :

Formule : chlorure ferriquedans une eau bicarbonatée

Avec les sels de fer on rencontre les mêmes problèmes de consommation de TAC et/ou produits alcalins à doser pour maintenir le pH dans la zone optimale (néanmoins beaucoup plus large que pour les sels d’A).

Les formes commerciales sont :

  • les chlorures ferriques sublimé FeCℓ3 ou cristallisé FeCℓ3, 6H2O et le plus souvent liquide à 600 g · L–1 de FeCℓ3 (41 % en poids) ;
  • le sulfate ferrique cristallisé en poudre Fe2(SO4)3, 9H2O, voire des chlorosulfates ferriques ;
  • le sulfate ferreux en poudre FeSO4, 7H2O ; en revanche ce réactif doit être préalablement oxydé (Fe2+ Fe3+), souvent par C2, pour tout emploi à pH voisin de la neutralité ; par ailleurs, FeSO4, sous-produit industriel, a rarement la qualité voulue en traitement d’eau potable ou même industrielle.

De la même manière, la réaction (6) permet de prévoir que 10 mg · L–1 de solution commerciale de chlorure ferrique à 41 %, par exemple, abaissent le TAC de 0,38 °F, augmentent les chlorures d’autant, forment 2,7 mg · L–1 de Fe(OH)3 et libèrent 3,3 mg · L–1 de CO2.

Des polchlorures et des polychlorosulfate de fer sont disponibles mais encore peu utilisés.

En revanche, l’ion ferrate (ferrate de sodium ou de préférence de potassium car plus stable) présente un intérêt potentiel car il possède une double fonction :

  • oxydante, le fer hexavalent de l’ion FeO42– acceptant des électrons pour être réduit en Fe(III) ;
  • coagulante, à partir de l’ion Fe3+ ainsi obtenu.

Sa dissolution dans l’eau engendre de l’oxygène et des ions OH(d’où la nécessité d’ajuster le pH, éven­tuellement de l’utiliser conjointement avec un coagulant classique à effet acidifiant).

taux de traitement usuels

Des essais sont généralement nécessaires pour choisir le meilleur réactif (qualité/prix) et déterminer son taux de traitement.

Le tableau 6 donne des ordres de grandeur des taux d’emploi en g · m–3 (ou mg · L–1) de sels de fer ou d’alu­minium en traitement de clarification.

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Tableau 6. Taux de traitement usuels

adjuvants de floculation « naturels »

floculants minéraux

silice activée

La silice activée a été le premier floculant employé. Elle donne de bons résultats principalement quand elle est associée au sulfate d’aluminium en eau froide. Peu stable, elle est préparée juste avant utilisation par neutralisation partielle de l’alcalinité d’une solution de silicate de sodium.

L’agent acidifiant est généralement H2SO4, mais on peut aussi utiliser HCℓ, NaHCO3, eau de chlore… Dans des conditions précises de pH et de concentration, l’acide silicique libéré Si(OH)4 se polymérise par forma­tion de liaisons Si – O – Si, conduisant d’abord à un dimère (OH)3 Si – O – Si(OH)3 puis à un polymère ionisé de formule générale :

Formule : floculants minéraux - silice activée

Le taux de traitement à mettre en œuvre est de 0,5 à 4 mg · L–1 exprimé en SiO2.

silicoaluminate

Acide, le sulfate d’alumine en solution peut être utilisé pour réaliser l’activation du silicate de sodium. On obtient alors un silicoaluminate polymérisé. Il existe aussi des produits commerciaux composites à effet coagulant et floculant, fabriqués en incorporant de l’acide polysilicique dans un sel d’aluminium pour for­mer, suivant le cas, un polysilicosulfate (PASS) ou un polysilicochlorure d’aluminium (PASIC).

autres adjuvants minéraux

En amont d’une décantation ou d’une filtration, certains produits sont utilisés pour charger une eau brute qui ne contient pas assez de MES. Ce ne sont pas des floculants mais ils participent à la croissance du floc et à sa densification.

Ce sont par exemple

  • certaines argiles (bentonite, kaolin) ;
  • carbonate de calcium en poudre ;
  • charbon actif en poudre (utilisé principalement comme adsorbant) ;
  • sable fin (techniques dites « à floc lesté », voir décantation à floc lesté).

floculants organiques (polymères naturels)

Ce sont des polymères naturels extraits de substances animales ou végétales.

alginates

Les alginates de sodium sont obtenus à partir de l’acide alginique, lui-même extrait d’algues marines. Les constituants essentiels de cette structure polymérique sont l’acide mannuronique et l’acide guluronique. La masse molaire est de l’ordre de 2·103 à 104 D.

Les taux de traitement sont de 0,5 à 2 mg · L–1.

amidons

Les amidons sont obtenus à partir de maïs, pommes de terre, tapioca ou extraits de graines végétales. Ce sont des polymères de glucopyranose ramifiés et non linéaires, parfois partiellement dégradés (OH) ou dérivés (carboxy-éthyl-dextrone). Ils sont appliqués entre 1 et 10 mg · L–1, de préférence avec des sels d’alu­minium.

Amidons et alginates sont des produits solides qui doivent être préparés en solution à une concentration de 5 à 10 g · L–1.. Une fois dilués, leur biodégradation peut être rapide, surtout à plus de 20 °C.

autres composés

Plusieurs polysaccharides naturels ont des propriétés floculantes (dérivés de la cellulose, gommes, tanins, ).

les coagulants organiques de synthèse

Ce sont des molécules organiques de synthèse, à caractère cationique, de masse molaire moyenne (104 à 105 D). Ils sont disponibles uniquement sous forme liquide, en milieu aqueux.

Ces produits sont utilisables directement (pas de poste de préparation), en remplacement total ou partiel d’un coagulant minéral. Ils doivent être injectés après dilution en ligne.

Un coagulant organique ne modifie que très faiblement le pH et apporte très peu de salinité supplémen­taire. Il conduit à une réduction importante du volume de boue produit. Les boues extraites sont plus denses, mais aussi plus collantes. Leur application n’est donc pas adaptable à n’importe quel type d’ouvrage de séparation.

classification

Trois familles principales sont rencontrées :

  • mélamineformaldéhyde (ou mélamineformol)
Formule : classification - mélamineformaldéhyde ou mélamineformol
  • épichlorhydrine diméthylamine (ou epi.DMA )
Formule : classification - épichlorhydrine diméthylamine
  • poly(chlorure de diallyldiméthyl-ammonium) (ou polyDADMAC)
Formule : classification - polychlorure de diallyldiméthyl - ammonium

On trouve encore d’autres produits, tels que des polyamines différentes de l’epi.DMA et les polyéthylèni­mines, principalement en clarification d’eaux résiduaires industrielles.

Remarque : il existe aussi des coagulants organiques d’origine naturelle (ex. : Chitosan ; extraits de grai­nes d’arbres tropicaux…), dont l’utilisation se développe lentement.

domaines d’application

Vu le nombre limité de charges cationiques utilisables, ces coagulants organiques sont surtout intéres­sants lorsque l’on a affaire à des MES fines ou des colloïdes peu chargés (faible potentiel zêta) où leur emploi est simple et économique.

clarification

Pour le traitement d’une eau destinée à l’alimentation, il faut se référer à la législation du pays concerné. Les taux de traitement à appliquer sont de l’ordre de 2 à 15 g · m–3 exprimés en produit commercial liquide.

coagulation sur filtre

En filtration d’eau de mer, la réaction de coagulation peut être associée à une réaction prématurée et pré­judiciable de précipitation du coagulant en raison de la forte salinité, aussi seuls quelques coagulants con­viennent.

eaux résiduaires industrielles

C’est un domaine d’application important des coagulants organiques. Le taux de traitement (5 à 50 g · m–3) dépend considérablement du type d’effluent.

synergie avec un coagulant minéral

Dans certains cas, le coagulant organique seul ne permet pas d’atteindre la qualité d’eau obtenue avec un coagulant minéral.

L’utilisation conjointe des deux types de coagulant permet une très nette diminution de la quantité de coa­gulant minéral nécessaire (40 à 80 %), tout en assurant un moindre volume de boue produit.

floculants organiques de synthèse

Ce sont des macromolécules à très longuechaîne obtenues par polymérisation de monomères synthéti­ques, dont certains possèdent des charges électriques ou des groupements ionisables. Ce sont des produits à très haute masse molaire (106 à 107 D) qui ont permis d’atteindre des performances (taille, solidité, densité des flocs) remarquables, généralement très supérieures à celles des polymères naturels.

classification

Elle s’effectue suivant l’ionicité du polymère.

anioniques

Ce sont généralement des copolymères de l’acrylamide et de l’acide acrylique.

Formule : classification - copolymères de l'acrylamide et acide acrylique

neutres (ou non-ioniques)

Ce sont essentiellement des polyacrylamides.

Formule : classification - polyacrylamides

cationiques

Ce sont des copolymères d’acrylamide et d’un monomère cationique à N quaternisé et chlorométhylé, généralement le MADAM (Méthacrylate de diméthylamino-éthyle) ou l’ADAM (Acrylate de diméthylamino- éthyle).

Formule : classification - MADAM ou ADAM

mise en œuvre

Les floculants organiques sont disponibles sous trois formes

  • solide ;
  • émulsion (polymère en émulsion dans un solvant organique) ;
  • solution (à environ 20 g · L–1 en milieu aqueux).

L’utilisation des floculants solides ou en émulsion nécessite toujours une préparation particulière de mise en solution. Une dilution secondaire de ces produits est toujours nécessaire (voir mise en œuvre des polymères "polyélectrolytes").

domaines d’application

eaux de surface

En clarification, le floculant de synthèse est utilisé en combinaison avec un coagulant. Le meilleur poly­mère est généralement un anionique, beaucoup plus rarement un non-ionique ou un très légèrement catio­nique.

Un dosage de 0,05 à 0,5 g · m–3 est usuel. Dans certains cas particuliers d’eaux chargées (débourbage), on peut utiliser jusqu’à 2 g · m–3 de polymère.

(Attention : l’usage des polymères en traitement d’eau potable est réglementé dans la plupart des pays, voir pollution induite par les traitements dues au réactif).

eaux résiduaires industrielles

Pour un traitement avec coagulant minéral, un polymère anionique est en général employé jusqu’à 2 g . m–3. Dans certains cas particuliers (traitements de surface, sidérurgie, lavage des gaz), un polymère coagulant- floculant cationique seul est souvent mieux adapté (0,5 à 5 g . m–3).

eaux résiduaires urbaines (traitements physico-chimiques)

En association avec un coagulant minéral, le meilleur floculant est en général de type anionique. Quand seule l’élimination des MES est recherchée, un floculant synthétique peut être utilisé seul.

déshydratation des boues

Les floculants cationiques sont généralement adaptés au traitement des boues organiques. Les boues à caractère minéral nécessitent des floculants anioniques. La consommation est comprise entre 0,5 et 10 kg de polymère par tonne de matière sèche (voir traitement des boues liquides).