élimination de la dureté (calcium et magnésium)

méthodes principales

décarbonatation à la chaux

réactions de base

Les réactions chimiques de décarbonatation sont les suivantes :

Formule : décarbonatation à la chaux

Toutefois si, comme le plus souvent, l’eau contient du CO2 libre, celui-ci réagit le premier sur la chaux pour former de l’hydrogénocarbonate :

Formule : décarbonatation à la chaux - hydrogénocarbonate

d’où une augmentation du TAC et du TCa, dans un premier temps, avant que la réaction (1) ne prenne le relais.

Si TCa < TAC (eau bicarbonatée calcique et magnésienne) on a ensuite :

Formule : décarbonatation à la chaux si Tca < TAC

Le carbonate de magnésium étant relativement soluble (de l’ordre de 70 mg · L–1) un excès de chaux con­duira à la réaction :

Formule : décarbonatation excès de chaux

et si les doses de réactif sont exactement ajustées, on réduit l’alcalinité de l’eau à la solubilité théorique du système CaCO3 + Mg(OH)2 qui est comprise entre 2 et 3 °F dans les conditions usuelles de concentration et de température.

Cependant, cette valeur limite du TAC peut se trouver augmentée dans la pratique par la présence d’impu­retés dissoutes (ex. : acides organiques, ammonium, phosphates…).

Comme les équations ci-dessus le montrent, ces réactions ne permettent d’éliminer que la dureté bicar­bonatée (TH équilibré par du TAC). Elles n’éliminent donc ni la dureté permanente (TH – TAC > 0), pour ce faire, il faut ajouter du carbonate de sodium, ni les bicarbonates non associés à la dureté (eaux bicarbonatées sodiques), pour ce faire, il faut ajouter un excès de chaux.

La figure 5 récapitule sur un exemple d’eau bicarbonatée calcique l’évolution des différents titres en fonc­tion de la dose de chaux ajoutée.

Image sécurisée
Figure 5. Evolution des titres d'une eau en fonction de la quantité de chaux produite

mécanisme de la cristallisation

Le carbonate de calcium formé est cristallin et comme tel a une cinétique de précipitation qui suit les lois de la germination-cristallisation, à savoir :

  • en l’absence de germes de cristallisation, la précipitation est très lente, l’eau reste en sursaturation et la précipitation tend à s’effectuer sur les quelques matières en suspension présentes mais surtout sur les surfaces disponibles, principalement si elles sont métalliques (paroi des réacteurs, agitateurs, canaux, vannes…). On observera donc un entartrage progressif mais souvent rapide ;
  • au contraire, en présence de cristaux, la précipitation est très rapide et en quelques minutes l’équilibre est atteint. Ceci est du moins vrai tant que la surface des cristaux disponibles reste suffisamment « propre » : absence d’impuretés telles que polymères organiques adsorbés, colloïdes, hydroxydes métal­liques. En particulier lorsque Mg(OH)2 est précipité, il va tendre à ralentir la précipitation et surtout à allé­ger beaucoup les agrégats cristallins formés. Il faudra en conséquence grossir le réacteur et le séparateur utilisés, voir floculateurs - décanteurs - flottateurs.

Un bon appareil de décarbonatation doit donc comporter :

  • une zone de mélange intime entre cristaux recirculés, eau à traiter et chaux ;
  • une zone de décantation d’où les cristaux formés sont séparés et partiellement retournés dans la 1re zone.

L’emploi d’un coagulant et/ou d’un floculant est nécessaire pour améliorer la vitesse de décantation et per­mettre l’emploi d’un décanteur rapide (type Densadeg avec des vitesses > 30 m · h–1).

emploi du carbonate de sodium

L’élimination de la dureté permanente est obtenue par le carbonate de sodium à froid, associé ou non avec la précipitation des bicarbonates de calcium et de magnésium par la chaux. Cette élimination se fait suivant les réactions :

Formule : élimination de la dureté -emploi carbonate sodium

Ce procédé ne permet toutefois pas d’abaisser le TAC au-dessous de 3 ou 4 °F dans les cas les plus favo­rables.

précipitation par la soude caustique

L’élimination des ions calcium et magnésium par précipitation par la soude est une variante du procédé de traitement conjoint par la chaux et le carbonate de sodium, décrit plus haut.

La réaction de base est la suivante :

Formule : élimination ions calcium et magnésium par précipitation soude caustique

La précipitation du carbonate de calcium s’accompagne de la formation de carbonate de sodium qui réa­gira sur la dureté permanente suivant les réactions (5) et (6) ci-dessus.

L’utilisation de la soude permet donc d’abaisser la dureté d’une eau d’une valeur égale à deux fois la diminution de la teneur en bicarbonates alcalinoterreux. Le TAC de l’eau ne peut être abaissé à envi­ron 3 à 4 °F que s’il existe suffisamment de dureté permanente pour se combiner avec le carbonate de sodium formé. L’emploi de soude n’est donc recommandé que dans ce cas ; mais il peut être également envisagé pour l’adoucissement partiel des eaux dans lesquelles TCa > TAC.

calcul et contrôle de la précipitation (obtention d’un TAC minimal)

On appelle :

  • TCa titre hydrotimétrique calcique en °F correspondant à la teneur globale en calcium;
  • TMg titre hydrotimétrique magnésien en °F correspondant à la teneur globale en magnésium;
  • C teneur en CO2 libre exprimée en °F :
Formule : Calcul et contrôle précipitation

dose de chaux

TH-TAC positif

La dose théorique de chaux nécessaire pour obtenir la précipitation optimale du seul carbonate de calcium est suivant la réaction (1) :

Formule : Dose chaux - TH-TAC positif

Si on doit précipiter à la fois le carbonate de calcium et de la magnésie (correspondant au Mg lié au TAC), le TMg étant supérieur à TH-TAC (titre Mg(CO3H)2 = TAC-TCa), la dose de chaux nécessaire sera :

Formule : Dose chaux nécessaire précipittaion carbonate de calcium et magnésie

TH-TAC négatif

Ceci concerne les eaux bicarbonatées sodiques. On peut toujours obtenir une bonne précipitation du cal­cium et du magnésium en calculant la chaux sur TAC + C, mais on produira ainsi une eau chargée en soude caustique, et on peut avoir intérêt à employer une dose plus faible. Ceci revient alors à ne précipiter que le CaCO3 pour éliminer l’ion le plus entartrant soit :

Formule : Dose chaux - TH-TAC négatif

contrôle des résultats

Dans tous les cas, il faut augmenter (ou diminuer) la dose de chaux de 5,6 g par m3 (en CaO) ou 7,4 g par m3 (en Ca(OH)2) par degré de TA mesuré en plus ou en moins autour de la règle théorique.

Bien entendu, les valeurs 5,6 et 7,4 s’entendent pour des produits à 100 %. En fait, les chaux sont toujours impures et plus ou moins carbonatées et les valeurs industrielles sont à majorer suivant les situations de 10 à 30 %. Si on se borne à précipiter le carbonate de calcium, le réglage idéal est obtenu pour :

Formule : Dose chaux - résultats TA

réglage qui correspond à un minimum de TAC de 2 °F environ si l’eau ne contient pas de magnésium, ni de composés inhibiteurs de la cristallisation.

Si TMg est supérieur à TH-TAC, l’application de cette règle conduit à des TAC excessifs du fait de la solu­bilité du carbonate de magnésium et le résultat optimal est obtenu quand on a :

Formule : Dose chaux - résultats TA si TAC excessifs

avec une valeur du TA aussi faible que possible.

dose de carbonate de sodium

La dose de carbonate de sodium nécessaire est en produit pur :

Formule : Dose de carbonate de sodium

contrôle des résultats

En théorie, pour une eau exempte de magnésium on doit obtenir

Formule : Dose de carbonate de sodium - résultats eau exempte de sodium

En pratique, si on a affaire à une eau dont la dureté permanente est en partie magnésienne, cette règle peut ne plus être observée et le problème doit alors être examiné au cas par cas.

dose de soude

La dose de soude caustique à utiliser est, en produit pur, de :

Formule : Dose de soude

contrôle des résultats

Pour un abaissement de 1 °F du TAC on doit avoir une diminution de 2 °F du TH.

En pratique, on règle la dose de soude caustique introduite dans l’eau de façon à obtenir la valeur mini­male de TAC résiduel.

cas particulier de la décarbonatation partielle

Si on ne recherche qu’un abattement partiel (ex. : EP ) de la dureté calcique, désigné par D TCa, on appli­quera une dose de chaux basée sur C + D TCa (ou C + D TAC). Si le réactif utilisé est la soude, le calcul est le même que ci-dessus :

Formule : Décarbonatation partielle