PROCEDES DE PURIFICATION DE L EAU

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1 PROCEDES DE PURIFICATION DE L EAU Dans la démarche, on s intéresse à 4 types de mélanges : liquide/solide liquide/composé dissous liquide/liquide liquide/micro-organisme Objectifs principaux : S investir dans une démarche scientifique incluant aussi bien des aspects techniques, expérimentaux que documentaires Comprendre qu une eau limpide n est pas forcément potable Prendre conscience des enjeux écologiques 1) Solide / Liquide Situation déclenchante : une bouteille d eau boueuse est présentée aux élèves. «Pensez-vous que l on puisse boire cette eau? Comment pourrait-on purifier cette eau?» Plus tard, lors de la lecture d un document précisant que l eau potable est obtenue entre autres par pompage et traitement des eaux superficielles, on fait référence au jour où, en séance de sport à la base de loisirs de Cantepau, on avait remarqué que l eau du Tarn était particulièrement boueuse (à cause de violents orages survenus la veille). Il faut donc que cette eau soit purifiée Diverses hypothèses ont été proposées par les élèves : utilisation d une passoire, d un filtre à café, d un mouchoir ou d une serviette(en guise de filtre). On introduit alors la notion de filtration. Remarque : l eau boueuse présentée aux enfants n a été soumise à l expérimentation qu au bout de plusieurs jours, ce qui a permis de mettre en évidence le phénomène de décantation ; ce dernier constitue d ailleurs un procédé de purification utilisé pour la production d eau potable. Mais en classe, nous avons décidé de n expérimenter qu après avoir agité chaque bouteille, afin de travailler à partir d une eau «la plus sale possible», en imaginant que «le temps nous est compté». Résultats après expérimentation : Les élèves constatent que le meilleur résultat est celui obtenu avec le filtre ; mais la filtration est trop lente, parce que «les trous sont trop petits, et les morceaux 1

2 de boue trop gros bouchent». D où l idée de filtrer dans un premier temps avec la passoire pour «enlever les gros bouts» puis de poursuivre la filtration avec le filtre à café. L expérience ne donne pas de résultat vraiment concluant : pour percevoir une différence il faudrait vraisemblablement filtrer des volumes d eau beaucoup plus importants. lecture d un texte documentaire «Comment rend-on l eau potable?» : Les élèves découvrent que l eau potable est obtenue notamment par filtration sur sable. On décide donc d expérimenter de nouveaux filtres : le sable et le gravier, ainsi que l enchaînement gravier/sable par analogie avec l enchaînement passoire/filtre à café. Matériel : des gobelets en plastiques transparents, des récipients pour recueillir l eau filtrée, des bouteilles d eau boueuse, collants, bouteilles en plastique, gravier, sable (2 granulométries différentes). Prévoir du sable propre! On peut envisager de le nettoyer, mais c est plutôt laborieux alors que les vendeurs de piscine proposent du sable propre à un tarif raisonnable (disons entre 8 et 10 euros les 25 kg). sable bouteille collant Partie supérieure de la bouteille dont on a évidemment enlevé le bouchon, sans quoi la filtration marche beaucoup moins bien Chaque expérience de filtration donne un résultat qui ne peut être correctement interprété que par comparaison avec l état de l eau au départ ; d où la nécessité de réaliser des prélèvements de l état initial et de l état final dans des gobelets transparents. C est l occasion de (re)découvrir avec les élèves la notion de «témoin» souvent indispensable pour assurer l objectivité de toute interprétation scientifique de résultats expérimentaux. Résultats obtenus : Ça ne marche pas! Les élèves observent que l eau boueuse ne traverse pas le sable, elle s écoule entre le collant, qui fait des plis, et la paroi de la bouteille. 2

3 D où l idée de placer le collant uniquement à l extrémité de la bouteille, maintenu par le bouchon que l on a pris soin de trouer (évidemment ) Cette fois-ci, les élèves constatent que l eau recueillie est «claire au début, puis de plus en plus sombre». Des élèves expliquent que «au bout d un moment, le sable a arrêté tellement de cochonneries que là il ne peut plus les retenir». On vient alors de mettre le doigt sur la notion de saturation du filtre, et certains proposent d augmenter la taille de la bouteille pour pouvoir utiliser plus de sable, et rendre la saturation plus lente à venir Résultats de l expérience avec le gravier : Tout comme avec la passoire, l eau reste très sombre Résultats de l expérience gravier/sable/filtre à café : Notre station de filtration est constituée ainsi (de haut en bas) : gravier «gros sable» - «sable fin» - filtre à café. Pour la plupart des groupes une eau limpide est obtenue! 2) Liquide/composé dissous Situation déclenchante : Une bouteille contenant de l eau salée est présentée aux élèves : «Cette eau estelle pure?» Une écrasante majorité tombe dans le piège, «c est juste de l eau du robinet». Le maître prépare alors sous leurs yeux une nouvelle solution salée, et montre ainsi que certains composés peuvent être dissous dans l eau tout en étant invisibles à l œil nu. «Comment purifier cette eau?» Les hypothèses attendues sont : filtration,..évaporation? Lecture d un texte documentaire sur les marais salants pour amener (si besoin est) l idée de l évaporation. ( cela n a pas été nécessaire Mais on y a bien entendu fait référence.) 3

4 Certains élèves proposeront peut-être d accélérer le phénomène en utilisant une source de chaleur de type radiateur, ou lampe. Si besoin est, les amener à la plaque chauffante, et observer le phénomène d ébullition de l eau. Les procédés de filtration utilisés pour l eau boueuse sont à nouveau envisagés. Des élèves proposent de faire bouillir l eau sur une plaque chauffante. Dans la mesure où cette expérience permet de faire s évaporer l eau et de n obtenir que le sel dans la casserole, certains proposent de l utiliser systématiquement pour vérifier si les échantillons obtenus par filtration contiennent encore du sel : aucune filtration n a permis d éliminer le sel! Il faut travailler sur de très petits volumes afin que l expérience de la plaque chauffante ne prenne pas trop de temps! Se posent alors 2 problèmes : - On voulait obtenir de l eau sans sel, et ce qu on obtient avec le procédé de la plaque chauffante c est du sel sans eau : il faut récupérer cette eau évaporée! - L eau évaporée ne contient-elle plus du tout de sel? Par analogie avec la formation de buée, on en vient à l idée qu il faut que la vapeur d eau rencontre une surface plus froide, pour redevenir liquide. On utilise alors du matériel de laboratoire afin de montrer qu il est possible de récupérer l eau évaporée, puis une fois que cette eau est «récupérée» nous vérifions qu elle ne contient plus de sel grâce à l expérience de la plaque chauffante. (Matériel : chauffe-ballon, ballon, colonne à distiller, colonne de refroidissement, erlenmeyer.) lien avec le cycle de l eau : l eau de pluie ne contient pas de sel. lien avec les dangers de la pollution par des composés solubles (coût élevé pour éliminer ces fameux composés ; impacts écologiques ). 4

5 Lien avec le coût élevé de la production d eau potable à partir d eau de mer (solution envisagée par les pays riches où l eau est rare - c est le cas de certains pays riches en pétrole). Préciser également qu il est possible de filtrer le sel, en utilisant des membranes et des procédés au coût très élevé. 3) Liquide / Liquide Etude de la miscibilité des liquides suivants : huile, alcool, eau, sirop. Observer les différentes phases correspondant à des liquides non miscibles, retour à l équilibre après mélange. Quelle phase est au-dessus? à l aide de balances de Roberval, mettre en lien les différences de masses volumiques et les positions des liquides concernés. En station de production d eau potable, les corps gras sont éliminés parce qu ils surnagent. «Comment séparer 2 liquides miscibles?» exemple : eau/alcool Hypothèses des enfants. (mais cela paraît difficile ), tentatives d expérimentation Attention cependant à la nocivité de l alcool. Au final, montrer aux enfants le procédé de distillation, avec éventuellement une colonne empruntée à l Ecole des Mines : comparer avec l expérience de purification de l eau salée (ébullition, utilisation d une source de chaleur, ). 4) Liquide/micro-organismes Des élèves ont déjà spontanément évoqué l existence de bactéries et la nécessité de désinfecter l eau : en chauffant, ou en ajoutant du sel ou du javel Mise en évidence de la présence de bactéries, et recherche de procédés de désinfection : Matériel : tubes de gélose, sel de table, chlore, javel Expérience réalisée collectivement : étaler sur la gélose (aussi vite que possible, pour limiter autant que possible les contaminations) un échantillon d eau achetée en bouteille 5

6 de l eau du Tarn de l eau du robinet de l eau chlorée de l eau salée à saturation de l eau javellisée de l eau bouillie (étaler le prélèvement avant refroidissement) faire enfoncer les doigts dans la gélose d un tube. L évolution des cultures sera observée au cours des journées suivantes, l idée étant de procéder par comparaison (étant donné que les étalements n auront pas été effectués dans des conditions de stérilité, des colonies de bactéries vont se développer dans tous les tubes d où l idée de témoin, de référence : on comparera systématiquement aux résultats obtenus avec l échantillon prélevé dans le Tarn pour vérifier dans quelles conditions on obtient le plus de colonies). Les enfants devront dessiner les tubes après jours. Le tube dans lequel les doigts ont été enfoncés devrait mettre en évidence la présence de bactéries sur la peau. Le jour du colloque, ils pourront observer des bactéries au microscopes. 6) Recherches documentaire menées en parallèle : 5 thèmes : les rôles de l eau dans notre organisme le manque d eau dans certaines parties du monde le traitement de l eau le cycle de l eau la pollution de l eau Un site très complet et très bien conçu (incontournable) : Une visite de la station de production d eau potable d Albi était également envisagée, mais nous a été refusée en raison d un plan Vigipirate. 6