Dessalement de l eau. I. Distillation d eau de mer : Réaliser la distillation d eau de mer. II. Osmose : III. Vaporisation de l eau :

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1 Thème : L eau Sous-thème : 2. Eau et ressources Séance 1. Dessalement de l eau Le professeur va vous montrer un extrait du journal télévisé. Pratique expérimentale I. Distillation d eau de mer : Réaliser la distillation d eau de mer. II. Osmose : Le professeur va vous présenter cette expérience. III. Vaporisation de l eau : Mettre en place le dispositif ci-contre. Remplir la fiole à vide au ¾ avec de l eau du robinet. Boucher la fiole, puis ouvrir le robinet. Questions relatives aux expériences : La lecture des documents est nécessaire Q1. Légender le montage de distillation. Q2. Proposer puis réaliser une expérience permettant de mettre en évidence l intérêt de la distillation d eau de mer. Tout le matériel usuel du laboratoire et tous les réactifs sont à votre disposition. Q3. Décrire l expérience illustrant l osmose. Noter vos observations puis les interpréter. Q4. Décrire et interpréter vos observations du III. Citer un passage du document 2 en relation avec cette expérience. Spécialité Séance 2.1. Dessalement eau 1

2 Analyse et synthèse de documents scientifiques Plus d un milliard de personnes n a pas accès à l eau potable aujourd hui. Les eaux des mers et océans sont des ressources en eau parmi les plus abondantes. Ainsi, de plus en plus d usines de dessalement de l eau de mer sont construites dans le monde. Comment produire de l eau potable à partir de l eau salée? Quelle est l empreinte écologique de ces usines à dessalement? Document 1 : Salinité des eaux La salinité des eaux marines, exprimée en g.l 1, mesure la concentration en sels dissous (chlorure de sodium, sulfate de magnésium, carbonate de calcium, etc.). Elle varie d une mer à l autre (doc.1). La salinité d une eau est déterminée par mesure de sa conductivité. Document 2 : Distillations Le procédé de distillation consiste à chauffer de l eau de mer pour en vaporiser une partie. La vapeur d eau produite ne contient pas de sels ; il suffit alors de la condenser pour obtenir de l eau douce. Il existe deux grands procédés de distillation : - la distillation à effet multiple (MED) ; - la distillation multiflash (MSF), procédé le plus utilisé dans le monde. - La distillation à effets multiples (MED) (voir fig.1 et sur le PC : Spe-2-1-Distillations.pptx) Dans la première cellule de distillation (effet 1), de l eau de mer ruisselle sur des tubes chauffés grâce à une chaudière. Une partie de l eau mer est vaporisée vers 70 C car la pression dans l effet 1 est inférieure à la pression atmosphérique. L eau de mer non vaporisée s accumule au fond de la cellule. La vapeur d eau formée est envoyée dans le serpentin de l effet 2 où règnent une température et une pression plus basses que celles de l effet 1. La vapeur d eau est ainsi condensée en eau distillée : cette eau est retirée de la cellule grâce à une pompe. La condensation libère suffisamment d énergie thermique pour vaporiser en partie l eau de mer qui ruisselle sur les tubes. La vapeur formée entre dans la cellule 3 où le même processus se répète. En pratique, on peut placer en série jusqu à 6 ou 7 cellules de distillation. Le dernier serpentin est refroidi par l eau de mer. ll faut 2 à 4 litres d eau salée pour obtenir 1 litre d eau douce. 2

3 Figure 1 La distillation multiflash (MSF) De l eau de mer est chauffée sous pression à 120 C tout en restant liquide. Elle est ensuite envoyée dans une cellule où règne une pression réduite. Une partie de l eau sous pression est immédiatement vaporisée par détente appelée flash. La vapeur d eau formée monte au contact de conduits froids, où circule l eau de mer, et se condense en eau douce. Une pompe retire alors l eau distillée de la cellule. L eau de mer non vaporisée dans la première cellule entre dans une deuxième cellule où règne une pression plus faible que celle de la première cellule. Une seconde détente se produit d où le nom de distillation multiflash. Les usines de dessalement MSF peuvent comporter jusqu à 40 cellules. 3

4 Document 3 : Osmose inverse Document 4 : Usine de dessalement L osmose tend à équilibrer les concentrations de deux solutions par transfert d eau. Dans les procédés d osmose inverse, la mise sous pression de l eau de mer sous 80 bars environ, provoque le transfert de l eau à travers la membrane semi-perméable. On obtient de l eau pure dans un compartiment et une solution d eau salée très concentrée dans l autre. Document 5 : Bilan environnemental du dessalement Les usines de dessalement rejettent des quantités importantes de saumure. Si la température du concentré évacué par le procédé d osmose inverse n est pas plus grande que celle de l'eau de mer, elle est de 5 à 15 C supérieure dans le cas des unités de distillation. D'autre part, pour chaque m 3 d'eau potable produite, le procédé d osmose inverse rejette 1 m 3 de saumure, alors que les unités de distillation en rejettent 9. Avec l'osmose inverse, la saumure est deux fois plus concentrée en sel que l'eau de mer, et 10 à 15 % fois plus avec la distillation. En outre, dans les deux cas, les rejets contiennent des résidus chimiques comme les composés chlorés utilisés pour limiter la contamination biologique de l eau ou le cuivre issu de l usure des installations. On estime à 300 kilogrammes par jour l'ensemble des rejets de cuivre de toutes les usines à distillation du Golfe. Ces usines de dessalement sont essentiellement alimentées par des énergies fossiles. Or, les combustibles fossiles présentent pour l'environnement l'inconvénient d'émettre des polluants atmosphériques, notamment du dioxyde de carbone CO 2, des oxydes de soufre et d'azote et des particules solides. Pour produire 1 mètre cube d'eau, une usine MED (Distillation multi-effets) consomme 7,5 kw.h. Plus des trois quarts de cette énergie sert à préchauffer l'eau de mer. Le second procédé est l'osmose inverse. Celui-ci réduit aujourd'hui la consommation totale d'une usine à 4 à 5,5 kw.h par mètre cube d'eau produite. Analyse et synthèse 1. Qu est-ce que la salinité d une eau? Quelle est la salinité de l eau de la mer Méditerranée? 2. Dans le procédé de distillation MED : 2.1. Que devient la vapeur produite dans l effet 1 lorsqu elle passe dans le deuxième effet? 2.2. Lors de ce passage, à quoi sert l énergie thermique libérée par la condensation? 2.3. Pourquoi la multiplication du nombre d effets permet-elle de réduire la consommation d énergie par rapport à une distillation simple? 3. Qu appelle-t-on «flash» dans le procédé de distillation multiflash? 4. Sur la figure illustrant le procédé multiflash, page 3, placer les numéros à. 5. Justifier qu un post-traitement avec reminéralisation de l eau distillée récupérée dans les procédés de distillation est nécessaire pour la rendre potable. 6. Quel est le risque majeur lié aux rejets de saumures dans les mers par les usines de dessalement? 7. Quels autres rejets sont produits par ces usines? 8. Pour quelles raisons les usines de dessalement par distillation ont-elles une empreinte écologique plus importante que celles par osmose inverse? 4

5 Thème : L eau Sous-thème : 2. Eau et ressources Séance 1. Pratique expérimentale I. Distillation d eau de mer : Q1. support élévateur chauffe-ballon colonne de Vigreux potence thermomètre réfrigérant droit erlenmeyer distillat = eau douce Dessalement de l eau Correction Q2. On mesure la conductivité de l eau distillée, puis celle de l eau de mer. On constate que la conductivité de l eau distillée est beaucoup plus faible que celle de l eau de mer. Les minéraux (ions dissous dans l eau de mer) sont restés dans le ballon sous forme de sels solides. Autre expérience possible : L eau salée contient des ions sodium Na + et chlorure Cl. On réalise le test des ions chlorure avec l eau de mer et avec l eau distillée. Dans un tube à essais, on ajoute quelques gouttes de solution de nitrate d argent. La formation d un précipité blanc qui noircit à la lumière n a lieu qu avec l eau de mer. L eau distillée ne contient pas d anions chlorure Cl, elle ne contient plus de sel. II. Osmose : t = 0 min sirop de menthe t = 1 h Q3. Observations : L eau monte dans l entonnoir et le tube vertical. eau distillée III. Vaporisation de l eau : Interprétations : L eau distillée passe du becher inférieur vers l entonnoir contenant le sirop. Cette expérience confirme les informations du document 3 : L osmose tend à équilibrer les concentrations de deux solutions par transfert d eau. Q4. On ouvre le robinet, et après quelques instants on constate que l eau bout dans la fiole à vide. La pression à l intérieur de la fiole est très faible, l eau se vaporise à température ambiante. Le document 2 indique que l eau de mer peut se vaporiser à 70 C car la pression est inférieure à la pression atmosphérique. 1

6 Analyse et synthèse de documents scientifiques 1. La salinité d une eau mesure la concentration en sels dissous (chlorure de sodium, sulfate de magnésium, carbonate de calcium, etc.) ; elle est exprimée en g.l 1. La salinité de la mer Méditerranée est de 38 g.l Dans le procédé de distillation MED : 2.1. La vapeur d eau produite dans l effet 1 se condense dans le serpentin de l effet L énergie thermique libérée par la condensation sert à vaporiser en partie l eau de mer qui ruisselle sur le serpentin Seule l énergie thermique nécessaire à l évaporation dans le premier effet est d origine externe. L énergie thermique nécessaire à la vaporisation de l eau de mer dans les effets suivants est apportée par la condensation de la vapeur. Cette énergie «gratuite» permet de réduire la consommation d énergie par rapport à une distillation simple. 3. Le «flash» est la vaporisation rapide de l eau de mer sous pression lorsqu elle pénètre dans une enceinte où règne une faible pression L eau distillée récupérée ne contient quasiment plus d ions. Or l homme a besoin de minéraux pour vivre car il en perd notamment lorsqu il transpire. S il ne buvait que de l eau pure sans sels dissous, des phénomènes d osmoses viendraient appauvrir l organisme en sel dissous. D où la nécessité de réminéraliser l eau distillée produite. 6. Le risque majeur lié aux rejets des saumures est la modification, voire la disparition, de la faune et de la flore aquatique. 7. Les rejets contiennent du sel mais aussi des résidus chimiques chlorés et cuivrés. 8. Les usines de dessalement par distillation : - rejettent d avantage de saumure que celle par osmose inverse ; - ont une consommation énergétique est plus grande ; - consomment des énergies fossiles ; - rejettent des GES (gaz à effet de serre). Leur empreinte écologique est donc plus grande que celle des usines à osmose inverse. 2

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