Le cycle domestique de l eau

Transcription

1 Les programmes : Le cycle domestique de l eau - Approche écologique à partir d un environnement proche. - Trajet et transformations de l eau dans la nature - Qualité de l eau Compétences visées : - Poser des questions précises et cohérentes à propos d une situation d observation ou d expérience. - Imaginer et réaliser un dispositif expérimental susceptible de répondre aux questions que l on se pose, en s appuyant sur des observations, des mesures appropriées ou un schéma. - Recommencer une expérience en ne modifiant qu un seul facteur par rapport à l expérience précédente. - Mettre en relation des données, en faire une représentation schématique et l interpréter, mettre en relation des observations réalisées en classe et des savoirs que l on trouve dans une documentation. - Rédiger un compte rendu intégrant schéma d expérience ou dessin d observation. Les séances : - Comment filtrer de l'eau sale? - Comment produit-on l eau potable? - Différence station d'épuration et station de production d'eau potable. - Comment est distribuée l eau potable? Questionnaire : L eau dans la vie quotidienne, son circuit : Qu'est-ce que la pollution? Salir, rejeter les déchets. De l eau, où peut-on en trouver? La mer, les rivières, les lacs, mais aussi le robinet Chez vous, à quoi sert l eau? A boire, cuisiner, laver, jouer

2 Mais cette eau, d où vient-elle? Du robinet, des tuyaux, de la source, Et où va-t-elle quand on l a utilisée pour se laver, pour laver le linge, pour tirer la chasse d'eau? Dans les tuyaux, à la mer, à la station d'épuration... La pollution: On procède à une rapide synthèse : «L eau, nous l utilisons tous les jours pour boire, pour cuisiner, pour laver ou se laver, pour jouer parfois aussi.» Vous avez devant vous deux affiches l une à gauche montrant une eau propre et claire et l autre à droite montrant une eau polluée. Avant de reprendre le questionnement : Voici une série de photographies montrant des objets ou produits ainsi que diverses activités humaines. «D après-vous, pourquoi ai-je choisis ces photographies? Je vous rappelle que l on travaille sur l eau, sur sa pollution Vous allez devoir me dire si ce que vous voyez sur ces photographies est dangereux ou pas pour la qualité de l eau.» Décharge sauvage : détritus dans la rivière. Usine : rejet de produit toxique dans l air et dans l eau. Tracteur agricole : résidus de pesticides, d engrais dans la terre et dans l eau. Ville : rejet des eaux usées, des égouts dans l eau de la rivière. Pétrolier : risque de marée noire. Arrosage du jardin : sans danger si l on ne rajoute pas d engrais ou de pesticides. Laver sa voiture : danger si utilisation de produits nettoyants. Château d eau : stockage de l eau. Prendre un bain : des produits dans l eau qui seront éliminées à la station d épuration. Puis l on entame une discussion, des négociations autour des différentes photographies.

3 Comment filtrer de l'eau sale? Après avoir établi avec les élèves qu à la station de pompage ou à la station d épuration il faut nettoyer l eau, il s agit d élaborer un processus expérimental afin de nettoyer de l eau chargée de détritus divers. Objectifs : - Connaître la décantation et la filtration comme procédés permettant d épurer l eau. - Décrire les opérations successives effectuées sur les eaux usées dans une station d épuration. - Savoir que filtrer l eau ne suffit pas à la rendre potable. Matériel : Grillages fins, grillages moyens, entonnoirs, bocaux en verre, coton, filtres à café, argile en poudre, éponges, papier essuie tout, bouteilles remplies d eau très sale. Préparation de l eau : l eau sale pourra comporter des éléments divers : terre, argile, sable fin, feuilles, morceaux de bois, huile etc. Cahier d expérience : Les enfants imaginent et dessinent les dispositifs, puis élaborent la liste du matériel dont il vont avoir besoin. ( pour les plus grands il est possible de les laisser chercher le matériel sans aucune aide, pour les autres le matériel peut être prédisposé sur les tables, ils n ont alors plus qu à choisir ce qu ils vont utiliser). Problématique : En utilisant le matériel que vous avez choisi vous allez devoir nettoyer l eau sale dont vous disposez afin de la rendre la plus claire possible. Après l expérience, chaque groupe explique quelles techniques il a utilisé et montre le résultat obtenu. Il s agira ensuite d élaborer avec les élèves les différentes étapes de nettoyage en s appuyant sur la station d épuration. Étapes de nettoyage :

4 - Le dégrillage ou écumage :-on élimine les gros déchets à l'aide du grillage, tamis, passoires etc... La filtration :-les filtres pourront être de différentes natures + filtres à café, coton, essuie-tout, sable, graviers etc... Les élèves ont remarqué que la filtration devait être faîte plusieurs fois avant d'obtenir une eau claire. On insistera longuement sur le fait que l'eau obtenue à la fin est claire mais non potable. En effet dans cette eau, il reste de nombreuses bactéries qui ne peuvent être filtrées. Grillage Gros déchets Essuie-tout ou coton Cette étape doit être réalisée plusieurs fois. Réalisation d'un filtre On pourra ensuite montrer une expérience qui permet de nettoyer l'eau en une seule fois. A la fin de l'expérience on demande aux enfants d'expliquer pourquoi les différents éléments ont été placés dans un ordre bien précis. Ils trouveront assez facilement que le gravier retient les gros déchets, que le sable retient les déchets de taille moyenne et qu'enfin le coton filtre plus finement. La lenteur de la filtration joue aussi un rôle prédominant car elle permet à tous les déchets de se déposer. L'eau obtenue est claire mais toujours non potable.

5 GRAVIERS SABLE COTON N.B : Ce principe peut être relié à la notion de nappes phréatiques où l'eau traverse lentement plusieurs couches successives et arrive épurée. L'eau presque claire obtenue devra être conservée afin de la réutiliser dans les futures expériences permettant de se rapprocher le plus possible d'une eau potable.

6 L'ébullition : Matériel : bouilloire, bac transparent, verre transparent et eau sale. Si les élèves ont déjà travaillé sur les 3 états de l eau, l enseignant pourra présenter l expérience suivante. L'eau sale sera portée à ébullition dans une bouilloire ou une casserole, la vapeur d'eau sera alors recondensée sur une surface froide ( assiette, saladier... ) et l'eau obtenue sera récupérée dans un récipient. L'eau récupérée est assez claire car seule l'eau se transforme en vapeur. Il persiste tout de même des fines particules visibles. Cette expérience peut-être également réalisée avec de l'eau salée pour séparer l'eau du sel. La décantation Matériel : bac avec eau sale, seringue+tuyau.

7 Il s'agit d'une autre manière de séparer une grande partie des saletés mélangées à l'eau. On placera la veille un bac au fond de la classe avec de l'eau très sale. On demande aux enfants d'observer ce qui s'est passé. Ils remarquent aussitôt qu'il y a plusieurs strates. Au fond, se trouvent en effet tous les déchets qui ont coulé (cailloux, sable ), au milieu l'eau est quasiment claire et en haut se trouvent les déchets qui flottent ( bois, herbe ). Les enfants imaginent alors comment récupérer l'eau claire et propose la plupart du temps la paille. On leur proposera, s'il ne le trouve pas eux-mêmes, par mesure d'hygiène la seringue et le tuyau. On expliquera également que la décantation se fait lentement. Les saletés présentes dans l'eau descendent tranquillement sous l'effet de leur masse et se retrouvent au fond du bac. La floculation Matériel : - petits récipient transparents, argile en poudre, sulfate d'alumine. Pour compléter l'expérience précédente, on proposera d'accélérer la décantation car il s'agit d'un phénomène lent. On leur proposera de réaliser le protocole expérimental suivant:

8 «Vous disposez de deux récipients transparents. Dans ces deux récipients vous allez placer une cuillère d'argile en poudre. Ensuite vous ajoutez de l'eau jusqu'au ¾. A présent remuez les deux mélanges. Ensuite, dans l'un des deux récipients, ajoutez quelques gouttes de sulfate d'alumine. Remuez de nouveau et laissez reposer quelques minutes. Observez.» Eau+argile Eau+argile+ sulfate d'alumine Dans le second récipient les petits éléments d'argile se sont agglomérés rapidement pour en former des plus gros, ainsi ils sont tombés plus rapidement au fond du bac. La décantation a été accélérée. Filtrer de plus en plus fin Il s'agira au cours de cette séquence de comprendre la notion de potabilité et de continuer le processus de nettoyage de l'eau déjà clarifiée. Objectifs : - Prendre conscience que la potabilité d une eau correspond à un certain nombre de critères. - Connaître les étapes du traitement de l'eau dans une usine de production d'eau potable. - Comprendre le phénomène de filtration à travers différents types de filtres. Matériels : - entonnoirs, pipettes, éprouvettes graduées, seringues, membranes de nano-filtration, charbon actif, sulfate d'alumine, colorant alimentaire, filtres à café, argile en poudre, sable, éponges, papier essuietout, parfum. Tout d'abord une phase orale est nécessaire afin de lister avec les enfants les différentes hypothèses permettant de rendre l'eau potable. Hypothèses émises : «filtrer plusieurs fois, mettre plusieurs filtres, ajouter des produits, ajouter de l'eau de Javel, faire bouillir l'eau.»

9 Filtration sur sable et charbon actif : Objectif : - Comprendre la notion de «filtrer fin» et 1e rôle du charbon actif. Matériel : - 4 flacons, sable, filtre à café, charbon actif, entonnoirs Il s'agit ici de partir de l'eau encore trouble obtenue lors de la 1 ère filtration pour améliorer le résultat. Les élèves vont séparer cette eau en 4 parties : - échantillon 1 : flacon témoin - échantillon 2 : Filtrer à l'aide d'un filtre à café - échantillon 3 : Filtrer sur sable - échantillon 4 : Filtrer sur charbon actif Les enfants constatent que la meilleure filtration est obtenue grâce au charbon actif même si le sable éclaircit nettement l'eau de départ. Pour comprendre le rôle du charbon actif, on va filtrer un échantillon d'eau colorée et odorante ( colorant alimentaire + parfum ). On peut alors observer que le charbon actif atténue nettement la couleur et l'odeur d'où son rôle dans les stations pour éliminer les matières organiques. Filtre en papier Sable Charbon actif

10 La nano-filtration Pour cette expérience les élèves utilisent des nano-filtres ( membrane percée de trous de l'ordre du nanomètre). Ils vont pouvoir observer que cette membrane arrête une grosse partie des impuretés contenues dans l'eau. Elle empêche également les particules de passer. De l'eau quasiment pure est donc obtenue en une seule manipulation. Cette eau est potable mais on se gardera de la goûter. Le maître pourra également donner oralement d'autres techniques permettant de nettoyer l'eau mais qui ne sont pas réalisables en expériences en classe : la chloration et l' ozonation. Station d'épuration et station de production d'eau potable Après avoir vu ces différentes expériences, on différenciera celles qui sont utilisées dans l'une ou l'autre des deux stations. Ceci pourra être établi par l'intermédiaire d'une visite ( station d'épuration ) et de recherches documentaires. La station d'épuration : - prétraitement : dégrillage, désablage, dégraissage. (1 et 2) - décantation et floculation ( clarification) ( 3et 4) - traitement des boues (5)

11 Lien avec animation flash pour la station d'épuration : La station de production d'eau potable - Préchloration - Floculation et décantation - Filtration - Charbon actif - Ozonation - Chloration

12 Pour compléter voici un schéma de circuit domestique de l'eau : La distribution de l'eau potable - Comprendre le principe des vases communicants. - Expliquer le fonctionnement du château d'eau. - Concevoir le cycle de l'eau domestique. Au cours de cette séance, les élèves vont découvrir plusieurs principes leur permettant de comprendre le fonctionnement du château d'eau. Les notions travaillées préalablement seront l'horizontalité du niveau de l'eau, les vases communicants et la gravité. Hypothèses : Les enfants ayant vu le nettoyage de l'eau dans la station de pompage, il s'agira pour eux d'imaginer le cheminement de l'eau jusqu'au robinet.

13 La notion de tuyaux enterrés est souvent connu, le problème se pose au niveau de la montée de l'eau dans les étages des immeubles. hypothèses possibles : pompe, château d'eau, station de pompage surélevée etc... Horizontalité du niveau de l'eau et vases communicants : HORIZONTALITE : Les élèves manipulent de l'eau placée dans différents récipients en regardant le niveau de l'eau lorsque ces récipients sont placés dans différentes positions. Ils constatent alors que le niveau de l'eau reste tout le temps parallèle à la table. VASES COMMUNICANTS : Deux entonnoirs sont reliés par un tuyau, 1'un des entonnoirs est surélevé afin de noter l'équilibrage des niveaux. LE CHATEAU D'EAU Une maquette peut être réalisée avec un château d'eau et un petit immeuble de 3 étages. Il s'agira de placer le château d'eau à une hauteur permettant d'alimenter les 3 étages. Les enfants comprennent alors que la position du réservoir conditionne l'alimentation en eau des 3 étages.

14 Une visite sur le terrain permettra de faire le lien avec les grands immeubles de la ville qui sont alimentés par un château d'eau placé en hauteur.