Comment fonctionne un adoucisseur d eau domestique?

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1 (tiré de Comment fonctionne un adoucisseur d eau domestique? Pourquoi adoucir l eau? Une eau dure est une eau riche en ions calcium (Ca 2+ ) et / ou magnésium (Mg 2+ ). Elle ne présente aucun danger pour la santé et peut donc être consommée en tant qu eau de boisson. Mais elle peut être à l origine de certains inconvénients tels que l entartrage (dépôt de carbonate de calcium CaCO 3 ou de carbonate de magnésium MgCO 3 ) des appareils dans lesquels l eau est chauffée (lave-linge, lave-vaisselle ) ou de traces sur des surfaces lavées (baignoires, lavabos, robinetterie). Utilisée lors de la toilette, elle peut être responsable d une certaine sécheresse de la peau et des cheveux. D autre part, le savon donne, en présence d une eau dure, un précipité de carboxylate de calcium (R-COO) 2 Ca et/ou de magnésium (R-COO) 2 Mg, donc son pouvoir détergent sera réduit et le dépôt de ces précipités sur les textiles lors de la lessive rend le linge rêche. La dureté d une eau se mesure en degré hydrotimétrique ( TH) : une eau est qualifiée de «douce» si son degré hydrotimétrique est inférieur à 12 ; elle est dite «dure» si son TH est supérieur à 12. Les résines échangeuses d ions Constitution De nombreux adoucisseurs contiennent des résines échangeuses d ions, et plus précisément des résines échangeuses de cations (ou cationiques). Une résine échangeuse d ions est un solide insoluble, qui, au contact d une solution, peut échanger les ions qu il contient avec d autres ions de même signe provenant de la solution. Cette propriété d échanger les ions était reconnue depuis longtemps à des silico-aluminates naturels appelés «zéolithes» ; dans ces composés, des ions alcalins ou alcalino-terreux sont logés dans les interstices ou les cavités d un réseau polymère anionique, et peuvent être échangés avec d autres cations lors du contact avec une solution. Le développement des polymères synthétiques, stables aussi bien vis-à-vis des acides et des bases que des oxydants et des réducteurs, a suscité l apparition d échangeurs d ions artificiels de nature organique. Ils sont constitués d un réseau macromoléculaire sur lequel sont fixés un très grand nombre de groupements actifs ionisables ; ces groupements portant des charges électriques, retiennent à leur voisinage, par attraction électrostatique, les ions de charges antagonistes qui sont susceptibles d être échangés. Les résines les plus courantes sont des résines de polymérisation : par exemple, une résine de type polystyrène est un copolymère tridimensionnel formé de styrène et de divinylbenzène (cas des résines Amberlite IR-120 et IRA-400). La vitesse des échanges doit être aussi rapide que possible, la résine doit donc être finement divisée afin de présenter une grande surface de contact avec la solution ; c est sous forme de perles très fines que la plupart des échangeurs d ions sont généralement utilisés. BTS ESF adoucisseurs d eau 1

2 Le groupe ionique est introduit dans les résines en général après polymérisation, en substituant un atome de carbone du noyau benzénique. On distingue les résines cationiques pouvant échanger des cations et les résines anioniques échangeant des anions. Dans les résines cationiques, le groupement actif est un anion de type sulfonate, phosphate ou carboxylate : R-SO 3 R-PO 3 R-CO 2 (R symbolise la résine) Les résines anioniques sont constituées de groupements ammonium quaternaire : + R-N(CH 3 ) 3 Toutes ces résines sont commercialisées sous forme d acide, de base ou de sel suivant le type. Une des caractéristiques des résines échangeuses d ions est la capacité d échange : c est le nombre d équivalents-g d ions fixés sur 1 kg de résine sèche (ce qui correspond au nombre de moles de groupes actifs). Mécanisme de l échange Lorsqu on plonge une résine gorgée d eau dans une solution contenant des ions, ceux-ci traversent les mailles du réseau et diffusent jusqu aux centres actifs ; par suite une quantité équivalente d ions fixés initialement sur la résine passent dans la solution ; nous pouvons représenter ce phénomène réversible, dans le cas d une résine cationique sous forme acide et d une solution de chlorure de sodium (par exemple) par l équation : R-SO 3 -, H + + Na + = R-SO 3 -, Na + + H + Résine Solution Résine Solution Soit: H + R + Na + S = Na + R + H + S (R = résine; S = solution) La constante d équilibre associée à l équation de cette réaction, à une température donnée, est: Na K = Na K est une grandeur caractéristique de la réaction, dépendant de la température, sans dimension. BTS ESF adoucisseurs d eau 2 R S. H. H S R

3 Si K est élevée (supérieure à 10 4 ), on peut considérer que la réaction est totale, si bien que les ions Na + sont remplacés quantitativement par des ions H + dans la solution. L équilibre dépend de l affinité des ions pour la résine ; cette affinité augmente avec la charge (pour des solutions diluées) : Na + Ca 2+ Al 3+ Th 4+ Par exemple les ions calcium déplaceront les ions sodium de la résine suivant : 2(R-SO 3 -, Na + ) + Ca 2+ S = (R-SO 3 - ) 2, Ca Na + S L affinité augmente également avec le diamètre de l ion solvaté : Li + H + Na + K + +, NH 4 Rb + Cs + Tl + Ag + Donc Li + mis à part, H + est donc déplacé de la résine par tous les cations. Régénération d une résine L ion initialement présent dans la résine et qui a été échangé, peut être à nouveau fixé dans la résine en utilisant une solution concentrée de cet ion, ce qui a pour conséquence d inverser le sens de l équilibre d échange. Par exemple, si l on veut régénérer une résine cationique initialement sous forme sodique ayant fixé des ions calcium, on plongera la résine dans une solution aqueuse saturée en chlorure de sodium: (R-SO 3 - ) 2, Ca Na + S = 2(R-SO 3 -, Na + ) + Ca 2+ S Les adoucisseurs d eau domestiques Principe de fonctionnement L adoucissement d une eau consiste à remplacer ses cations Ca 2+ et Mg 2+ par des ions sodium Na + : 2(R-SO 3 -, Na + ) + Ca 2+ S = (R-SO 3 - ) 2, Ca Na + S 2(R-SO 3 -, Na + ) + Mg 2+ S = (R-SO 3 - ) 2, Mg Na + S Les ions sodium, contrairement aux ions calcium et magnésium, ne provoquent pas l entartrage des canalisations. Caractéristiques Un adoucisseur domestique contient un compartiment contenant la résine, un bac à sel (chlorure de sodium sous forme de sel de cuisine), ainsi qu un système de vannes régulant la circulation de l eau. Encombrement L appareil et le bac à sel sont en général des cylindres de hauteur de l ordre de 1 m, et de diamètre variant entre 20 et 50 cm selon la capacité. Coût Le prix d achat varie de 900 à 4000 euros, auquel il faut ajouter environ 200 euros pour l installation par un installateur agréé, sans compter les aménagements éventuels du réseau de distribution d eau de la maison que cette installation pourrait nécessiter. Il faut tenir compte d une augmentation de la consommation moyenne d eau après l installation (environ 10%), due aux rinçages de la résine, ainsi que du coût du contrat annuel d entretien. BTS ESF adoucisseurs d eau 3

4 Régénération de la résine Lorsque tous les ions sodium de la résine ont été échangés, la résine ne peut reprendre son rôle qu après avoir été régénérée. La régénération de la résine par une solution aqueuse saturée en sel peut être programmée. Deux types de programmation existent : la régénération volumétrique se fait automatiquement dès qu un volume d eau maximal (préétabli lors de la programmation) est passé sur la résine ; la régénération chronométrique se fait automatiquement à intervalles de temps réguliers (entre 1 et 12 jours) sans tenir compte da la consommation en eau. Inconvénients liés à l utilisation d un adoucisseur domestique Le principal inconvénient de l adoucisseur est l enrichissement de l eau en sodium surtout pour celle qui en contient déjà naturellement en quantité notable. De telles eaux adoucies peuvent nuire aux personnes souffrant d hypertension, de problèmes cardiaques, aux femmes enceintes, aux nourrissons et à toutes les personnes soumises à un régime sans sel. D autre part, une eau contenant trop d ions sodium peut accroître la corrosion de la tuyauterie domestique. Il est donc fortement conseillé de n adoucir que les circuits alimentant les équipements où l eau est chauffée (salle de bains, chauffe-eau, lave-linge, lave-vaisselle), et de consommer en tant qu eau de boisson de l eau non adoucie. Il peut également apparaître des problèmes de prolifération bactérienne sur les résines. Un bon entretien de l adoucisseur domestique (nettoyage et désinfection deux fois par an) permet de limiter la prolifération des bactéries. Déminéralisation d une eau minérale sur résine échangeuse d ions Les eaux minérales sont riches en cations tels que Ca 2+, Mg 2+, Na + Déminéraliser ces eaux consiste à supprimer ces ions en les fixant sur la résine, qui cède alors des ions H +. Par exemple : (R-SO 3 -, H + ) + Na + S = (R-SO 3 -, Na + ) + H + S 2(R-SO 3 -, H + ) + Ca 2+ S = (R-SO 3 - ) 2, Ca H + S Notons qu un cation possédant 2 charges positives se fixe sur deux sites de la résine et libère 2 ions H +. Bibliographie et sites Internet Chimie inorganique et générale F.Brénon-Audat, F.Rafflegeau, D.Prévoteau Chimie Analytique Skoog, West, Holler Chimie Term S Hachette Encyclopédie Universalis BUP BTS ESF adoucisseurs d eau 4

5 Les adoucisseurs d'eau : ce que l'on ne vous dit pas. (document extrait de : Présentés comme la solution à tous nos problèmes de calcaire, les adoucisseurs d'eau ne font pourtant pas l'unanimité auprès du public. Entre les partisans et les détracteurs, les arguments fusent. Confort, économie et santé sont au cœur du débat. Des pour et des contre qui s'affrontent sur un sujet sensible : le traitement de l'eau. Cette semaine, BricoleurDuDimanche s'intéresse à cette controverse et vous dévoile ce que les fabricants ne vous diront jamais. Au cœur du sujet : la modification des propriétés de l'eau. Un adoucisseur d'eau est un appareil qui a pour but de réduire significativement la dureté de l'eau circulant dans votre réseau de plomberie. Pour ce faire, il est généralement branché sur la canalisation principale d'arrivée d'eau, en amont de vos sanitaires et de vos équipements électroménagers. Les dépôts calcaires étant la conséquence naturelle de la présence de carbonates de calcium et de magnésium dans l'eau, l'adoucisseur d'eau va traiter le problème à la racine en opérant une transformation physicochimique par le procédé d'échange d'ions. Pour présenter les choses simplement, l'adoucisseur d'eau fonctionne avec une résine qui va traquer et emprisonner momentanément les ions calcium et magnésium (entre deux régénérations) tandis qu'ils seront remplacés par des ions sodium. Or, ces ions sodium sont connus pour être l'un des composants du sel de table. Aussi, l'eau traitée et adoucie estelle du même coup enrichie en sodium. Les avantages revendiqués pour l'utilisation d'un adoucisseur d'eau. Du côté des partisans, posséder un adoucisseur d'eau serait réellement avantageux car en réduisant la concentration de calcaire, vous allongez la durée de vie et prenez soin de vos tuyaux, de votre chaudière et de tous vos appareils ménagers, au niveau de leurs résistances de chauffe. En effet, les dépôts calcaires produits par une eau trop dure sont accrus par la hausse de la température, notamment à partir de 60 C. C'est entre autres BTS ESF adoucisseurs d eau 5

6 pourquoi de nombreux produits, en pastilles ou en poudre, sont vendus pour préserver du calcaire machines à laver et lave-vaisselles. Aussi n'aurez vous logiquement plus besoin d'eux. De plus, une eau moins dure est un gage de petites économies au quotidien car ses propriétés augmentent l'efficacité des produits d'entretien et des produits moussants en général, comme le savon, le shampooing ou la lessive. Aussi pourrez-vous réduire les quantités que vous utilisiez pour aboutir aux mêmes résultats. Quant au confort proprement dit, l'eau adoucie peut également se révéler avantageuse car elle réduit les traces blanches sur les surfaces émaillées et la vaisselle, et est moins agressive pour un linge plus doux, des cheveux moins rêches et plus souples, et une peau moins sèche et irritée. Enfin, l'eau adoucie se chauffe plus facilement d'un point de vue physique du fait que les résistances ne sont plus entartrées. L'adoucisseur consommant peu en lui-même, vous pouvez espérer réduire votre consommation d'électricité. Les risques de l'eau adoucie et de l'eau «trop» douce. Une eau très dure possède donc de nombreux désavantages comme nous venons de le voir, mais vouloir rechercher une eau toujours plus douce peut se retourner contre vous. Pour ce qui est de l'eau adoucie par un adoucisseur à sel, dans le cadre d'une bonne utilisation de l'appareil, il n'y a pas de risques majeurs pour votre habitation. Néanmoins, cette eau ne peut être considérée comme potable, nous vous recommandons donc de conserver un point d'accès en eau froide non traitée (ce qui est par ailleurs obligatoire en logement collectif). En effet, non seulement l'eau adoucie est appauvrie en sels minéraux mais elle est enrichie en sodium. Ce qui lui donne un goût particulier, parfois très prononcé. Le calcium et surtout le magnésium «manquants», qui participent tous deux à notre équilibre, devront ainsi être puisés dans d'autres sources alimentaires. Mais, surtout, la charge supplémentaire induite en sel est vivement déconseillée pour la santé! Bonne pour personne et particulièrement dangereuse pour les sujets à risques, à savoir les femmes enceintes, les nourrissons, les malades souffrants de problèmes cardiaques, d'hypertension et tous ceux devant respecter un régime sans sel Aussi les propos mensongers qui tendent parfois à soutenir que posséder un adoucisseur d'eau vous fera faire des économies en eau minérale sont entièrement faux et particulièrement irresponsables, dans une société qui souffre déjà d'une surconsommation en sel d'un point de vue alimentaire. L'eau d'un adoucisseur ne sera donc jamais meilleure à consommer et elle n'aura pas non plus un rôle assainisseur, n'ayant aucun effet sur le nitrates ou les pesticides. La seule vraie eau du robinet garantie potable, étant celle délivrée par les opérateurs des services de l'eau. Tout traitement ajouté par un particulier invalide du même coup les analyses pratiquées par des distributeurs et des laboratoires indépendants. Ceci qui vous rend seul responsable des problèmes sanitaires ou gastriques dont vous pourriez souffrir par la suite, principalement causés par une prolifération bactérienne dans l'appareil suite à un défaut d'entretien. Quant à l'eau «trop» douce, elle est corrosive pour votre installation. En effet, en dessous de 15 f et de plus en plus à l'approche de 0 f, l'eau acquiert des propriétés corrosives. Elle s'attaquera alors à votre tuyauterie et souillera de ce fait l'eau en y mêlant des métaux dissous et des dépôts de calcaire déjà présents, rongera les BTS ESF adoucisseurs d eau 6

7 joints de votre plomberie et causera toutes sortes de fuites. Aussi est-il important d'effectuer des contrôles réguliers sur les réglages de votre adoucisseur afin de vous assurer qu'ils n'ont pas varié (phénomène courant) et de les réajuster si besoin. Il est aussi vivement conseillé des faire contrôler l'installation par un professionnel au moins une fois par an. Par ailleurs, si vous faites construire et que vous désirez posséder un adoucisseur, il est souvent préférable de patienter au moins les deux premières années, soit le temps nécessaire pour qu'une fine couche protectrice de calcaire vienne tapisser vos tuyaux. Alors, adoucisseur ou non? Équiper son habitation d'un adoucisseur devrait être plus une question de besoin qu'un choix de confort dans le sens où il n'est absolument pas nécessaire d'en installer un dans les régions qui bénéficient d'une eau de ville d'une dureté raisonnable. Par contre rien n'empêche d'y réfléchir à partir de f, mais c'est surtout quand les 30 f se rapprochent qu'il devient vraiment intéressant pour les circuits d'eau chaude. Surtout qu'en contrepartie des avantages qu'il présente, l'adoucisseur d'eau augmentera inévitablement votre consommation en eau par ses cycles de régénération. Ceux-ci peuvent utiliser jusqu'à 200 litres d'eau et rincent littéralement les résines de l'appareil, lorsqu'elles sont surchargées en ions calcium et magnésium, pour garantir son efficacité. On observe généralement un accroissement de 10% de la quantité d'eau consommée, donc de la facture. A ce propos, sachez que cette eau de rinçage doit obligatoirement être acheminée à une station d'épuration et ne peut en aucun cas être rejetée telle quelle dans une fosse septique. Elle polluerait alors le sol et augmenterait sa teneur en sels. Votre installation doit donc être raccordée aux égouts. Pour finir, les propriétaires d'un adoucisseur devront être particulièrement vigilants au niveau de l'entretien en désinfectant les résines et/ou les filtres plusieurs fois par an pour éviter la prolifération de possibles bactéries, nettoyer et recharger les bacs en sel régénérant de l'appareil et ne pas oublier de lancer un cycle de régénération s'ils s'absentent trop longtemps. L'arrêt de fonctionnement prolongé pouvant, là encore, être source de prolifération bactérienne. BTS ESF adoucisseurs d eau 7