Les polluants : les nitrates L azote est un élément essentiel de la matière vivante. Sa quantité et sa forme chimique dans le milieu aquatique y conditionnent le développement de la vie. [ 1 ] L azote peut se présenter sous deux formes : 1) Une forme organique peu soluble (protéines, acides aminés, urée...) 2) Une forme minérale soluble C est cette forme qui nous intéresse ici, car c est une source de pollution possible. L azote minéral se présente en solution dans l eau sous 3 formes principales : L azote ammoniacal (ammoniac NH 3 et ammonium NH 4+ ), Les nitrites (NO 2 ) Les nitrates (NO 3 ) Ces sources d azote, en petite quantité, sont toutes nécessaires à la vie. Leur excès est (avec celui de la teneur en phosphates) une des causes majeures de l eutrophisation de l eau, c est-à-dire la modification et la dégradation d un milieu aquatique, lié en général à un apport excessif de substances nutritives qui augmentent la production d algues et d espèces aquatiques [ 2,3 ]. Eutrophisation de l eau (source : [ 3 ]) [1] Source : http://www.univ-lehavre.fr/cybernat/pages/qualite.htm (site consulté le 03.02.11) [2] Source : http://www.rappel.qc.ca/img/jpg/imagelac.jpg (site consulté le 26.01.2011) [3] Source : http://www.neomansland.info/2008/10/les-aerateurs-solaires-et-eoliens-contre-leutrophisation/ (site consulté le 03.02.11) Les polluants : les nitrates 1/6
Résultat de l eutrophisation (source : [ 4 ]) 1 L eau n est oxygénée qu en surface 2 Mauvaises conditions pour la vie aquatique 3 Poissons morts, insectes morts, algues mortes et fèces = matière organique 4 Prolifération de plantes, algues, remontées de plaques de vase, etc. 5 Manque d oxygène : la matière organique en se décomposant rejette des éléments nutritifs et toxiques 6 Prolifération de micro algues (turbidité) 7 Algues flottantes, cyanobactéries, etc. 8 Odeurs nauséabondes (fermentation) Or l agriculture emploie des engrais chimiques contenant des nitrates et l épuration des eaux domestiques n élimine pas l azote sous toutes ses formes. De plus, il existe une pollution par les eaux industrielles. Sur le site edumedia, on trouve une animation concernant le cas d un milieu aquatique envahi par la jacinthe d eau : http://www.edumedia-sciences. com/fr/a666-equilibre-naturel La principale source de pollution, due aux composés contenant de l azote, provient donc des nitrates. Mais qu est-ce qu un nitrate? Les nitrates (autrefois nommés nitre souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l acide nitrique (H ) résultant de l attaque d une base (l hydroxyde de sodium NaOH, par exemple) par de l acide nitrique (H ) : H + NaOH Na + H 2 O acide nitrique base (hydroxyde de soldium) sel d acide nitrique (nitrate de sodium) eau [4] Source : http://www.meretlittoral.com/lacs-cours-eau/pollution/eutrophisation-etangs-solution-terre-appro/perturbation-ecosysteme.html (cons. 03.02.11) 2/6 Les polluants : les nitrates
Les nitrates [ 5 ], étant tous très solubles dans l eau, ne peuvent donc pas être précipités, à l inverse des phosphates. Il y a deux méthodes courantes pour dénitrifier les eaux usées [ 6 ] : 1) Une dénitrification biologique (elle repose sur l utilisation de bactéries, essentiellement de la famille des Pseudomonas, qui utilisent les nitrates à la place de l oxygène de l air et qui les transforment en azote gazeux). 2) Une dénitratation sur résines échangeuses d ions (le principe de ce procédé repose sur l échange des ions nitrates et d autres anions présents dans l eau avec les ions chlorures contenus dans la résine). Le salpêtre (K, le nitrate de potassium) rentre dans la composition de la poudre noire, avec le soufre et le carbone. On retrouve souvent des nitrates dans la composition des explosifs. Une catastrophe célèbre avec ce type de composés s est déroulée le 16 avril 1947 à Texas-City : le bateau Liberty ship «Grandcamp», chargé de 2 300 tonnes de nitrate d ammonium, prend feu. L incendie attire une foule de curieux. Soudain c est l explosion. Le navire est pulvérisé, une de ses ancres sera retrouvée à plus de 3 km. Tous les quais sont rasés, des incendies se déclarent, une vague balaie les décombres. Le bilan sera de 600 morts et de 3 000 blessés. (Source : [ 5 ]) Nous allons nous concentrer sur la technique chimique : les résines échangeuses d ions. D abord, qu est-ce qu un ion? [ 7 ] C est une entité chimique porteuse d une charge électrique, positive pour un cation et négative pour un anion. Par exemple : le chlorure de sodium (NaCl, le sel de cuisine) contient des ions sodium et des ions chlorures Cl. Un ion chlorure Cl est un atome de chlore Cl qui a gagné un électron. Un ion sodium est un atome de sodium Na qui a perdu un électron. Na Un électron passe de l atome de sodium à celui du chlore. On obtient deux ions et Cl : Cl Cl [5] Source : http://seaus.free.fr/spip.php?article166 (site consulté le 07.02.11) [6] Source : http://www.dynavive.eu/docuspdf/eliminationnitrates.pdf (site consulté le 03.02.11) [7] Source : http://www.daskoo.org/199-ions-solutions-ioniques.cours (site consulté le 03.02.11) Les polluants : les nitrates 3/6
Dans le cas qui nous intéresse, les nitrates sont des anions :. Maintenant que nous savons ce qu est un ion, que fait une résine échangeuse d ions? [ 8,9,10 ] L échangeur d ions est un matériau solide, souvent une résine, capable d éliminer par adsorption [ 11 ] les ions d une certaine charge (cation ou anion) d une solution. Ceux-ci sont remplacés par une quantité équivalente d autres ions de même charge libérés de la résine (contre-ions). Les résines échangeuses d ions ont déjà pris une place importante dans nos maisons : pour débarrasser l eau du calcaire pour les fers à repasser ou dans les purificateurs d eau. (Source : [ 9 ]) La réaction d échange d ions entre une résine et une eau contenant des nitrates dépend de l affinité relative de la résine pour le contre-ion qu elle porte et pour l ion qu elle doit fixer. La résine porte des groupes ioniques (positifs : G + ) et pour assurer la neutralité électrique, il y a un contre-ion négatif (X, en général un chlorure Cl ) qui peut partir. Les anions (nitrates : ) peuvent se fixer à la résine et remplacer le contre-ion (X ) sur la résine, car celle-ci a plus d affinité pour les nitrates que pour le contre-ion X. Les cations ( ici, qui accompagnent les nitrates) sont emmenés dans l eau en même temps que les contre-ions de la résine. Les nitrates, eux, restent fixés sur la résine. L eau est débarrassée de ses nitrates. On fait couler l eau contenant les nitrates à travers la résine résine résine résine G + G + G + X X X Il est évident que la résine ne peut pas éternellement adsorber des nitrates, elle se sature et il faut la changer. [8] Source : http://www.bioch-et-cie.azerttyu.net/docsenligne/echion.pps (site consulté le 03.02.11) [9] Source : http://www.futura-sciences.com/fr/definition/t/chimie-2/d/echangeur-dions_6920/ (site consulté le 04.02.11) [10] Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/%c3%89changeur_d ions (site consulté le 07.02.11) [11] L adsorption, à ne pas confondre avec l absorption, est un phénomène de surface par lequel des atomes ou des molécules se fixent sur les surfaces solides des adsorbants. 4/6 Les polluants : les nitrates
La dépollution des eaux de la région lausannoise est le travail de la station d épuration des eaux de Lausanne (STEP de Vidy). Le canton de Vaud est aujourd hui équipé de 180 stations d épuration des eaux usées (STEP) de tailles très diverses, desservant plus de 97% de la population vaudoise. La plus grande, celle de Lausanne, traite les eaux provenant de 16 communes, totalisant plus de 200 000 habitants. Située au bord du Léman, en amont du parc Bourget, la station d épuration des eaux usées illustre à plus d un titre la volonté de développer le partenariat chaque fois que l intérêt de la population, des clients ou des contribuables y trouve son compte. Questions I. Durant la période 1994-2008, le nombre de réseaux publics de distribution d eau potable, dont l eau présentait une teneur en nitrate supérieure à la valeur de tolérance (40 mg/l), a régulièrement diminué dans le canton de Vaud. En 2008, il n en restait que 5 sur un total de 441 réseaux publics contrôlés. Tableau indiquant l évolution du nombre de réseaux dépassant la limite de tolérance en nitrates sur les 441 réseaux du canton de Vaud de 1985 à 2008 En 2008, un volume journalier moyen de près de 302 000 m 3 d eau a été consommé dans le canton de Vaud. Quel est le pourcentage d eau contenant trop de nitrates si chaque réseau public fournit le même volume d eau? Quel est le volume total (en litres) journalier contenant trop de nitrates? II. Un adoucisseur d eau a pour fonction de rendre une eau plus douce. Il modifie les caractéristiques chimiques de l eau en éliminant les ions calcium et magnésium. Il permet ainsi de diminuer la dureté de l eau et ainsi d éviter le dépôt de tartre. Dans un adoucisseur, l eau traverse une résine échangeuse d ions, contenant des ions sodium. Les ions calcium (Ca 2+ ) et magnésium (Mg 2+ ) viennent se fixer sur la résine qui, en retour, libère des ions sodium. a) Pourquoi les résines qui équipent les adoucisseurs sont-elles qualifiées d échangeuses d ions? b) Comment les ions sodium peuvent-ils remplacer les ions calcium et magnésium? Les polluants : les nitrates 5/6
Chimie A l Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), on forme des ingénieurs en chimie à la Faculté des sciences de base (SB). La chimie est la science de la création, pilier de toutes les industries, elle est actuellement la discipline centrale de la recherche moderne, au carrefour de l ensemble des sciences naturelles. http://bachelor.epfl.ch/chimie http://scgc.epfl.ch Passons à la pratique : Retirons le calcaire de l eau Matériel nécessaire Produits chimiques : carbonate de calcium (CaCO 3 ) résine anti-calcaire 2 entonnoirs 4 récipients (verres ou bechers, ) Une balance électronique Eau distillée Tube gradué de 250 ml Tube gradué de 50 ml Filtres Bandelettes indicatrices de ph Marche à suivre 1) Dissoudre 1 g de CaCO 3 dans 150 ml d eau. 2) Agiter pendant 10 minutes puis filtrer pour obtenir une solution saturée de carbonate de calcium (l autre nom pour CaCO 3 est le calcaire). 3) Séparer en deux le filtrat : une solution témoin et une solution dans laquelle on va introduire 1 g de résine anti-calcaire. 4) Filtrer pour éliminer la résine ; on obtient une deuxième solution débarrassée de ses carbonates. 5) Dans chacune des deux solutions, tremper une bandelette indicatrice de ph. Les carbonates rendent la solution basique (ph > 7, il est normalement compris entre 8 et 9) et sans les carbonates, la solution est neutre (ph = 7). 6/6 Les polluants : les nitrates