Décarbonatation de l'eau
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Décarbonatation de l'eau

Equilibre calco-carbonique

 Répartition des différentes formes des carbonates:
Equations d'équilibre des carbonates
Solubilité du CO2 dans l'eau
Evolution de l'équilibre CO2/HCO3 avec la températureEvolution de l'équilibre HCO3/CO3 avec la température

La solubilité du carbonate de calcium dans l'eau résulte d'un équilibre de concentration entre le bicarbonate Ca(HCO3)2 , le carbonate CaCO3 et le dioxyde de carbone CO2.
Il est représenté par:
Ca(HCO3)2 <==> CaCO3 + CO2 + H2O

Le bicarbonate est soluble dans l'eau.
Le carbonate est très peu soluble dans l'eau.
La concentration en CO2 dans l'eau est proportionelle à la pression partielle présente dans l'atmosphère en équilibre. Comme pour tous les gaz, elle diminue quand la température augmente.


D'autres équilibres s'établissent également:

CO2 atm <==> CO2 aq k = [CO2] / PCO2
pk = 1,25 à 10°C
CO2 + H2O <==> H2CO3 k = [H2CO3] / [CO2]
pk = 1,5 à 10°C
CO2 + H2O <==> H+ + HCO3- ka = [H+] [HCO3-] / [CO2]
pka = 6,5 à 10°C
H2CO3 <==> H+ + HCO3- ka = [H+] [HCO3-] / [H2CO3]
pka = 3,5 à 10°C
HCO3- <==> H+ + CO32- ka =  [H+] [CO32-] / [HCO3-]
pka = 10,5 à 10°C
Ca++ + CO3-- <==> CaCO3 ks = [Ca++] [CO32-]
pks = 8,15 à 10°C

Précipitation du carbonate de calcium

Graphe de la répartition des carbonates en fonction du pH

La modification du pH, de la teneur en CO2 ou de la température peuvent provoquer la rupture de l'équilibre calco-carbonique et engendrer la précipitation de carbonate de calcium.

Augmentation du pH

Une augmentation du pH en diminuant la teneur en CO2 libre dans l'eau tend à augmenter la teneur en carbonate CaCO3. Lorsque la limite de solubilité est atteinte, le carbonate précipite. Ce principe est appliqué dans le procédé de décarbonatation à la chaux.
Le pH pour lequel cette limite est atteinte est appelé pH de saturation (pHs).

L'index de Langelier permet de savoir si l'eau a tendance à précipiter du carbonate de calcium ou à le dissoudre.
 IL = pH-pHs = pH-(pKa-pKs+pCa+pAlc)
avec:
 -  pka: cste d'acidité HCO3- = 10,3 à 25°C
 -  pks: produit de solubilité de CaCO3 = 8,35 à 25°C
 - pCa: -log(mole/l Ca)
 - pAlc: -log(mole/l CaCO3) (alcalinité totale)

Si il est positif (pH> pHs) l'eau aura tendance à précipiter du carbonate de calcium.

Diminution de la concentration en CO2 dissous

La concentration en CO2 libre dans l'eau détermine la proportion des formes bicarbonate soluble Ca(HCO3)2 et carbonate insoluble CaCO3.
Moins la concentration en CO2 est élevée et plus la forme carbonate est favorisée.
Il existe pour chaque type d'eau une concentration en dessous de laquelle le carbonate commence à précipiter: c'est la concentration en CO2 équilibrante.
Pour des concentrations inférieures, l'eau est dite incrustante.
Pour des concentrations supérieures, l'eau est dite agressive.

Un simple dégazage de l'eau, une augmentation de la température, en éliminant une partie du CO2 dissous, peut provoquer la précipitation de carbonate.
Ce principe est appliqué dans le procédé de décarbonatation sur résine.

Décarbonatation à la chaux

La chaux ou hydroxyde de calcium Ca(OH)2 provoque la précipitation des bicarbonates HCO3- , responsable du TAC de l'eau , en carbonate de calcium ( CaCO3 ).

Ca(OH)2 + 2 HCO3- + Ca++ ==> 2 H2O + 2 CaCO3

Le gaz carbonique équilibrant est également neutralisé ce qui entraine la réduction du TH de l'eau jusqu'à pratiquement la valeur du TH permanent (TH - TAC ) , le TAC chute à une valeur proche de 0 ( 1 à 3°f en pratique ) et le TA se stabilise entre 0.5 et 1.5°f si la chaux est correctement dosée.

Cette opération est réalisée dans une structure en forme d'entonnoir d'où l'eau épurée déborde par surverse et du fond de laquelle sont extraits les boues de carbonate de calcium.

La chaux est ajoutée, sous forme de lait de chaux, par pompe doseuse, proportionnellement au débit et au TAC de d'eau à traiter.

Décarbonatation sur résine

 Procédé de traitement qui revient, en fait, à un adoucissement partiel de l'eau par fixation des ions calcium liés aux bicarbonates (dureté temporaire).
L'eau à traiter passe sur un lit de résine cationique faible (carboxylique) qui échange les ions calcium ( Ca++ ) contre des ions hydrogène ( H+):

2 R-COO-H + Ca++ ==> (R-COO)2-Ca + 2 H+

Ces ions hydrogène réagissent avec les ions bicarbonates pour former de l'eau et du gaz carbonique éliminé ensuite sur une tour de dégazage:

2 H+ + 2 HCO3- ==> 2 H2O + 2 CO2

Le TH chute donc à la valeur (TH -TAC) et le TAC chute à 0.

La régénération de la résine saturée s'effectue avec de l'acide chlorhydrique ou sulfurique.

Mesure de la dureté de l'eau

La dureté d'une eau correspond à sa teneur en Calcium et Magnésium.
La somme des teneurs en Calcium et Magnésium forme le Titre Hydrotimétrique (TH).
Elle est exprimée:
- en mg de CaCO3/litre dans le monde anglo-saxon
- en degré Francais en Europe (1°F=10mgCaCO3/l)
1mg Ca/l = 2,5mg CaCO3/l = 0,25°F
1mg Mg/l = 4,2mg CaCO3/l = 0,42°F
Si TH<10: eau douce
Si TH>40: eau dure
Pour convertir les unités suivantes en degré Francais (°F), multiplier par:

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mmol/l d'ion alcalino-terreux: 10
mEq/l d'ion alcalino-terreux : 5
ppm de CaCO3 : 0,1
degré Allemand (°D) : 1,78
degré Anglais (°A) : 1,43
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