Le travail de protection de l’environnement est indissociable de la chimie ; les équations de réaction chimique et les calculs de dosage de réactifs sont monnaie courante dans le traitement des eaux usées. Voici le concept du pH et des exemples de calcul.
I. Concepts de base du pH
Le pH est une échelle permettant de mesurer l'acidité ou l'alcalinité d'une solution aqueuse. Il est défini comme le logarithme négatif de l’activité des ions hydrogène :
pH = -log₁₀[H⁺]
Où [H⁺] représente la concentration molaire en ions hydrogène, en mol/L. La plage de pH est généralement comprise entre 0 et 14. Le pH=7 est neutre, le pH<7 is acidic, and pH>7 est alcalin.
Dans l'eau pure, [H⁺]=10⁻⁷ mol/L, donc pH=7. Lorsque pH=3, [H⁺]=10⁻³ mol/L ; lorsque pH=10, [H⁺]=10⁻¹⁰ mol/L et [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L.
II. Importance chimique du pH
La valeur du pH reflète l'équilibre acid-base des masses d'eau et est étroitement liée aux processus chimiques suivants :
1. Formes de matière : De nombreuses substances chimiques (telles que les ions de métaux lourds et la matière organique) présentent différents états d'ionisation et solubilités à différents niveaux de pH.
2. Vitesse de réaction : la vitesse des réactions catalytiques acide-base est souvent directement liée au pH.
3. Corrosivité : Valeurs de pH extrêmes (<4 or >10) provoquer une grave corrosion des tuyaux et équipements métalliques.
4. Activité biologique : les systèmes enzymatiques microbiens sont extrêmement sensibles au pH, le pH de croissance optimal étant généralement compris entre 6,5 et 8,5.
III. Le rôle directeur du pH dans le traitement des eaux usées
1. Ajustement du prétraitement
Avant que les eaux usées n'entrent dans le système de traitement, le pH doit être ajusté dans une plage appropriée (généralement entre 6 et 9) pour éviter d'avoir un impact sur les unités de traitement ultérieures.
2. Assurer le traitement biochimique
Processus aérobie par boues activées : le pH optimal est de 6,5 à 8,5
Digestion anaérobie : le pH optimal est de 6,8 à 7,4
Les écarts de pH peuvent entraîner une diminution de l’activité microbienne et même un effondrement du système.
3. Contrôle des précipitations chimiques
Lors de l’élimination des métaux lourds, le pH doit être ajusté à une valeur spécifique pour provoquer la précipitation des métaux sous forme d’hydroxydes. Par exemple, Cu²⁺ précipite complètement à pH≈8,0.
IV. Calcul du dosage de NaOH pour neutraliser les eaux usées à pH 3
Le calcul de neutralisation est basé sur la réaction de neutralisation acide-base : H⁺ + OH⁻ → H₂O
Conditions données :
· Volume des eaux usées V=1 m³=1000 L
· pH initial=3 → [H⁺]=10⁻³ mol/L
· pH cible=7 → [H⁺]=10⁻⁷ mol/L
· Poids moléculaire de NaOH = 40 g/mol
Étapes de calcul :
1. Montant initial de H⁺ :
n(H⁺)initial=10⁻³ mol/L × 1 000 L=1 mol
2. Montant cible de H⁺ (négligeable) :
n(H⁺)cible=10⁻⁷ mol/L × 1 000 L=0.0001 mol
3. Quantité de H⁺ à neutraliser :
Δn(H⁺)=1 - 0.0001 ≈ 1 mole
4. Quantité de NaOH requise (réaction 1:1) :
n(NaOH)=1 mole
5. Masse de NaOH requise :
m(NaOH)=1 mole × 40 g/mol=40 g
Conclusion : Pour neutraliser 1 mètre cube d'eaux usées avec un pH=3 neutre, il faut ajouter 40 grammes d'hydroxyde de sodium (solide).
V. Calcul du dosage de H₂SO₄ pour neutraliser les eaux usées à pH=10
Conditions données :
· Volume des eaux usées V=1 m³=1000 L
· pH initial=10 → pOH=4 → [OH⁻]=10⁻⁴ mol/L
· pH cible=7 → [OH⁻]=10⁻⁷ mol/L
· Poids moléculaire H₂SO₄=98 g/mol (H₂SO₄ fournit 2 ions H⁺)
Étapes de calcul :
1. Quantité initiale de OH⁻ :
n(OH⁻)initial=10⁻⁴ mol/L × 1 000 L=0.1 mol
2. Quantité cible de OH⁻ (négligeable) :
n(OH⁻)cible=10⁻⁷ mol/L × 1 000 L=0.0001 mol
3. Quantité de OH⁻ à neutraliser :
Δn(OH⁻)=0.1 - 0.0001 ≈ 0,1 mole
4. Quantité de H⁺ requise : n(H⁺)=0.1 mol
5. Quantité de H₂SO₄ requise (chaque mole de H₂SO₄ fournit 2 moles de H⁺) :
n(H₂SO₄)=0.1 mole ÷ 2=0.05 mole
6. Masse de H₂SO₄ requise :
m(H₂SO₄)=0.05 mole × 98 g/mol=4.9 g
Conclusion : Neutraliser 1 mètre cube d'eaux usées avec un pH=10 à neutre nécessite l'ajout de 4,9 grammes d'acide sulfurique pur.
Si vous utilisez de l'acide sulfurique concentré à 98 % (densité 1,84 g/mL), le volume est :
V=4.9 g ÷ 0,98 ÷ 1,84 g/mL ≈ 2,72 mL
VI. Considérations pratiques d’ingénierie
1. Système tampon : les eaux usées peuvent contenir des substances tampons acides-base (telles que des carbonates et des phosphates). Le dosage réel doit être déterminé par des tests de titrage.
2. Fonctionnement sûr : les mesures de protection nécessaires doivent être mises en œuvre lors de l'ajout d'acide ou d'alcali pour éviter une surconcentration localisée conduisant à une pollution secondaire.
3. Efficacité économique : pour un traitement à grande échelle-, le coût des différents réactifs doit être comparé. La chaux (Ca(OH)₂) est généralement plus économique que NaOH.
4. Contrôle automatique : l'ajustement du pH a des caractéristiques non-linéaires ; il est recommandé d'utiliser un système de contrôle PID pour obtenir un dosage précis.
5. La gestion du pH est un aspect fondamental du traitement des eaux usées, affectant directement l’efficacité du traitement et les coûts d’exploitation, et mérite donc une attention suffisante.