Dessalement de l'eau de mer
En Europe, des usines de dessalement sont présentes sur les côtes de la mer Méditerranée où l'eau douce est rare, par exemple à Barcelone en Espagne.
On s'intéresse, dans cet exercice, à l'impact environnemental des saumures rejetées dans la mer par ces usines.
On appelle saumure la solution concentrée en composés ioniques obtenue à la fin du processus de dessalement, majoritairement du chlorure de sodium. Les courants marins de la mer Méditerranée sont en général faibles et ne permettent pas une dilution immédiate des saumures rejetées, ce qui peut perturber les écosystèmes marins.
Données :
- Masses molaires atomiques : M\left(Cl\right) = 35{,}5 g.mol-1 ; M\left(Na\right) = 23,0 g.mol-1
- Valeur moyenne de la masse volumique de l'eau de la mer Méditerranée : \rho = 1\ 027 kg.m-3
La Posidonie de Méditerranée
D'après les sites http://fr.wikipedia.org et http://www.larecherche.fr
La Posidonie de Méditerranée (Posidonia Oceanica) est une plante aquatique qui forme de vastes herbiers entre la surface de l'eau et une profondeur de l'ordre de 40 m. Ces herbiers constituent l'écosystème majeur de Méditerranée et jouent un rôle important dans la protection des côtes contre l'érosion. De nombreux organismes, animaux et végétaux, trouvent protection et alimentation dans ces herbiers.
En Espagne, des études ont montré que la plante à fleurs aquatique Posidonia Oceanica est très sensible aux variations du taux de salinité de ses habitats naturels.
Des effets notables sur sa vitalité ont été observés dès que la salinité atteint 37,4 g de sel par kilogramme d'eau de mer.
Osmose inverse
D'après le site www.polymem.fr
Dans la nature, l'osmose est un phénomène naturel, essentiel aux équilibres biologiques, qui consiste en la migration de l'eau vers les solutions les plus concentrées. Cet écoulement s'arrête naturellement lorsque le système a atteint l'équilibre.
L'osmose inverse est une technologie de séparation utilisée dans le procédé industriel de dessalement de l'eau de mer. Lorsque l'on applique une pression suffisante sur la solution la plus concentrée, le flux d'eau est alors dirigé en sens inverse, c'est-à-dire de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée.
Schéma de principe de l'osmose inverse
Dosage des ions chlorure présents dans la saumure en fin du processus de dessalement
Équation de la réaction support du dosage :
\ce{Cl^{-}_{(aq)} + Ag+_{(aq)} - \gt AgCl_{(s)} }
Protocole opératoire :
- Diluer 500 fois la saumure pour obtenir une solution S
- Introduire un volume V_1 = 10{,}00 ml de la solution S dans un bécher
- Mettre en place une sonde de conductimétrie dans le bécher en ajoutant de l'eau distillée de manière à immerger la sonde
- Remplir une burette graduée avec une solution de nitrate d'argent de concentration molaire C2 en ions \ce{Ag+} égale à 2{,}00 \times 10^{-3} mol.l-1
- Verser progressivement la solution de nitrate d'argent dans le bécher et relever les valeurs de la conductivité du milieu réactionnel après chaque ajout
Évolution de la conductivité \sigma du milieu réactionnel en fonction du volume V2 de la solution de nitrate d'argent ajoutée, dans le cas de la saumure obtenue en fin du processus de dessalement :
On appelle salinité la masse totale de sels dissous dans un kilogramme d'eau de mer. Pour simplifier, on considèrera qu'il s'agit uniquement de chlorure de sodium.
L'eau de mer de la Méditerranée a une salinité naturelle moyenne de 35,6 g.kg-1.
Parmi les valeurs suivantes, laquelle est égale à la concentration molaire moyenne en ions chlorures dans l'eau de mer ?
Pour obtenir la concentration molaire moyenne en ions chlorures de l'eau de mer, on peut utiliser la salinité moyenne naturelle de l'eau de mer car les ions chlorures sont dus au sel de l'eau.
La salinité de l'eau S est la masse de sels contenus dans un kilogramme d'eau de mer. La concentration massique Cm de l'eau de mer en ions chlorures est la masse de sels contenus dans un litre d'eau, le lien réside donc dans la masse volumique de l'eau :
C_m=S\times \rho
Ici :
- S=35{,}6 g.kg-1
- \rho = 1\ 027 kg.m-3
On peut alors en déduire la concentration molaire en ions chlorures grâce à la masse molaire du chlorure de sodium :
\left[\ce{Cl-}\right]=\dfrac{C_m}{M_{NaCl}}
Ici M_{NaCl}=M\left(Na\right)+M\left(Cl\right)
On a donc :
\left[\ce{Cl-}\right]=\dfrac{C_m}{M\left(Na\right)+M\left(Cl\right)}
On en déduit alors :
\left[\ce{Cl-}\right]=\dfrac{S\times \rho}{M\left(Na\right)+M\left(Cl\right)}
D'où :
\left[\ce{Cl-}\right]=\dfrac{35{,}6\times1\ 027}{23{,}0+35{,}5}
Ce qui donne :
\left[\ce{Cl-}\right]=625 mol.m-3
La concentration moyenne de l'eau de mer en ions chlorures est donc de 0,625 mol.l-1.
La concentration moyenne en ions chlorures de l'eau de mer est de 0,625 mol.l-1.
En quoi la technique de dessalement de l'eau de mer par osmose inverse est génératrice de saumures ?
Lors du dessalement par osmose inverse, l'eau contenue dans le compartiment de grande concentration migre vers le compartiment de faible concentration. Le compartiment de grande concentration se "vide" donc de son eau, son volume diminue.
Cependant, la quantité de matière d'ions reste constante à droite et à gauche car seule l'eau peut traverser la membrane.
La formule donnant la concentration de la solution de droite est :
c=\dfrac{n}{V}
Où :
- n est la quantité de matière en ions chlorures ou sodiums (elles sont égales).
- V est le volume d'eau du compartiment de droite.
n reste constante tandis que V diminue donc la concentration c augmente. Plus on continue le processus d'osmose inverse, plus la concentration du compartiment de droite en ions augmente. On obtient ainsi de la saumure.
De manière contraire, le volume V' de la solution du compartiment de faible concentration augmente tandis que n' la quantité de matière d'ions reste constante. La concentration du compartiment le moins concentré diminue donc.
La solution dans le compartiment le plus concentré garde la même quantité de matière d'ions mais son volume diminue donc la technique d'osmose inverse entraîne une augmentation de la concentration de la solution en composés ioniques. On obtient donc de la saumure à la fin du processus de dessalement.
On envisage de mélanger 1,0 l d'une saumure obtenue en fin de processus de dessalement avec 200 l d'eau de mer avant de rejeter le mélange obtenu en Méditerranée. Cette saumure est analysée par conductimétrie, comme explicité dans le document 3.
Ce rejet présente-t-il un danger pour les écosystèmes marins ?
L'équation de réaction du dosage est la suivante :
\ce{Ag+_{(aq)} + Cl{-}_{(aq)} - \gt AgCl_{(s)}}
À l'équivalence du dosage, la quantité de matière d'ions argents versés est égale à la quantité de matière d'ions chlorures présents en solution avant le dosage :
n_{éq,\ce{Ag+}}=n_{i,\ce{Cl^{-}}}
Or, on peut exprimer la quantité de matière n_{éq,\ce{Ag+}} d'ions argents versés en fonction de la concentration en ions argents de la solution de nitrate d'argent C2 et du volume de solution versée à l'équivalence Véq :
n_{éq,\ce{Ag+}}=C_2 \times V_{éq}
Ici :
- C_2 = 2{,}00\times 10^{-3} mol.l-1.
- Véq peut être obtenu grâce à la courbe d'évolution de la conductivité.
À l'équivalence, il se produit une rupture de pente de la courbe de conductimétrie, il faut donc tracer deux droites ajustant les deux régimes d'évolution de la conductivité. Le volume à l'équivalence est le volume pour lequel les deux droites se croisent. On lit sur la courbe V_{éq} = 11{,}0 ml.
De plus, on peut également exprimer la quantité de matière n_{i,\ce{Cl^{-}}} en fonction de la concentration de la saumure dosée Cs et le volume de l'échantillon dosé V1 :
n_{i,\ce{Cl^{-}}} = C_s \times V_1
Ici :
- V_1 = 10{,}00 ml.
- Cs est inconnue, c'est la valeur que l'on cherche à calculer.
On peut donc en déduire l'égalité suivante :
C_s \times V_1 = C_2 \times V_{éq}
D'où :
C_s = \dfrac{C_2 \times V_{éq}}{V_1}
La solution dosée est une solution de saumure diluée 500 fois. On peut alors en déduire l'expression de la concentration molaire de la solution de saumure C qu'on souhaite mélanger à l'eau de mer :
C=C_s \times 500
On en déduit donc :
C = 500 \times \dfrac{C_2\times V_{éq}}{V_1}
On mélange un volume V_{saum}=1{,}0 l de cette saumure à V_{mer}=200 l d'eau de mer de concentration molaire C1 moyenne calculée à la question 1. On peut donc calculer la concentration molaire du mélange Cmel :
C_{mel} = \dfrac{n}{V}
Soit :
C_{mel} = \dfrac{C_1 \times V_{mer} + C \times V_{saum}}{V_{mer} + V_{saum}}
On a donc :
C_{mel} = \dfrac{C_1 \times V_{mer} + 500 \times \dfrac{C_2\times V_{éq}}{V_1}\times V_{saum}}{V_{mer} + V_{saum}}
Des effets notables au niveau de la Posidonia Oceanica apparaissent à partir d'une salinité de 37,4 g de sel par kilogramme d'eau de mer. Il faut donc pouvoir déterminer la salinité de la solution de saumure rejetée.
On a vu dans les questions précédentes que la salinité S est liée à la concentration massique Cm de l'eau par la masse volumique de l'eau :
C_m=S\times \rho
Or, la concentration molaire du mélange est liée à sa concentration massique par la masse molaire du chlorure de sodium :
C_{mel}=\dfrac{C_m}{M_{NaCl}}
Soit :
C_{mel}=\dfrac{C_m}{M\left(Na\right) + M\left(Cl\right)}
On peut alors écrire que :
C_{mel}=\dfrac{S\times \rho}{M\left(Na\right) + M\left(Cl\right)}
Ce qui donne, d'après l'expression de la concentration molaire :
\dfrac{C_1 \times V_{mer} + 500 \times \dfrac{C_2\times V_{éq}}{V_1}\times V_{saum}}{V_{mer} + V_{saum}}=\dfrac{S\times \rho}{M\left(Na\right) + M\left(Cl\right)}
On peut ainsi isoler la salinité de la saumure :
S = \left(M\left(Na\right)+M\left(Cl\right)\right) \times \dfrac{C_1 \times V_{mer} + 500 \times \dfrac{C_2\times V_{éq}}{V_1}\times V_{saum}}{\rho\times \left(V_{mer} + V_{saum} \right)}
Ici, il faut exprimer \rho en kg.l-1 car C2 s'exprime en mol.l-1.
Ainsi, en exprimant les différents termes de l'expression :
S =\left(23{,}0 + 35{,}5 \right) \times \dfrac{0{,}625\times 200+500\times \dfrac{2{,}00\times10^{-3}\times 11{,}0}{10{,}00} \times 1{,}0}{ 1\ 027 \times 10^{-3} \times \left( 200+1{,}0 \right)}
Donc :
S=35{,}7 g.kg-1
La salinité du mélange obtenu est inférieure à la salinité limite, le rejet d'un tel mélange ne sera donc pas néfaste pour les écosystèmes marins.
Le rejet ne représente pas de danger pour les écosystèmes marins.