Ce texte est le deuxième de 2 articles. Il a été co-rédigé avec Monique Henry du CEGEP de St-Laurent (Québec).

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Dans un premier article, nous avons défini l'alcalinité et distingué le "titre alcalimétrique TA" ou alcalinité à la phénolphtaléine P et le TAC, "titre alcalimétrique complet" ou alcalinité totale T. On a insisté sur le fait que ces valeurs correspondent à des titrages pendant lesquels les équilibres qui interviennent sont déplacés et que les espèces ainsi mesurées sont celles présentes et celles "en puissance".

 

Pour déterminer les concentrations des espèces présentes à l'équilibre, il faut faire des calculs qui d'ailleurs ne font pas intervenir P.

 

Concentrations des espèces alcalines - Force ionique - Activités

 

Les équilibres suivants ont lieu simultanément :

 

          H20    <---->  H+   +   OH-

                                                              H20  +  CO2  <---->  H+    +   HCO3-

            HCO3-  <---->  H+    +   CO3-2

 

Kw  =  (H+) (OH-)    

Ka1 = (H+) (HCO3-)

                 (CO2)

Ka2 = (H+ )(CO3-2)

               (HCO3-)                                                                                                                                 

 

Pour T° = 10°C --->      pKw = 14,54             pKa1 = 6,46           pKa2 = 10,49

Pour T° = 15°C  --->    pKw = 14,35             pKa1 = 6,42           pKa2 = 10,43

Pour T° = 20°C  --->     pKw = 14,17             pKa1 = 6,38           pKa2 = 10,38

Pour T° = 25°C  --->      pKw = 14,00             pKa1 = 6,35           pKa2 = 10,33

 

 

Dans les calculs, il faut tenir compte de la température mais aussi de la "force ionique", c'est-à dire de tous les ions présents (cations et anions). En effet, comme dans tous les calculs d'équilibre, ce sont les activités qui interviennent (A), activités ou concentrations efficaces :

(A) =  y [C] avec y < 1 (coefficient d'activité)

 

Cet effet est d'autant plus important que les solutions sont plus concentrées car les ions sont moins "efficaces" que leur concentration le laisserait croire. Pour des solutions 10-3 ou 10-4 M, la force ionique est relativement faible. On utilise alors le RSF (ou résidu sec filtrable) pour estimer la force ionique et corriger les constantes d'équilibre. Il est aussi assez facile de construire des logiciels pour accélérer les calculs... ou d'utiliser des nomogrammes.

 

APPLICATION # 1 : Soit un effluent dont le pH= 10,1 et l'alcalinité totale T = 63,5 mg/L de CaCO3. Le RSF vaut 100 mg/L et la température est de 20°C.

 

(mg/L CaCO3) :              OH-               HCO3-               CO3-2           Alc T            Alc P prévue

Calculs " approximatifs " :              4,25                28,9                     30,35               63,5               19,4

Nomogrammes :                             4,7                 25,5                      33,5                 63,7               21,5

Logiciel :                                          6,7                25,5                      31,3                  63,5               22,4   

 

APPLICATION # 2 : Soit un effluent dont le pH= 10,45 et l'alcalinité totale T = 38,5 mg/L de CaCO3. Le RSF vaut 100 mg/L et la température est de 25°C.

 

(mg/L CaCO3) :                OH-             HCO3-               CO3-2             Alc T            Alc P prévue

Calculs " approximatifs " :                14,1              6,7                       17,7                  38,5                23

Nomogrammes :                               15                 5,4                       17                     37, 4               23,5

Logiciel :                                           14,9              5,8                       17,8                  38,5                23,8   

 

 

Remarques : dans les calculs "approximatifs", on n'a pas tenu compte de la force ionique (faible ici). L'alcalinité P prévue est toujours égale à (OH- + 1/2 CO3-2).

Pour les calculs des teneurs ioniques, on peut se référer aux formules de Moore permettant ce type de calculs.

 

Intérêt de l'alcalinité - Conséquences

 

L'alcalinité est une propriété importante des eaux naturelles : elle leur confère un certain pouvoir tampon pour résister aux apports acides : pluies acides ou déversements. Les eaux naturelles contiennent pratiquement toujours à la fois un acide faible (CO2) et une base faible (HCO3-) : cela n'est possible que parce que ces deux espèces sont "conjuguées", participant à un même couple acide-base :

 

H20  +  CO2  <---->    H+   +   HCO3-

   

Si les concentrations des deux espèces étaient du même ordre de grandeur, on aurait une véritable solution tampon. Généralement, l'eau contient beaucoup plus de bicarbonates mais les eaux alcalines sont tout de même de pH beaucoup plus stable.

 

On pense parfois qu'une eau alcaline est une eau dure; effectivement, si l'eau contient une forte quantité d'anions bicarbonates, elle contient aussi beaucoup de cations... cependant, il peut s'agir de sodium ou de potassium, plutôt que de calcium et de magnésium, ces derniers étant  responsables de la dureté!

L'alcalinité dépend des sols et des sous-sols où l'eau a voyagé. Ainsi, les eaux des régions calcaires sont alcalines contrairement à celles des régions granitiques :

H20 + CaCO3 + CO2  <---->  Ca+2  +  2HCO3-

 

L'alcalinité est la propriété qui a le plus d'influence sur le traitement de l'eau, en particulier sur la coagulation, la désinfection et la mise à l'équilibre calco-carbonique.

 

- Les agents coagulants, dérivés de l'Al+3 ou du Fe+3 sont des sels acides qui consomment de l'alcalinité (même si certains coagulants modifiés comme les PASS en consomment moins).

 

L'équation simplifiée de l'hydrolyse de l'alun par exemple, montre qu'une mole d'alun (594 g compte tenu des 14 moles d'eau de cristallisation) libère 6 équivalents acides et consomme donc :

 6 x 50 = 300 g d'alcalinité exprimée en CaCO3

 

Al2(SO4)3  +   3 H20  ---->  2 Al(OH)3  +  3 SO4-2  +  6 H+

 

On arrondit souvent en disant qu'un dosage d'alun de 40 mg/L, par exemple, consomme la moitié d'alcalinité soit 20 mg/L...

En particulier au Québec, où les eaux naturelles sont souvent peu alcalines (TAC < 6°F), l'utilisation de l'alun est donc limitée par cet effet, l'eau coagulée étant très acide, de pH instable. Par contre, si l'alcalinité est suffisante, la dose d'alun peut être plus élevée et la baisse de pH due à l'agent coagulant permet parfois d'atteindre un pH optimal pour la coagulation-floculation.

 

- Il est connu que l'efficacité de la désinfection au chlore est influencée par le pH; dans une eau très alcaline de pH proche de 8,3 l'addition de chlore conduit à plus de 75% d'ions hypochlorite, moins efficaces que l'acide hypochloreux.

 

- Enfin, on a déjà souligné dans un précédent article l'importance de distribuer une eau à l'équilibre calco-carbonique et de corriger à la fois la dureté et l'alcalinité : cela est beaucoup plus facile dans le cas des eaux alcalines. 

 

Même si les valeurs limites varient selon les auteurs, comme pour la dureté, on admet qu'une alcalinité comprise entre 60 et 120 mg/L de CaCO3 est optimale (6 à 12°F) autant pour le goût que pour l'aptitude à résister aux attaques acides. Une forte alcalinité, si elle est associée à une dureté élevée (>12°F), peut entraîner des problèmes de précipitations indésirables comme c'est le cas des eaux incrustantes.

 

Le lecteur est invité à consulter le site québécois mis en référence (voir: Pour en savoir plus), illustrant entre autre, l'alcalinité des eaux naturelles.

 

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