Aurélie 03/10/10
 

 

Diagramme E-pH de l'aluminium ; électrolyse . BTS métiers de l'eau 2010.

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Partie 3. (3 points)
L'alumine Al2O3(s) est une forme déshydratée de l'hydroxyde d'aluminium. L'ion aluminate est une espèce soluble de formule AlO2-aq.
D'après le diagramme potentiel-pH, préciser pour les zones A, B, C et D, s'il s'agit d'une zone de corrosion, passivation ou d'immunité.

Zone A :  zone de stabilité thermodynamique du métal Al, donc immunité thermodynamique.
Zone B : l'élément aluminium est sous forme d'ion Al3+aq en solution donc corrosion.
Zone C : l'élément aluminium est sous forme d'oxyde Al2O3(s) protecteur du métal, donc passivation.
Zone D : l'élément aluminium est sous forme d'ion AlO2-aq en solution donc corrosion.


Un étudiant affirme : " le dioxygène dissout réagit avec le métal aluminium quel que soit la valeur du pH".
A-t-il raison ou tord ?
Al et O2 appartiennent à des domaines disjoints quel que soit le pH. Le dioxygène est capable d'oxyder le métal quel que soit le pH. L'étudiant a raison.


   

L'eau réagit avec le métal aluminium, quel que soit le pH.
Justifier cette affirmation. Ecrire le bilan de cette réaction à pH=7.
Couples redox : Al2O3(s) /Al(s) et
H2O(l) / H2(g).
Al et
H2O appartiennent à des domaines disjoints quel que soit le pH. L'aluminium est capable de réduire l'eau quel que soit le pH.
2 Al(s)  +3
H2O(l)= Al2O3(s) + 6e- + 6H+.
3 fois { 2H++2e- = H2(g) }.
2 Al(s)  +3H2O(l)= Al2O3(s) + 3H2(g).
Décrire succinctement le phénomène de passivation.
En présence de dioxygène de l'air le métal aluminium s'oxyde  en alumine : cette oxyde forme une couche protectrice. Le métal n'étant plus en contact avec le dioxygène, l'oxydation s'arrête.

Au niveau de l'anode de la cellule d'électrocoagulation, l'aluminium réagit spontanément en présence de dioxygène et d'eau pour former une couche d'oxyde d'alumine. On se demande alors comment dans la pratique l'EC peut être efficace pour les pH intermédiaire ( 5 à 8 ).
Comment l'anode en aluminium recouverte d'alumine peut-elle être dissoute en ion Al3+ aq ?
Lorsque la différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes est suffisamment importante, et grâce à la présence d'ion chlorure ( éventuellement rajoutés à l'effluent ), la corrosion a lieu par piqûres. Les ions chlorures fragilisent les couches successives d'alumine plus ou moins poreuses.





Partie 4. ( 4 points ).
Un pilote d'électrocoagulation est constitué d'une cuve et de deux électrodes reliées à un générateur de courant continu. Les électrodes sont des plaques d'aluminium rectangulaires de surface active S de 175 cm2 et distantes de L = 2,0 cm.  L'intensité de travail I est de 5,0 A. Une pompe alimente le pilote en effluent d'une inductrie textile, avec un débit D de 600 L h-1.
L'effluent traité présente une conductivité g de 2,4 mS cm-1.
On donne l'expression de la résistance de l'effluent entre les électrodes R = L / (gS) en ohm.
Calculer la résistance de la solution entre les électrodes
.
gS = 2,4*175 = 420 mS cm = 0,42 S cm ; 1 / (gS) =2,38 S-1 cm-1 L / (gS) =2,0 *2,38 =4,76 ~4,8 S-1 ou W.
Exprimer et calculer la puissance dissipée par effet Joule lorsque le module d'électrocoagulation fonctionne.
P = R I2 =4,76 *5,02 = 119 ~ 1,2 102 W.
Vérifier que l'énergie dissipée par effet Joule en une heure est 4,3 105 J.
W = P t = 119*3600 = 4,3 105 J.







On réalise un bilan énergétique sur une heure de fonctionnement du module.
Evaluer la variation de température DT au cours du traitement de l'effluent.
On donne ceffluent =4185 J kg-1 K-1 ; reffluent =1000 kg m-3.
Masse d'effluent par heure : m =D
reffluent =0,600*1000 = 600 kg h-1.
Energie reçue par l'effluent :  m
ceffluent DT = 4,3 105 J.
DT =4,3 105 / (600*4185) =0,17 °C.
En appliquant la loi de Faraday, évaluer la variation de la masse de l'anode en aluminium Dm après une heure de fonctionnement.
Quantité d'électricité : Q = I t = 5,0*3600 =1,8 104 C.
Quantité de matière d'électrons : ne- =
1,8 104 /96485 =0,1866 mol.
Al(s) = Al3+aq + 3e-.
Quantité de matière d'aluminium n = ne- /3 = 6,22 10-2 mol.
Dm = n M(Al) = 6,22 10-2*27 =1,68 ~1,7 g h-1.









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