Aurélie 02/10/10
 

 

Electrocoagulation, traitement de l'eau polluée. BTS métiers de l'eau 2010.

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Partie 1. (4 points)
Ecrire les formules du benzène, du 1,2-dichloroéthane, le pentachlorophénol, le trichloroéthylène ou 1,1,2-trichloroéthène.


Ecrire la formule semi-développée du 1,4-hydroxynonylbenzène ou paranonylphénol.

Donner la représentation de Lewis du tétrachlorure de carbone puis le type de géométrie spatiale de cette molécule selon la méthode VSEPR. En faire la représentation.


Electrocoagulation, traitement  de l'eau polluée.(9 points )
Le coagulant est libéré dans l'effluent in situ, en utilisant la dissolution d'une anode sacrificielle, le plus souvent en aluminium ou en fer. Lors de l'alimentation des électrodes en courant, il y a simultanément une dissolution du métal à l'anode et un dégagement de dihydrogène au voisinage de la cathode.
La dissolution de l'anode conduit à la formation d'hydroxydes métalliques entre autre. Ces composés sont généralement une meilleure efficacité de coagulation que celle des produits chimiques utilisés dans les techniques conventionnelles ( ajout de sulfate d'aluminium ou de chlorure ferrique. Le dégagement de dihydrogène sous forme de bulles contribue fortement à l'agitation du milieu et, dans certains cas, favorise la flottation des solides formés ( absorbant-polluant ).


Soit la description simplifiée d'un module d'électrocoagulation : deux électrodes, dont une anode en aluminium, sont reliées à une source de courant continu et plongent dans le bac contenant un effluent aqueux à traiter.
La nature de la cathode n'a pas besoin d'être précisée dans l'étude à suivre.
Le couple mis en jeu à l'anode est Al3+aq/ Al(s).
Donner pour chaque espèce le degré d'oxydation.
Le degré d'oxydation de l'aluminium est nul dans Al(s) et vaut + III dans l'ion
Al3+aq.


   

Ecrire la réaction à l'anode. S'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction ?
Une oxydation se produit à l'anode positive : Al(s) = Al3+aq + 3e-.
A la cathode, l'eau est la source de dégagement de dihydrogène. Le couple redox mis en jeu est H2O(l) / H2(g).
Ecrire la réaction à la cathode, en milieu acide, puis en milieu basique.
Réduction à la cathode négative :  2e- + 2 H+aq = H2(g)  en milieu acide.
2H2O(l) +2e-= H2(g)  +2HO-aq en milieu basique.
S'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction ? Justifier.
H+aq ou H2O(l) gagnent des électrons ; ce sont des oxydant qui se réduisent ( réduction).
On veut calculer la tension à appliquer au module d'électrocoagulation dans le cas d'un milieu acide.
Donner les relations de Nernst pour les deux couples précédents.
E1 = E°(
Al3+aq/ Al(s)) + 0,02 log [ Al3+aq].
E2 = E°( H+aq H2(g)) + 0,03 log( [ H+aq]2 / PH2).
Calculer le potentiel de chaque électrode à pH=3.
Potentiel standard à pH=0 :
E°( Al3+aq/ Al(s))= -1,66 V ; E°( H+aq H2(g)) = 0,00 V ; PH2= 1 bar ; [ Al3+aq] = 1 mol/L.
E1 = -1,66 V ; E2 =0,00 + 0,03 log 10-6 = -0,18 V.
En déduire la tension minimale théorique à appliquer pour observer la dissolution de l'électrode d'aluminium à pH=3.
E1 - E2 =-0,18 +1,66 = 1,48 ~1,5 V.
Comment expliquer, qu'en pratique, il faut imposer une tension supérieure à celle calculée précédemment.
Certaines réactions sont lentes ; le dihydrogène peut s'adsorber sur la cathode.
Lors du fonctionnement du module d'électrocoagulation, l'espèce aluminium apparaît majoritairement en fonction du pH, soit sous forme d'ion Al3+aq, soit sous la forme d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3(s), soit sous forme de complexe tétrahydroxoaluminate (III) [Al(OH)4]-aq.
Ecrire l'équation de la réaction de précipitation de Al(OH)3(s).
Al3+aq+ 3HO-aq =Al(OH)3(s)
Soit pH1, le pH de début de précipitation de Al(OH)3(s).
Le calculer pour une concentration en Al3+aq notée C1 = 1,00 mol/L.
On donne le produit de solubilité de Al(OH)3(s) : Ks1 = 10-33.
Ks1 = 10-33 =[Al3+aq][HO-aq]3[HO-aq]3 =10-33 ; [HO-aq] = 10-11 mol/L ;
[H3O+aq] = 10-14 /
[HO-aq]= 10-14 / 10-11 = 10-3 mol/L ; pH1 = 3,0.

Soient les réactions : Al(OH)3(s) +HO-aq = [Al(OH)4]-aq ;  K2.
Al3+aq + 4 HO-aq = [Al(OH)4]-aq ;  K3 = 1035 à 25°C.
Exprimer les constantes d'équilibre K2 et K3.
K2= [[Al(OH)4]-aq] / [HO-aq].  K3= [[Al(OH)4]-aq] / ([HO-aq]4[Al3+aq] ).
En déduire l'expression de K2 en fonction de K3 et Ks1. Calculer K2.
Ks1= ([HO-aq]3[Al3+aq] ).
K3= [
[Al(OH)4]-aq] / ([HO-aq]4[Al3+aq] ) =  [[Al(OH)4]-aq] /( [HO-aq]Ks1)= K2 /Ks1.
K2= K3 Ks1= 1035 10-33 =100.






Vérifier que le pH de redissolution totale de l'hydroxyde Al(OH)3 (s) est à 25°C : pH2 = 12.
K2= [[Al(OH)4]-aq] / [HO-aq] avec [[Al(OH)4]-aq] = 1,00 mol/L.
[HO-aq] = 1/K2 : 1 / 100 = 10-2 mol/L.
[H3O+aq] = 10-14 / [HO-aq]= 10-14 / 10-2 = 10-12 mol/L ; pH2 = 12.
Compléter le diagramme ci-dessous en indiquant sous quelle(s) forme(s) dissoute(s) se trouve l'espèce aluminium dans les 3 intervalles de pH.

Ceci justifie que dans la pratiquede l'électrogoagulation, l'opération s'effectue sur des effluents de pH 5 à 8. Dans ces conditions, la solubilité de l'hydroxyde amphotère est faible et la présence de complexes chargés négativement est minimisée. Rappelons que les charges négatives stabilisent les colloïdes qui ne peuvent plus coaguler.

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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