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Décomposition de l'ozone

Lorsque l'ozone est produit, il se décompose rapidement, parce que l'ozone est un composé instable avec une durée de vie relativement faible. La demi-vie de l'ozone dans l'eau est beaucoup plus courte que dans l'air (voit tableau 1). L'ozone se décompose dans l'eau sous les conditions d'eau potable (pH: 6-8,5), partiellement dans des radicaux-OH réactifs. Ainsi, l'estimation d'un procédé à l'ozone conduit toujours à la réactions de deux espèces: l'ozone et les radicaux-OH. Lorsque ces radicaux-OH sont dans les particules dominantes de la solution, ceci s'appelle un procédé avancé d'oxydation (AOP). La décomposition de l'ozone en radicaux-OH dans les eaux naturelles est caractérisée par diminution initiale rapide de l'ozone, suivie par une seconde phase dans laquelle l'ozone décroît suivant une cinétique du premier ordre [15]. En fonction de la qualité de l'eau, la demi-vie de l'ozone est de quelques secondes à quelques heures. Les facteurs influençant la décomposition de l'ozone dans l'eau sont la température, le pH, l'environnement, les concentrations en matières dissoutes et la lumière UV. Ici, nous présenterons les principaux facteurs influençant la décomposition de l'ozone.

Facteurs influents

1. Température

La température a une influence importante sur la demi-vie de l'ozone. Le tableau 1 montre la demi-vie de l'ozone dans l'air et dans l'eau. Dans l'eau, la demi-vie de l'ozone est plus courte dans l'air, ou, en d'autres termes, l'ozone se décompose plus rapidement dans l'eau [1]. La solubilité de l'ozone décroît à des températures plus élevées et est moins stable. D'autre part, la vitesse de réaction augmente d'un facteur 2 ou 3 par 10 °C [5,6]. Principalement, l'ozone dissoute dans l'eau ne peut être appliquée à des températures supérieures à 40 °C, parce que à cette température la demi-vie de l'ozone est très courte.

Tableau 1: demi-vie de l'ozone dans l'air et dans l'eau à différentes températures

Air

Température (°C)

Demi-vie

-50

3 mois

-35

18 jours

-25

8 jours

20

3 jours

120

1,5 heures

250

1,5 secondes

Dissous dans l'eau (pH 7)

Température (°C)

Demi-vie

15

30 min

20

20 min

25

15 min

30

12 min

35

8 min

2. pH

Comme mentionné ci-dessus, l'ozone se décompose partiellement en radicaux-OH. Lorsque le pH augmente, la formation des radicaux-OH augmente. Dans une solution avec une valeur de pH élevée, il y a plus d'ions hydroxyde présents, voir les formules ci-dessous. Ces ions hydroxydes agissent en tant qu'initiateur de la décomposition de l'ozone:

1 O3 + OH- → HO2- + O2

2 O3 + HO2- → OH + O2 - + O2

Les radicaux produits dans la réaction 2 peuvent introduire d'autres réactions avec l'ozone, entraînant la formation de plus de radicaux-OH.

De plus, le pH influe sur l'équilibre acide/base de certains composés et également sur la vitesse de réaction de l'ozone. Ceci s'applique également à la réaction avec le CO32-, qui dépend aussi du pH (pKa HCO32-/CO32- = 10,3).

La figure 1 montre que la décomposition de l'ozone dans un environnement basique est plus rapide que dans un environnement acide.

Figure 1: effet du pH sur la décomposition de l'ozone (T = 15 °C)

3. Concentration en solides dissous

L'ozone dissous peut réagir avec une grande variété de matière, tels que les composés organiques, les virus, les bactéries, etc. Ainsi, l'ozone se décompose en d'autres matières; voir figure 2. Cette figure illustre que la demi-vie de l'ozone dans l'eau du robinet est plus courte, comparée à l'eau distillée.

Figure 2: Décomposition de l'ozone dans différents types d'eau à 20 °C. 1 = eau double-distillée; 2 = eau distillée; 3 = eau du robinet; 4 = eaux souterraines à faible dureté; 5 = eau filtrée du lac de Zurich (Suisse); 6 = eau filtrée du Bodensee (Suisse)

L'ozone se décompose dans l'eau en radicaux-OH. En fonction de la nature de la matière dissoute, elle peut accélérer (réaction en chaîne) ou ralentir la décomposition de l'ozone. Les substances qui accélèrent la réaction sont appelées les promoteurs. Les inhibiteurs sont les substances qui ralentissent la réaction.

Lorsque l'eau est ozonée, on utilise souvent de terme de 'capacité de désactivation'. Les désactiveurs sont les entités qui réagissent avec les radicaux-OH et ralentissent la réaction en chaîne. La capacité de désactivation peut être définie comme suit [16]:

kOH-DOC[DOC] + kOH-HCO3-[HCO3-] + kOH-CO32-[CO32-]

4. Carbonate et bicarbonate

Les désactiveurs ralentissent la réaction en chaîne. Ceci est dû à la réaction des désactiverus avec les radicaux-OH, les produits de réaction ne réagissent pas avec l'ozone. Le carbonate est un désactiveur avec un fort effet. L'addition de carbonate (CO32-) peut augmenter la demi-vie de l'ozone [5,6]. L'effet sur la vitesse de réaction est plus élevé à de faibles concentrations. Au-dessus de 2 mmol-1 pour l'ozonisation et 3 mmol l-1 pour le procédé d'oxydation avancé (AOP), la diminution de la vitesse de réaction est négligeable [6].

Quand une solution subit principalement des réactions indirectes (avec les radicaux-OH), par exemple dans une solution avec une grande valeur de pH ou un procédé AOP, la présence de désactiveurs est indésirable. Les désactiveurs réagissent très rapidement avec les radicaux-OH et abaissent la capacité d'oxydation. Pour ce type de procédé, une faible capacité de désactivation est requise.

Les ions carbonate (CO32-) sont de plus forts désactiveurs que les ions bicarbonate (HCO32-) (vitesse de réaction de CO32-: k = 4,2 * 108 M-1s-1 et vitesse de réaction de HCO3-: k = 1.5 * 107 M-1s-1). C'est pourquoi dans un procédé à l'ozone sous des conditions d'eau potable, la concentration en bicarbonate est moins importante[6]. La figure 3 illustre la relation entre l'indice de carbonate, l'indice de bicarbonate et le pH.

Figure 3: équilibre carbonate, bicarbonate et dioxyde de carbone

5. Matière Organique Naturelle

La matière organique naturelle (NOM) existe dans tous les types d'eau naturelle et est souvent mesurée en tant que carbone organique dissous (COD). Le NOM réduit la qualité de l'eau du point de vue de la couleur et de l'odeur. L'ozone peut être utilisé dans le traitement de l'eau, pour la réduction de la concentration en NOM. La concentration en NOM dans les eaux naturelles peut varier de 0,2 à 10 mg l-1 [6]. L'influence du NOM dans l'ozone est double. En fonction du type de NOM, il peut être oxydé directement par le NOM. C'est le cas pour les composés qui réagissent facilement avec l'ozone, tels que les doubles liaisons, les composés aromatiques activés, certains amines et sulfide [15]. d'autre part, les radicaux-OH peuvent réagir avec la NOM (réaction indirecte) et agir en tant que promoteur ou désactiveurs.
Dans les eaux naturelles, il est difficile de déterminer la stabilité de l'ozone en raison de l'effet indéfini de la NOM. Ceci signifie qu'il n'est pas possible d'estimer la fraction qui accélère ou ralentie la réaction [15].

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