Sels de calcium courants en solution aqueuse et technologies d’élimination et de purification
Les composés calciques se dissolvent ou se dissocient dans l’eau selon leur nature chimique. Dans les effluents aqueux dilués, le calcium est principalement présent sous forme d’ions calcium dissous (Ca2+) et d’espèces aqueuses associées, et non sous forme de molécules de sels intactes. Le calcium est naturellement présent dans l’eau et provient également des procédés industriels et des produits chimiques utilisés pour le traitement de l’eau.
Vous devez gérer la dureté, l’entartrage calcique ou une saumure riche en calcium ? Le traitement adapté dépend d’une analyse complète de l’eau, comprenant le calcium, le magnésium, l’alcalinité, les sulfates, le pH, la température et le taux de récupération d’eau souhaité. La concentration en calcium ne suffit pas à elle seule à déterminer si des dépôts de tartre se formeront.
Composés calciques courants et milieux où ils sont présents
| Composé calcique | Formule | Applications, secteurs et utilisations typiques | Milieux aqueux typiques où il est présent |
|---|---|---|---|
| Bicarbonate de calcium (espèces carbonatées dissoutes) | Ca(HCO3)2 | Notation couramment utilisée pour désigner la présence conjointe de calcium et de bicarbonate dans la chimie des eaux naturelles ; ce composé n’est normalement pas manipulé sous forme de sel sec isolé et stable. | Eaux souterraines et eaux de surface ayant dissous du dioxyde de carbone et été en contact avec du calcaire ou d’autres roches carbonatées ; eaux présentant une dureté carbonatée. |
| Carbonate de calcium (calcite, craie, calcaire) | CaCO3 | Matériaux de construction, traitement des minéraux, neutralisation et traitement de l’eau à la chaux ; également un dépôt de tartre courant. | Eaux souterraines et eaux de procédé en contact avec des minéraux carbonatés ; solides précipités lors de l’adoucissement, de la neutralisation et des processus d’entartrage. |
| Sulfate de calcium (gypse / anhydrite) | CaSO4·2H2O / CaSO4 | Production de gypse, exploitation minière, ciment et traitement des minéraux ; sel susceptible de former du tartre lors des procédés de concentration. | Eaux souterraines en contact avec du gypse, eaux de drainage minier, eaux usées industrielles, saumures issues de l’eau de mer et concentrats membranaires. |
| Chlorure de calcium | CaCl2 | Déverglaçage, lutte contre la poussière, activités pétrolières et gazières, transformation des aliments et fabrication de produits chimiques. | Eaux de ruissellement chargées en sels de voirie, saumures de champs pétroliers, eaux de procédé et effluents dans lesquels le chlorure de calcium est utilisé comme produit de traitement ou de procédé. |
| Nitrate de calcium | Ca(NO3)2 | Fabrication et utilisation d’engrais, adjuvants pour béton et certains procédés chimiques. | Eaux de drainage agricole, ruissellement lié aux engrais et eaux de procédé industrielles. |
| Fluorure de calcium (fluorine) | CaF2 | Extraction et traitement de la fluorine, et traitement des fluorures par précipitation. | Eaux souterraines contenant des fluorures et eaux minières ou issues du traitement des minéraux ; il peut également se former comme précipité lors du traitement. |
| Hydroxyde de calcium (chaux hydratée) | Ca(OH)2 | Ajustement du pH de l’eau et des eaux usées, adoucissement à la chaux et neutralisation. | Effluents traités par ajout de chaux ; le traitement peut former des solides de carbonate de calcium ou d’hydroxydes métalliques qui doivent être séparés. |
| Phosphates de calcium | CaHPO4, Ca3(PO4)2 et phases apparentées | Élimination et récupération des phosphates, production d’engrais et traitement biologique ou chimique. | Eaux usées contenant des phosphates et boues de traitement ; la précipitation dépend du pH et des concentrations en calcium et en phosphates. |
| Hypochlorite de calcium | Ca(OCl)2 | Désinfection de l’eau potable, des piscines et des eaux de procédé. | Eau pendant et après le dosage d’hypochlorite ; le calcium apporté peut contribuer à la dureté ou à la formation de dépôts dans certains systèmes. |
Solubilité et chimie du calcium
La solubilité des composés calciques varie considérablement. Le chlorure de calcium et le nitrate de calcium sont facilement solubles, tandis que le carbonate de calcium, le fluorure de calcium et de nombreux minéraux phosphatés calciques sont peu solubles dans les conditions ordinaires. Le sulfate de calcium présente une solubilité limitée qui varie selon la température et la composition de la solution. Il s’agit de comparaisons générales, et non de limites fixes applicables aux eaux de procédé réelles.
Dans les eaux naturelles, le dioxyde de carbone peut favoriser la dissolution des minéraux carbonatés, produisant du calcium et du bicarbonate en solution. Des variations du pH, de la température, de la pression ou de la teneur en dioxyde de carbone dissous peuvent modifier cet équilibre et provoquer la précipitation du carbonate de calcium. La concentration d’un flux d’eau peut aussi rapprocher le sulfate de calcium ou d’autres minéraux de la saturation. Dans les saumures, la force ionique et les interactions entre ions influent sur les activités chimiques pertinentes ; les valeurs de solubilité dans l’eau pure ne suffisent donc pas à prédire l’entartrage.
La dureté calcique est généralement exprimée en milligrammes par litre d’équivalent carbonate de calcium (mg/L en CaCO3). Il s’agit d’une convention d’expression de la dureté en équivalent, et non d’une affirmation selon laquelle tout le calcium dissous serait présent sous forme de carbonate de calcium. Le calculateur d’entartrage et de solubilité du carbonate de calcium et le calculateur d’entartrage et de solubilité du sulfate de calcium fournissent des comparaisons indicatives ; ils ne remplacent ni une analyse complète de l’eau ni un modèle de procédé validé.
Solutions de séparation, de purification et de concentration
Lenntech peut évaluer les filières de traitement des eaux contenant des composés calciques. Le procédé approprié dépend de la composition de l’eau, de la qualité visée, de l’objectif de récupération, du risque d’entartrage et de la gestion des résidus. Les options ci-dessous sont des approches possibles ; aucune technologie ne convient à tous les effluents.
| Problématique de traitement de l’eau | Filière de traitement envisageable | Points à considérer pour le choix |
|---|---|---|
| Dureté de l’eau municipale, de service ou de procédé | Adoucissement à la chaux ou échange d’ions | Le traitement à la chaux peut provoquer la précipitation du carbonate de calcium ; l’échange d’ions en cycle sodium remplace le calcium et le magnésium par du sodium et produit une saumure de régénération. |
| Calcium et autres ions dissous dans l’eau d’alimentation | Nanofiltration (NF), osmose inverse (RO) ou électrodialyse à inversion de polarité (EDR) | La NF réduit souvent préférentiellement les ions divalents, tandis que la RO et l’EDR présentent des caractéristiques de séparation différentes. Le taux de récupération est limité par la saturation, le prétraitement, les conditions d’exploitation et la gestion du concentrat. |
| Risque d’entartrage par le carbonate de calcium ou le sulfate de calcium | Analyse de l’eau et évaluation du risque d’entartrage, suivies, si cela convient, d’un adoucissement, d’un ajustement du pH ou de l’alcalinité, d’un dosage d’antitartre ou d’une stratégie d’exploitation à plus faible taux de récupération | La méthode de maîtrise appropriée dépend de la phase minérale et de la composition chimique du flux. Un indice d’entartrage ne constitue pas, à lui seul, une évaluation complète pour la conception. |
| Précipités contenant du calcium ou flux riches en phosphates | Précipitation sélective suivie d’une séparation des solides ; la cristallisation peut être envisagée lorsqu’une récupération est appropriée | La chimie de la précipitation, les propriétés des boues, les concentrations résiduelles et la qualité du produit doivent être évaluées pour le flux concerné. |
| Saumures concentrées ou flux résiduels | Concentration supplémentaire par membranes ou options de rejet liquide nul (ZLD) et de cristallisation | La demande énergétique, la maîtrise de l’entartrage, le choix des matériaux ainsi que la qualité et la gestion des solides récupérés influent sur la faisabilité. |
Incidences sur l’exploitation et exigences
Le calcium dissous contribue à la dureté de l’eau. Selon l’alcalinité, le pH, la température et les autres ions présents, le calcium peut contribuer à la formation de dépôts dans les canalisations, les échangeurs de chaleur, les chaudières et les systèmes membranaires. La dureté peut également influer sur la consommation de savon et les spécifications de l’eau de procédé. Le calcium est un nutriment essentiel, et l’eau potable peut contribuer à l’apport alimentaire ; les exigences applicables dépendent du territoire et de l’usage prévu.
Pour l’irrigation et la réutilisation industrielle, le calcium doit être considéré conjointement avec la salinité, le sodium, le magnésium et l’application envisagée. Dans les systèmes de traitement, l’élimination du calcium peut nécessiter de prendre en compte la maîtrise de la corrosion, la stabilisation, la gestion du concentrat ou des boues, ainsi que les effets du traitement sur les autres paramètres de qualité de l’eau.
Élaboration d’une solution de traitement
Une analyse représentative de l’eau aide à déterminer les espèces du calcium, les risques d’entartrage et les voies de traitement adaptées. Le cas échéant, des essais en laboratoire et une validation à l’échelle pilote permettent d’évaluer les performances dans des conditions d’exploitation représentatives avant de choisir une conception à grande échelle. L’évaluation de la faisabilité du procédé de Lenntech décrit cette démarche d’évaluation.
Parlons de votre problématique de traitement de l’eau
Pour discuter de la composition d’une eau ou d’une saumure particulière, contactez Lenntech à l’adresse info@lenntech.com.
Sources et lectures complémentaires
- U.S. Geological Survey : Dureté de l’eau.
- U.S. Geological Survey : Constituants et propriétés des eaux souterraines.
- U.S. Geological Survey : Solubilité de la calcite, de l’aragonite et de la vatérite dans les solutions de CO₂–H₂O.
- PubChem : Chlorure de calcium.
- PubChem : Sulfate de calcium.
- Organisation mondiale de la Santé : Dureté de l’eau potable.