Sels courants contenant du carbone en solution aqueuse et leur traitement
Les composés contenant du carbone sont courants dans l’eau, mais leur forme dépend du pH et des autres ions dissous. Dans l’eau, les sels solubles de carbonate et de bicarbonate se dissocient en ions ; les carbonates peu solubles peuvent se présenter sous forme de minéraux ou de dépôts précipités plutôt que de molécules de sel dissoutes.
Distinction importante : Le « carbone dans l’eau » peut désigner le carbone inorganique (CO2, le bicarbonate et le carbonate) ou le carbone organique (tel que le COD et le COT). Cette page porte sur les composés courants à base de carbonate et de bicarbonate ; elle ne couvre pas l’ensemble des formes de carbone organique présentes dans l’eau.
Sels et composés courants contenant du carbone dans les systèmes aqueux
| Composé carbonaté ou bicarbonaté | Formule | Application, secteur ou utilisation typique | Flux aqueux typiques dans lesquels on le rencontre |
|---|---|---|---|
| Carbonate de calcium (calcite, aragonite, calcaire) | CaCO3 | Construction et traitement des minéraux ; adoucissement à la chaux et neutralisation ; minéral courant dans les dépôts de tartre. | Eaux souterraines et eaux de procédé en contact avec des roches carbonatées ; boues d’adoucissement, eaux de traitement des minéraux et dépôts de tartre carbonaté. |
| Bicarbonate de calcium (calcium et bicarbonate en solution aqueuse) | Ca2+ + 2HCO3− (souvent écrit Ca(HCO3)2) | Représentation commode de la dureté carbonatée dans la chimie des eaux naturelles, plutôt qu’un sel stable isolé habituellement manipulé comme produit sec. | Eaux souterraines et eaux de surface dans lesquelles une eau contenant du CO2 a dissous du calcaire ou d’autres minéraux carbonatés. |
| Carbonate de magnésium (magnésite et phases apparentées) | MgCO3 | Traitement des minéraux, matériaux réfractaires et production de produits chimiques de spécialité. | Eaux en contact avec des minéraux carbonatés et flux issus du traitement des minéraux ; le magnésium dissous est souvent accompagné de bicarbonate, tandis que la présence de phases solides de carbonate de magnésium dépend des conditions. |
| Bicarbonate de sodium | NaHCO3 | Production alimentaire et chimique, effet tampon et certaines applications de traitement de l’eau. | Eaux naturelles présentant une alcalinité bicarbonatée, flux de dosage et de rinçage, et eaux de procédé concentrées. |
| Carbonate de sodium (soude Solvay) | Na2CO3 | Fabrication du verre et des détergents, ajustement du pH et adoucissement de l’eau. | Solutions de procédé et eaux usées dans lesquelles la soude Solvay est utilisée ; concentrats et flux de nettoyage. |
| Bicarbonate de potassium et carbonate de potassium | KHCO3, K2CO3 | Applications alimentaires, agricoles (engrais), chimiques de spécialité et de régulation du pH. | Eaux de procédé et de lavage concernées par l’utilisation de ces produits chimiques ; les concentrations dépendent du dosage, puis de la dilution ou de la récupération. |
| Bicarbonate d’ammonium et carbonate d’ammonium | NH4HCO3, (NH4)2CO3 | Procédés alimentaires, de fabrication d’engrais et chimiques. | Eaux de procédé et eaux usées associées à l’utilisation de sels d’ammonium ; la spéciation de l’ammoniac/ammonium et des carbonates varie selon le pH et la température. |
| Carbonate de fer(II) (sidérite) | FeCO3 | Présent dans les gisements minéraux contenant du fer et les systèmes géochimiques ; ce minéral peut former des dépôts en milieu réducteur. | Certaines eaux souterraines réductrices et eaux de mines ou de procédé dans lesquelles le fer dissous et la chimie des carbonates permettent la précipitation. |
La solubilité et la spéciation dépendent de la chimie de l’eau
Les sels solubles tels que le bicarbonate de sodium se dissocient en ions dans l’eau. Les expressions « bicarbonate de calcium » et « bicarbonate de magnésium » désignent généralement des associations d’ions métalliques et de bicarbonate en solution aqueuse ; elles ne doivent pas être confondues avec des molécules stables et non dissociées dans une solution diluée. Les minéraux carbonatés tels que la calcite et la sidérite ont une solubilité limitée, et leur formation dépend du pH, de la température, de la pression, de la force ionique et des concentrations des ions concernés.
Lorsque le pH change, l’équilibre entre le CO2 dissous, le bicarbonate et le carbonate se modifie. Le carbonate de calcium ou de magnésium peut précipiter lorsque l’eau devient sursaturée. Dans les saumures concentrées, les activités et les interactions entre ions diffèrent de celles observées dans l’eau pure diluée ; de simples tables de solubilité ne suffisent donc pas à prédire la précipitation ou l’entartrage dans une installation en fonctionnement.
Voies de traitement envisageables
Le procédé approprié dépend de l’objectif : éliminer les ions dissous, maîtriser l’alcalinité ou l’entartrage, réduire le carbone organique, ou récupérer et gérer un concentrat. Les voies ci-dessous sont des exemples à évaluer, et non des recommandations universelles.
| Objectif du traitement de l’eau | Technologies envisageables | Critères de sélection importants |
|---|---|---|
| Réduire la dureté ou maîtriser la précipitation du carbonate de calcium | Adoucissement à la chaux, ajustement du pH et de l’alcalinité, précipitation et séparation des solides | Dureté, alcalinité, pH, température, gestion des boues et concentration résiduelle visée. |
| Réduire les ions carbonate/bicarbonate dissous et la teneur globale en sels dissous | Osmose inverse (RO), nanofiltration (NF) ou électrodialyse (ED/EDR) | La séparation membranaire dépend des espèces présentes, de la composition de l’eau d’alimentation, du prétraitement, du taux de récupération et de la gestion du concentrat. La séparation par nanofiltration (NF) varie selon l’ion et la membrane ; il convient de la tester au regard de l’objectif visé. |
| Gérer le dioxyde de carbone libre dissous | Aération ou dégazage, parfois associés à un ajustement du pH ou à un traitement en aval | Transfert de gaz, alcalinité, pH, température et qualité finale requise de l’eau. |
| Réduire certains composés organiques ou la matière organique biodégradable | Traitement biologique ou adsorption sur charbon actif | Le charbon actif cible les composés organiques adsorbables, et non les ions bicarbonate ou carbonate ; son efficacité dépend des composés ciblés et des autres matières présentes susceptibles d’entrer en compétition. |
| Concentrer ou gérer un résidu contenant des carbonates | Concentration membranaire, précipitation/cristallisation et, lorsque cela se justifie, zéro rejet liquide (ZLD) | Maîtrise de l’entartrage, consommation d’énergie, pureté des sels, gestion des résidus et bilan hydrique global. |
Pour en savoir plus : le carbone dans l’eau, l’alcalinité et l’eau, les carbonates et les bicarbonates dans l’eau d’irrigation, et l’adsorption sur charbon actif.
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