Précipitation des sels

Elimination du calcium et du magnésium

Décarbonatation à la chaux

La décarbonatation à la chaux est le procédé de précipitation le plus largement utilisé. Son but est d'éliminer la dureté bicarbonatée (ou temporaire) liée au calcium et au magnésium, c'est-à-dire la présence dans l'eau d'hydrogénocarbonates et carbonates de Ca et de Mg, en ajoutant de la chaux hydratée à l'eau qui précipite CaCO3, Mg(OH)2 ou les deux à la fois. Les réactions chimiques de base sont les suivantes :

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 ==> 2 CaCO3 + 2 H2O

Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 ==> MgCO3 + CaCO3 + 2 H2O

Or, le carbonate de magnésium est relativement soluble (de l'ordre de 70 mg/l). Un excès de chaux conduira donc à la réaction :

Ca(OH)2 + MgCO3 ==> CaCO3 + Mg(OH)2

La réaction de la chaux sur une eau brute est très lente en l'absence de germes de cristallisation (de l'ordre de plusieurs heures). En revanche, dès que l'eau et la chaux sont mises en contact avec une masse suffisante de cristaux de CaCO3 déjà précipités (germes de précipitation), la réaction atteint son point d'équilibre en quelques minutes. En effet, du fait que la précipitation s'effectue sur les cristaux, ceux-ci ont tendance à augmenter de masse et les vitesses de sédimentation sont alors accrues.

Pourtant, ceci n'est valable que si les surfaces des cristaux de CaCO3 restent suffisamment propres. Aussi, la présence de colloïdes organiques étant susceptible de gêner la cristallisation, est-il fréquent d'ajouter aux eaux brutes à décarbonater des réactifs coagulants pour coprécipiter les colloïdes.

On peut enfin noter que les vitesses de décantation de CaCO3 et de Mg(OH)2 sont très différentes. Lorsque CaCO3 est seul, il a tendance à former des agglomérats de cristaux denses décantant à forte vitesse, alors que la magnésie, si elle est seule, se présente sous forme de flocons légers. Quand on a les deux précipités, avec Mg(OH)2 en proportion notable, ce dernier assure un effet coagulant, mais la vitesse de décantation admissible reste beaucoup plus faible qu'avec le seul CaCO3.

Emploi du carbonate de sodium

Le but ici est d'éliminer la dureté non carbonatée ou permanente, c'est-à-dire la présence de Ca et Mg correspondant à des anions forts. Pour ce faire, on utilise du carbonate de sodium (Na2CO3) à froid. Cette élimination peut être associée avec la précipitation des bicarbonates de calcium et de magnésium par la chaux (décarbonatation à la chaux). Elle se fait suivant les réactions :

CaSO4 + Na2CO3 ==> Na2SO4 + CaCO3

CaCl2 + Na2CO3 ==> 2 NaCl + CaCO3

Précipitation par la soude caustique

Ce traitement permet d'éliminer les deux types de dureté (temporaire et permanente). La première réaction (réaction de base) consiste en un ajout de soude pour réagir avec les hydrogénocarbonates de calcium :

Ca(HCO3)2 + 2 NaOH ==> CaCO3 + Na2CO3 + 2 H2O

La précipitation du carbonate de calcium s'accompagne de la formation de carbonate de sodium qui réagira sur la dureté permanente suivant les réactions du paragraphe précédent.

Elimination des sulfates

La précipitation des sulfates peut être imposée avant rejet en égout car ils altèrent le béton. Ils doivent aussi être souvent éliminés de saumures ou d'eaux avant distillation.

Le procédé le plus fréquent et qui concerne de fortes teneurs en SO42- consiste en la précipitation du gypse CaSO4, 2 H2O, à froid, par l'addition de Ca2+ sous forme de chaux (pour les eaux acides) ou de CaCl2 (pour les saumures) :

SO42- + Ca2+ +2 H2O ==> CaSO4, 2 H2O

Cette précipitation sous forme de cristaux hétérogènes est très lente. Pour éviter les sursaturations et les post-précipitations dangereuses, la réaction doit s'effectuer en présence d'une très forte concentration en germes.

Les concentrations en SO42- obtenues dépendent de la salinité, de l'activité du milieu et de l'apport de Ca2+ (limité dans le cas de la chaux par l'acidité à neutraliser). On obtient par exemple les teneurs résiduelles en SO42- :

Elimination des fluorures

Leur élimination par précipitation concerne des effluents acides de lavage de gaz d'incinération, de métallurgie de l'aluminium ou de l'industrie de l'acide phosphorique et du verre. On utilise la chaux comme agent de neutralisation et quelquefois du CaCl2 pour compléter si l'on obtient de faibles valeurs résiduelles de F-. La réaction chimique est la suivante :

2 F- + Ca2+ ==> CaF2

Le précipité CaF2 présente des cinétiques intermédiaires entre celles de CaCO3 et du gypse. Le dimensionnement des appareils est assez proche de celui des appareils de décarbonatation, mais le temps de réaction est plus long.

La solubilité de CaF2 dépend du pH pour une salinité donnée.

Elimination des phosphates

Les phosphates présents dans les eaux proviennent des effluents d'usine d'engrais phosphatés (sous forme d'acide phosphorique), des eaux usées domestiques, des purges de chaudières, des circuits de refroidissement (sous forme de polyphosphates).

Il existe deux modes de précipitation :

2 H3PO4 + Ca(OH)2 ==> Ca(PO4H)2 +2 H2O à pH = 6 à 7

2 Ca(PO4H)2 + Ca(OH)2 ==> Ca3(PO4)2 + 2 H2O à pH = 9 à 12

précipitation par Al3+ ou Fe3+ pour des eaux acides. AlPO4 et FePO4 sont des sels très peu solubles mais qui précipitent à l'état colloïdal. Le précipité est éliminé par adsorption sur un excès d'hydroxyde métallique.