Dessalement de l'eau de mer

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : L'eau
Type : Sujet complet | Année : 2016 | Académie : Polynésie française


Polynésie française • Juin 2016

Exercice 3 • 5 points • 50 min

Dessalement de l’eau de mer

Les thèmes clés

Eau et environnement

 

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© Thiess Degrémont

En Europe, des usines de dessalement sont présentes sur les côtes de la mer Méditerranée où l’eau douce est rare, par exemple à Barcelone en Espagne.

On s’intéresse, dans cet exercice, à l’impact environnemental des saumures rejetées dans la mer par ces usines.

On appelle saumure la solution concentrée en composés ioniques obtenue à la fin du processus de dessalement, majoritairement du chlorure de sodium. Les courants marins de la mer Méditerranée sont en général faibles et ne permettent pas une dilution immédiate des saumures rejetées, ce qui peut perturber les écosystèmes marins.

document 1 La posidonie de Méditerranée

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Ph© Arnaud Abadie/
Naturagency

Posidonie en baie de Calvi, Corse

La posidonie de Méditerranée (Posidonia oceanica) est une plante aquatique qui forme de vastes herbiers entre la surface de l’eau et une profondeur de l’ordre de 40 m. Ces herbiers constituent l’écosystème majeur de Méditerranée et jouent un rôle important dans la protection des côtes contre l’érosion. De nombreux organismes, animaux et végétaux, trouvent protection et alimentation dans ces herbiers.

En Espagne, des études ont montré que la plante à fleurs aquatique Posidonia oceanica est très sensible aux variations du taux de salinité de ses habitats naturels. Des effets notables sur sa vitalité ont été observés dès que la salinité atteint 37,4 g de sel par kilogramme d’eau de mer.

D’après les sites http://fr.wikipedia.org et http://www.larecherche.fr

document 2 L’osmose inverse

Dans la nature, l’osmose est un phénomène naturel, essentiel aux équilibres biologiques, qui consiste en la migration de l’eau vers les solutions les plus concentrées. Cet écoulement s’arrête naturellement lorsque le système a atteint l’équilibre.

L’osmose inverse est une technologie de séparation utilisée dans le procédé industriel de dessalement de l’eau de mer. Lorsqu’on applique une pression suffisante sur la solution la plus concentrée, le flux d’eau est alors dirigé en sens inverse, c’est-à-dire de la solution la plus concentrée vers la solution la moins concentrée.

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Schéma de principe de l’osmose inverse

D’après le site www.polymem.fr

Données

Masses molaires atomiques : M(Cl) = 35,5 g · mol–1 ;

M(Na) = 23,0 g · mol–1.

Valeur moyenne de la masse volumique de l’eau de la mer Méditerranée : ρ = 1 027 kg · m–3.

1 On appelle salinité la masse totale de sels dissous dans un kilogramme d’eau de mer. Pour simplifier, on considérera qu’il s’agit uniquement de chlorure de sodium. L’eau de mer de la Méditerranée a une salinité naturelle moyenne de 35,6 g · kg–1.

Déterminer, parmi les valeurs suivantes, celle qui est égale à la concentration molaire moyenne en ions chlorure dans l’eau de mer : (1 point)

0,609 mol · L–1 ; 0,687 mol · L–1 ;

0,625 mol · L–1 ; 0,592 mol · L–1.

2 Expliquer en quoi la technique de dessalement de l’eau de mer par osmose inverse est génératrice de saumures. (0,5 point)

3 On envisage de mélanger 1,0 L d’une saumure obtenue en fin de processus de dessalement avec 200 L d’eau de mer avant de rejeter le mélange obtenu en Méditerranée. Cette saumure est analysée par conductimétrie, comme explicité dans le document 3.

Ce rejet présente-t-il un danger pour les écosystèmes marins ?

document 3 Dosage des ions chlorure présents dans la saumure en fin de processus de dessalement

Équation de la réaction support du dosage :

CI(aq) + Ag+(aq) AgCl(s)

Protocole opératoire

Diluer 500 fois la saumure pour obtenir une solution S.

Introduire un volume V1 = 10,00 mL de la solution S dans un bécher.

Mettre en place une sonde de conductimétrie dans le bécher en ajoutant de l’eau distillée de manière à immerger la sonde.

Remplir une burette graduée avec une solution de nitrate d’argent de concentration molaire C2 en ions Ag+ égale à 2,00 × 10–3 mol · L–1.

Verser progressivement la solution de nitrate d’argent dans le bécher et relever les valeurs de la conductivité du milieu réactionnel après chaque ajout.

Évolution de la conductivité σ du milieu réactionnel en fonction du volume V2 de la solution de nitrate d’argent ajoutée, dans le cas de la saumure obtenue à la fin du processus de dessalement (graphique).

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Le candidat est évalué sur sa capacité à analyser les documents, à mettre en œuvre une démarche de résolution et à présenter ses résultats de manière adaptée. Toutes les prises d’initiative et toutes les tentatives de résolution, même partielles, seront valorisées.

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Le document 1 parle des herbiers de posidonies, écosystème majeur de Méditerranée, sensible aux variations de salinité de l’eau de mer.

Le document 2 vous présente le principe de l’osmose inverse.

Le document 3 propose un protocole de dosage des ions chlorure. La première ligne de ce protocole est très importante : « Diluer 500 fois la saumure pour obtenir une solution S. » C’est cette solution S qui sera titrée ensuite. Vous devez donc penser après vos calculs du titrage à multiplier la concentration trouvée car la solution titrée est 500 fois moins concentrée que celle dont on souhaite connaître la concentration (la saumure initiale).

En ce qui concerne la courbe du dosage, il s’agit d’un titrage avec suivi conductimétrique.

Répondre aux questions préliminaires

1 L’énoncé indique la masse de NaCl contenue par litre d’eau de mer. Déduisez-en la quantité de NaCl puis celle des ions chlorure Cl. Enfin, attention à utiliser la masse volumique de l’eau salée : 1 litre d’eau de mer ne « pèse » pas 1 kg !

Construire le raisonnement

3 Le problème posé revient à déterminer la salinité de l’eau rejetée en mer après traitement. Pour cela, suivez les étapes suivantes.

Déterminez le volume équivalent du titrage.

À partir de ce volume équivalent, calculez la concentration molaire de la solution titrée.

Déduisez de cette concentration la concentration de la saumure initiale (attention à la dilution indiquée dans le protocole). Calculez ensuite la concentration massique de cette saumure.

Les eaux rejetées dans la mer, sont constituées par 1 L de saumure et 200 L d’eau de mer : calculez la masse de sel apportée par ces deux parties. Additionnez les deux masses pour trouver la masse totale rejetée.

Calculez alors la concentration du rejet et comparez-la à la norme environnementale.

Corrigé

Corrigé

1 Calculer une concentration molaire

L’énoncé de cette question nous indique que la salinité moyenne de l’eau de mer est 35,6 g · kg–1 et que l’on considérera qu’elle est uniquement due au chlorure de sodium. L’eau de mer contient donc 35,6 g de chlorure de sodium par kilogramme d’eau de mer, ce qui correspond à un nombre de moles :

n(NaCl) = m(NaCl)M(NaCl) = 35,623+35,5= 0,61 mol par kg d’eau de mer

Étant donné que le nombre de moles de chlorure de sodium est le même que celui des ions chlorure, on a :

n(Cl) = n(NaCl) = 0,61 mol par kilogramme d’eau de mer

Il nous reste alors à calculer la concentration molaire en ions chlorure de cette eau de mer : [Cl] = n(Cl)Veau

Attention !

La masse volumique moyenne de l’eau de mer en Méditerranée vous est donnée, ce n’est pas de l’eau pure (seul cas où 1 L pèse 1 kg).

Calculons Veau, le volume d’eau :

Veau = meauρeau de mer

Veau=11,027=0,973 7 L

On trouve donc :

[Cl]=n(Cl)Veau soit [Cl] = 0,610,9737= 0,625 mol · L–1

2 Comprendre le principe de l’osmose inverse

La définition de la technique de l’osmose inverse, complétée par un schéma, montre que, si l’on applique une tension suffisante au compartiment contenant la solution concentrée, alors l’eau de ce compartiment passe de l’autre côté de la membrane. Par conséquent, la solution la plus concentrée perd de l’eau, sans perdre d’ions, donc elle devient plus concentrée. Si la pression est maintenue, la solution est donc de plus en plus concentrée, d’où l’obtention possible d’une saumure.

3 La question posée revient à déterminer la salinité de l’eau rejetée en mer après traitement.

Déterminer un volume équivalent

Gagnez des points

Pour trouver le volume équivalent, regardez l’évolution de la courbe de conductivité (document 3) lors du dosage des ions chlorures.

Considérons tout d’abord l’échantillon analysé par titrage. Nous pouvons lire sur le graphique du document 3 la valeur de VE correspondant à l’abscisse du minimum :

VE = 11,5 mL

Calculer la concentration molaire de la solution titrée

Or l’équation de la réaction de titrage est : Cl(aq) + Ag+(aq) AgCl(s)

Par définition, à l’équivalence, les réactifs sont dans les proportions stœchiométriques donc on peut écrire : ni(Cl) = neq(Ag+).

D’où Cs = C2VEV1 soit Cs = 2×103×11,510 = 2,3 × 10–3 mol · L–1

Calculer la concentration massique de la saumure initiale

La concentration Cs que nous venons de calculer est celle de la solution titrée. Cependant, d’après le protocole de préparation, cette dernière a été diluée par 500. Donc la saumure initiale a une concentration 500 fois plus importante :

Csaumure = 500Cs = 1,15 mol · L–1

D’où la concentration massique de la saumure est :

Cm = Csaumure × M(NaCl) donc Cm = 1,15 × 58,5 = 67,3 g/L

Calculer la masse totale de sel rejetée

Avant le rejet en mer, cette saumure est mélangée avec de l’eau de mer : 1 litre de saumure pour 200 litres d’eau de mer. Donc, pour déterminer la concentration de l’eau rejetée en mer, il faut tenir compte du sel provenant de la saumure et de celui provenant de l’eau de mer.

Nous avons calculé plus haut la concentration molaire en ions chlorure, et donc en sel, de l’eau de mer (question préliminaire) donc la masse de sel provenant de 200 L d’eau de mer est :

msel mer = [Cl] × V × M(NaCl) = 0,625 × 200 × 58,5 = 7 312 g

La totalité du sel rejeté est donc :

msel rejeté = msel saumure + msel mer

msel rejeté = 67,3 + 7 312

msel rejeté = 7,38 × 103 g = 7,38 kg

Calculer la salinité du mélange rejeté

La masse rejetée correspondant à 201 litres d’eau salée est égale à :

mrejet = ρ × Vrejet = 1,027 × 201 = 206 kg

La salinité des eaux rejetées est donc :

Smélange = msel rejetémrejet=7,38×103206 = 35,75 g/kg

Conclure

Cette valeur est inférieure à la limite de 37,4 g/kg, donc ces rejets ne posent pas de problème sur la vitalité des posidonies de Méditerranée.

Évaluez-vous !

Après avoir comparé vos réponses au corrigé, vérifiez que vous remplissez les principaux critères de réussite.

J’ai calculé la concentration molaire en ion chlorure de la solution diluée (solution titrée).

J’ai calculé la concentration massique en sel de la saumure initiale.

J’ai déterminé la masse de sel rejeté pour un litre de saumure dans 200 L d’eau de mer.

J’ai calculé la concentration massique du rejet et l’ai comparée à la norme environnementale.