C05.Chlore eau de piscine

TP C05. « Chlore » dans une eau de piscine
L'organisation pratique pour la réalisation de ce TP est conséquente ;
l'enseignant peut préférer proposer ce document en activité d'analyse de
protocole. Objectifs > Déterminer la quantité minimale d'élément chlore à introduire dans un
échantillon d'eau pour que celui-ci se trouve sous forme de chlore libre. Comprendre ainsi le principe du traitement par chloration d'une eau de
piscine en connaissance des normes pour assurer une désinfection efficace :
pour une eau de piscine, le traitement se caractérise par l'absence de
chloramines et une teneur en chlore libre contrôlée entre 1 et 2 mg.L-1.
Par souci de simplification pour la lecture de ce document, le terme
« chlore » désigne l'élément chlore ; le terme « azote » désigne l'élément
azote. Présentation de la démarche L'élément chlore[1] est largement utilisé dans le traitement des eaux de
consommation et des eaux de piscine car c'est un produit bon marché,
aisément disponible et facile à manipuler, sous forme d'ions hypochlorite,
ClO-. Grâce à son pouvoir oxydant, utilisé en quantité convenable, il
détruit les microorganismes, permet d'éliminer de nombreux polluants et
empêche l'eutrophisation ; il assure ainsi une stérilisation efficace. Les différentes formes de l'élément chlore en solution aqueuse En solution aqueuse, le chlore peut exister sous différentes formes :
- dichlore[2], Cl2(aq) ;
- acide hypochloreux, ClOH(aq) ;
- ions hypochlorite, ClO-(aq) ;
- chloramines : monochloramine, NH2Cl, dichloramine, NHCl2,
trichloramine, NCl3 (formées par réaction entre l'acide hypochloreux
et l'ammoniac). Les chloramines présentent un pouvoir oxydant et
bactéricide très inférieur à celui du chlore libre. De plus, les
chloramines sont lacrymogènes. La législation française sur l'eau distingue :
- le chlore libre : chlore sous forme d'acide hypochloreux et d'ions
hypochlorite,
- le chlore combiné : chlore sous forme de chloramines,
- le chlore total : somme du chlore libre et du chlore combiné.
La connaissance des différentes formes du chlore est importante pour le
traitement si l'on veut tenir compte des pouvoirs oxydant, bactéricide et
lacrymogène. Méthode à la DPD pour le dosage du chlore La méthode colorimétrique proposée est dite « méthode à la DPD » (N,N-
diéthylphénylène-1,4-diamine) [pic] La DPD réagit avec le chlore libre pour former un composé rose dont
l'intensité de la coloration est proportionnelle à la teneur en chlore
libre. S'il n'y a aucune coloration avec la DPD, l'addition d'ions iodure permet
de caractériser le chlore combiné ; les monochloramines et dichloramines
réagissent à leur tour et donnent la coloration rose.
Cette technique est peu sensible à la présence d'autres espèces et permet
donc de déterminer la teneur en chlore libre et en chlore combiné pour une
eau donnée. Démarche Lors du traitement d'une eau de piscine la réglementation impose la
présence en permanence de chlore libre en quantité contrôlée (1 à 2 mg.L-
1). Il est proposé une démarche, utilisant la méthode à la DPD et la
spectrophotométrie en vue de déterminer la teneur en chlore introduit
permettant d'assurer une désinfection conforme aux normes.
Pratiquement, on prépare des échantillons d'eau pour lesquels la teneur en
azote est constante et la teneur en chlore variable. L'élément azote,
présent ici uniquement sous forme ammoniac, représente les matières
organiques apportées par les baigneurs ; la désinfection a pour objectif de
détruire ces matières organiques.
En utilisant la méthode à la DPD, on se propose de déterminer
qualitativement (par l'observation de la coloration des solutions) sous
quelle forme le chlore se trouve (chlore libre ou chlore combiné) dans ces
différents échantillons.
L'analyse des observations, complétée par une mesure d'absorbance pour deux
échantillons judicieusement choisis, permettent de déterminer
quantitativement la concentration minimum en chlore introduit à partir de
laquelle les matières organiques sont pratiquement détruites et où le
chlore « résiduel[3] » se trouve sous forme de chlore libre dans
l'échantillon d'eau (ce point est appelé point de rupture). En connaissance
de cette valeur, il est alors possible de déterminer la quantité de chlore
à introduire pour assurer une désinfection efficace en tenant compte des
normes imposées. Prolongements possible La manipulation s'arrête à ce stade ; il est recommandé de la prolonger
soit par un exercice soit par le titrage de l'eau de Javel (TP C06) qui
propose une application pratique. Il est également possible de commencer
par le titrage de l'eau de Javel, ayant servi à préparer les échantillons
d'eau. Il peut être intéressant aussi de donner aux élèves une fiche de contrôle
de la qualité d'une eau de piscine et de la leur faire étudier. Protocole
Matériel et produits Burette de 25 mL
Éprouvettes graduées de 10 mL
12 tubes à essai
Spectrophotomètre et cuves (1 appareil pour le groupe) Iodure de potassium
Solution de DPD de concentration massique 1,1 g.L-1, tamponnée à pH = 6,5 à
utiliser dès sa préparation
Échantillons d'eau numérotés de 1 à 12 contenant 0,5 mg.L-1 d'élément azote
apporté sous forme de chlorure d'ammonium, NH4Cl, et des quantités
croissantes de chlore, de 0 à 12 mg.L-1 apporté sous forme d'eau de Javel : Échantillon |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |9 |10 |11 |12 | |azote (mg.L-1) |0,5
|0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 |0,5 | |chlore (mg.L-1)
|0 |1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |8 |9 |10 |12 | |
Solution étalon de concentration massique en chlore : 2 mg.L-1. L'eau utilisée pour fabriquer les solutions ne doit pas contenir d'acide
hypochloreux.
La préparation des solutions est indiquée en fin de document. Mode opératoire 1. Suivi colorimétrique qualitatif de l'évolution de la quantité de chlore
combiné et de chlore libre en fonction de la quantité de chlore introduit
Dans chacun des tubes numérotés de 1 à 12 :
- introduire 1 mL de solution de DPD (tamponnée à pH = 6,5) dès sa
préparation à l'aide d'une burette ;
- puis dans l'ordre, du tube n°1 au tube n°12, ajouter 10 mL de chacun des
échantillons d'eau (échantillons 1 à 12) à l'aide d'une éprouvette de 10
mL. Agiter.
Si une coloration rose apparaît, il y a présence de chlore libre ; noter
les numéros des tubes où cette coloration apparaît.
Dans les tubes où aucune coloration rose n'apparaît, ajouter, à l'aide
d'une spatule, quelques cristaux d'iodure de potassium et agiter :
- si aucune coloration rose n'apparaît, il y a absence de chlore qu'il soit
libre ou combiné ;
- si une coloration rose apparaît, il y a présence de chlore combiné (sous
forme de chloramines) ; noter les numéros des tubes où cette coloration
apparaît. Ranger les tubes dans l'ordre croissant de la quantité de chlore ajoutée
(et donc de la numérotation des tubes) et vérifier qualitativement
que l'intensité de la coloration augmente, passe par un maximum, diminue,
passe par un minimum, puis augmente à nouveau. Question Interpréter ces observations à l'aide des informations données dans
l'explicitation de la méthode au DPD et de l'objectif recherché dans le
traitement (destruction des matières organiques apportées par les
baigneurs). Éléments de réponse Tube n°1 : Quand il n'y pas de chlore présent dans l'échantillon d'eau la
solution reste incolore après ajout du réactif DPD et des ions iodure
résultant de la dissolution des cristaux d'iodure de potassium.
Tubes n°2 à 7 : L'intensité de la coloration augmente et passe par un
maximum, correspondant à un maximum de chlore combiné sous forme de
chloramines. Après être passé par un maximum, l'intensité de la coloration
diminue, ce qui correspond à la destruction des chloramines formées (sous
forme de diazote ou d'ions nitrate selon le rapport massique
chlore/azote.). Au minimum (au voisinage d'un point appelé point de
rupture), il n'y a plus de chlore combiné dans l'échantillon d'eau (les
chloramines précédemment formées sont détruites) et la teneur en chlore
libre est alors minimum.
Tubes n°8 à 12 : L'intensité de la coloration croit à nouveau. La teneur en
chlore libre augmente de façon linéaire avec la quantité de chlore
introduit. La courbe correspondante est donnée dans « commentaires et
compléments »[4]. 2. Détermination du point de rupture par spectrophotométrie
- Mesurer l'absorbance de la solution étalon à ( = 510 nm. Compte-tenu du
peu de stabilité de la solution étalon (voir préparation des solutions),
l'étalonnage est réalisée une seule fois pour le groupe dès la
préparation de la solution.
- Mesurer à ( = 510 nm[5], dès que les solutions sont prêtes[6],
l'absorbance des solutions contenues dans les tubes où le chlore en
solution est sous forme libre. A l'aide de la « courbe d'étalonnage »,
déduire la concentration massique de chlore libre contenu dans ces
échantillons d'eau (exprimée en mg.L-1).
- Tracer la droite donnant la concentration massique de chlore en solution
(sous forme de chlore libre) en fonction de la concentration massique de
chlore introduit, les concentrations étant exprimées en mg.L-1.
- L'intersection de cette droite, avec l'axe des abscisses donne la valeur
de la concentration massique minimum en chlore introduit à partir de
laquelle les matières organiques sont pratiquement détruites et où le
chlore « résiduel » se trouve sous forme de chlore libre dans
l'échantillon d'eau (ce poi