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RÉSUMÉ
Les techniques d'oxydoréduction sont utilisées dans la quasi-totalité des domaines du traitement des eaux (préparation d’eaux de consommation, d’eaux industrielles, ou épuration des effluents). Elles peuvent exercer leurs effets de différentes façons, par voie physico-chimique ou biologique, et avec diverses finalités, notamment la précipitation d’un métal dissous, la solubilisation, l’oxydation ou la transformation de formes minérales dissoutes indésirables, ou encore l’action sur les organoleptiques des eaux potables. Après des rappels théoriques, l’article détaille les principes de base de l’oxydoréduction, présente l’utilisation des diagrammes de stabilité thermodynamique, pour conclure avec le classement des oxydants par leur potentiel normal.
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Oxydoreduction techniques are used in almost all domains of water treatment (preparation of water for consumption, of industrial waters or purification of effluents). They can operate in various ways, physico-chemically or biologically and with various objectives, such as in particular the precipitation of a dissolved metal, solubilization, oxidation, the transformation of undesirable dissolved mineral forms, or even the action on the organoleptics of drinking waters. After having recalled theoretical principles, this article details the basic principles of the oxydoreduction, presents the use of thermodynamic stability diagrams and ends on the classification of oxidants by their normal potential.
Auteur(s)
-
Sylvie BAIG : Ingénieur chimiste ENSIACET - Docteur en sciences des agroressources de l'INP Toulouse - Responsable scientifique innovation à la société Degrémont
-
Pierre MOUCHET : Ingénieur agronome INA Paris-GREF - Ancien directeur à la société Degrémont - Chargé de cours à l'École nationale du génie de l'eau et de l'environnement de Strasbourg (ENGEES)
INTRODUCTION
Les techniques d'oxydoréduction sont utilisées dans la quasi-totalité des domaines du traitement des eaux (, , ), qu'il s'agisse de la préparation d'eaux de consommation (, , , , , , , , , ), d'eaux industrielles (, , ), ou de l'épuration des effluents urbains (, ) ou industriels (, ). Elles s'appliquent toutes les fois que sont impliqués, à titre d'impureté à éliminer ou de réactif de traitement, des éléments capables de changer de valence. Elles peuvent exercer leur effet de différentes façons (en particulier, par voie physico-chimique ou biologique) et avec diverses finalités, comme :
-
la précipitation d'un métal dissous, après son oxydation (par exemple le fer ferreux converti en fer ferrique) (, ) ou sa réduction (comme la déchromatation ) ;
-
la solubilisation (il s'agit par exemple de la conversion de S en SO2 , de U(IV)O2 en
) ;
-
l'oxydation ou la réduction de formes minérales dissoutes indésirables (conversion des nitrites en nitrates ; élimination de l'ion ammonium sous forme de N2 ou de
; élimination des nitrates sous forme de N2 ...) ;
-
l'élimination ou la transformation de composés toxiques (cyanures, Cr(VI) , micropolluants organiques, toxines d'algues...) ;
-
l'action sur les qualités organoleptiques des eaux potables : élimination des goûts et des odeurs désagréables, de la couleur ;
-
les procédés de désodorisation dans les stations de traitement des eaux usées ou les environnements industriels en général ;
-
la lutte contre la corrosion (apport d'oxygène pour favoriser la formation de la couche protectrice de Tillmans dans les conduites en fonte ou en acier véhiculant des eaux naturelles, ou au contraire réduction de l'oxygène dissous dans les eaux de chaudières et dans certains autres circuits d'eaux industrielles) ;
-
la dégradation des matières organiques (apport d'oxygène pour l'élimination de la pollution carbonée par voie biologique ; transformation des matières organiques « réfractaires » en composés biodégradables qui seront éliminés dans la suite du traitement ; élimination de la « DCO dure » dans les effluents industriels par des procédés d'oxydation avancée) ;
-
l'action sur les membranes cellulaires, les enzymes et/ou les acides nucléiques des micro-organismes pathogènes pour les détruire ou les inactiver dans les procédés de désinfection ;
-
l'action analogue pour l'élimination des algues planctoniques (en complément des procédés de clarification) ou pour la prévention des développements organiques (biofilms, micro-invertébrés) dans les réseaux de distribution ou les circuits de refroidissement ;
-
la réduction des oxydants résiduels.
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Couples redox et potentiel d'oxydoréduction1. Oxydation et réduction
1.1 Oxydation
À l'origine, on a appelé « oxydation » la fixation d'oxygène sur un élément ou un composé chimique, et « oxydants » les corps qui peuvent céder de l'oxygène (à commencer par l'oxygène lui-même) et qui, par suite, réagissent sur tous les corps avides d'oxygène ; un exemple simple et classique d'oxydation est l'action de l'oxygène sur l'oxyde ferreux, lequel est converti en oxyde ferrique :
( 1 )
On constate que dans cette réaction, le fer passe du nombre d'oxydation +2 (voir aussi § 1.3) au nombre d'oxydation +3 (on peut aussi écrire qu'il passe du degré d'oxydation II+ au degré d'oxydation III+, ou encore de l'électrovalence positive 2 à l'électrovalence positive 3). Chaque atome de fer a donc perdu un électron.
En solution aqueuse contenant un composé ferreux ionisé, un tel changement de valence s'écrit :
( 2 )
d'où la généralisation de la notion d'oxydation :
On appelle oxydation la perte d'électron(s) par une espèce chimique élémentaire (ion ou atome, libre ou combiné).
Pour que la réaction s'effectue de la gauche vers la droite, il faut dans le milieu la présence d'un autre corps chimique, qui accepte l'électron libéré, par exemple de l'oxygène dissous qui est alors réduit à l'état d'eau :
( 3 )
d'où la définition d'un oxydant :
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Oxydation et réduction
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - A.S.T.E.E. (J.-P. DUGUET, coordonnateur) - Réglementation et traitement des eaux destinées à la consommation humaine. - Chap. IV.2 (Oxydation-désinfection), p. 193 à 231, 1re édition, ASTEE, Paris (2006).
-
(2) - BRISSET (J.-L.), ADDOU (A.), DRAOUI (M.), MOUSSA (D.), ABDELMALEK (F.) - Chimie analytique en solution. Principes et applications. - Éditions Tec & Doc – Lavoisier, 656 p., Paris (2005).
-
(3) - CHARLOT (G.) - Les réactions chimiques en solution. - Masson, Paris (1969).
-
(4) - CHARLOT (G.), BADOZ-LAMBLING (J.), TRÉMILLON (B.) - Les réactions électrochimiques. - Masson, Paris (1959).
-
(5) - * - CRC Handbook of Chemistry and Physics – 84th edition. – Boca Raton : CRC press (2002).
-
(6) - DEGRÉMONT - Mémento Technique de l'Eau. - ...
ANNEXES
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