Équilibre calco-carbonique

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L'équilibre calco-carbonique[1] d'une eau est un état d'équilibre chimique dans lequel les concentrations en dioxyde de carbone, hydrogénocarbonate (anciennement désigné par bicarbonate ou carbonate acide), et carbonate ne varient pas en présence de carbonate de calcium[2].

Cet équilibre est un cas particulier des notions générales d'équilibre chimique.

Lorsque l'on soumet des eaux à un traitement complet avant leur distribution, il n'est pas rare que le pH de sortie soit inférieur à 6,5. La nécessité de limiter la corrosion des conduites de distribution en acier, amène le producteur à ajuster (par valeur supérieure) le pH à une valeur proche du pH d'équilibre, dit aussi pH de saturation (pHs) qui fait référence à l'équilibre du carbonate de calcium. Dans le même temps il est important de maintenir une eau qui ne soit ni trop douce, ni trop dure.

Généralités[3][modifier | modifier le code]

L'équilibre calco-carbonique fait intervenir le dioxyde de carbone () qui est d'origine atmosphérique, rhizosphérique et parfois volcanique. Le apporté à l'eau l'acidifie : une eau pure à l'abri du CO2 a un pH de 7[4] à 25 °C mais dès qu'elle est mise en contact avec le dioxyde de carbone, le pH descend à 5,7 pour une concentration de 1 mg l−1, et à 5,1 pour une concentration de 8 mg l−1.

Cette eau lors de son infiltration et de sa percolation dans les substrats géologiques sédimentaires, peut, du fait de son pH acide, solubiliser les sels minéraux constitutifs de ces couches.

Une eau en contact avec un excès de carbonate de calcium le dissolvera jusqu'à atteindre un état d'équilibre chimique dit équilibre calco-carbonique. Si l'eau n'entre pas en contact avec une couche sédimentaire riche en calcium, elle sera naturellement douce : les eaux de Bretagne, du Massif Central,...

L'étude de cet équilibre permet de prévoir la tendance d'une eau soumise à des modifications de paramètres chimiques (adoucissement à la chaux, adoucissement à la soude, adoucissement sur résines échangeuses, correction du TAC et reminéralisation,...) ou thermique.

Ainsi à partir d'une analyse de l'eau peut-on déterminer si l'eau aura une tendance entartrante : c'est-à-dire qu'un dépôt peut se former, ou au contraire agressive vis-à-vis du carbonate de calcium : c'est-à-dire qu'elle peut dissoudre un dépôt existant.

Cette dernière tendance peut être mise en évidence par un essai dit au marbre : l'eau est laissée 24 h en contact avec du marbre finement divisé. L'évolution du TAC de l'eau donne la capacité d'agressivité de l'eau (exprimée par le CO2 agressif : voir plus bas).

Une eau peut être entartrante et corrosive ou non corrosive : le caractère entartrant ou agressif de l'eau est fonction de l'eau et de la température ; le caractère corrosif de l'eau est de plus fonction du matériau (acier, cuivre,…) La corrosivité d'une eau caractérise son aptitude à attaquer les métaux. L'agressivité est son aptitude à dissoudre du carbonate de calcium.

Cette étude nécessite la connaissance des différents constituants fondamentaux de l'eau (vis-à-vis de l'équilibre calco-carbonique) et des réactions qui ont lieu entre eux.

Remarque : seul le carbonate de calcium est cité car pour les eaux naturelles dites de surface : les eaux chaudes géothermique font apparaître d'autres problèmes.

Paramètres de l'équilibre[modifier | modifier le code]

Cet équilibre fait intervenir le dioxyde de carbone, les ions hydrogéno-carbonates et les ions carbonates ; ions qui proviennent de l'association naturelle de l'eau et du gaz carbonique ainsi que les ions calcium et ceux qui proviennent de l'autoprotolyse de l'eau : hydroxyle et hydronium.

Soit les éléments appelés éléments fondamentaux :

Espèces chimiques fondamentales
Cations Anions
Hydronium Hydroxyle
Calcium Carbonate
Hydrogéno-carbonate

On suppose de plus que l'eau est toujours au contact de carbonate de calcium : on va en effet étudier l'état d'équilibre.L'eau contient aussi du .

Espèces chimiques caractéristiques
Cations Anions
Magnésium Sulfates
Sodium Chlorures
Potassium Nitrates

Mécanismes[modifier | modifier le code]

Le se dissous et réagit avec l'eau. On obtient alors l'ion hydrogénocarbonate et l'ion carbonate suivant les schémas réactionnels :

Et

 

Par ailleurs le carbonate de calcium est en équilibre avec ses ions :

Logiciels de calcul des équilibres calco-carboniques[modifier | modifier le code]

LPLWIN[5], calcul par la méthode Legrand-Poirier

EQUILWIN[6], calcul par la méthode Hallopeau-Dubin

Références[modifier | modifier le code]

  1. Sigg, Laura. et Behra, Philippe., Chimie des milieux aquatiques : chimie des eaux naturelles et des interfaces dans l'environnement, Masson, (ISBN 2225839050, OCLC 26814372, lire en ligne)
  2. http://www.ascomade.org/upload/ouvrage/1381746127.pdf
  3. « L'équilibre calco-carbonique », sur Memento Degrémont (consulté le 14 avril 2018)
  4. La constante d'équilibre de l'eau à 25 °C est proche de . Une eau pure ne contient que  ; l'électro-neutralité de la solution impose que leurs activités soient identiques. On a alors et pH = 7.
  5. « LPLWin logiciel calcocarbonique V5 CD réf 38500M - CIFEC », sur CIFEC (consulté le 19 juillet 2018)
  6. « Equilwin », sur pravarini.free.fr (consulté le 19 juillet 2018)