Années 9-12 (Science, chimie et biologie)
Temps: 60 minutes
Espace requis: Salle de classe
Méthodologie: Apprentissage indépendant, Discussion en groupes et/ou Discussion en classe
Il n’y a aucuns matériaux extra requis.
Objectifs: Les étudiants vont apprendre à propos les sources d’ammoniaque en eau souterraine, les conséquences de hautes concentrations d’ammoniaque en approvisionnements en eau, et la manière dont ces problèmes sont généralement traités. Les étudiants vont apprendre à propos de la filtration biologique qui est une manière dans laquelle bactéries peuvent être utilisées pour enlever ammoniaque d’eau. Les étudiants vont apprendre à propos de la réaction chimique entre chlore et ammoniaque qui résulte dans la création de chloramine et vont apprendre à propos de chloramine. Les étudiants vont être capables de démontrer les calculs qui incluent les concentrations, volumes et facteurs de dilution.
Directions/procédure:
Distribuez les copies imprimées du Document à distribuer pour leçon trois à la classe.
Lisez l’information dans le Document à distribuer avec la classe.
Il y en a plusieurs manières dans lesquelles les questions sur la deuxième page du document peuvent être approchées. Vous pouvez demander que chaque étudiant travaille sur les questions individuellement, les permettez de travailler en groupes ou vous pouvez le faire comme une classe entière et vous pouvez noter leurs réponses sur le tableau.
La nature de ces questions exige que les étudiants comprennent chaque question et obtiennent la réponse correcte avant qu’ils sont capables de répondre à la prochaine question alors les étudiants ont peut être besoin de quelques conseils quand ils travaillent. Vous pouvez fournir information additionnelle ou conseils des réponses dans la section « Pour l’enseignant » dessous mais donnez-les beaucoup de temps pour essayer de découvrir les réponses avant de les donner les réponses.
Évaluation: Les étudiants peuvent être évalués basé sur leur participation en travaillant sur les calculs s’ils étaient faits en classe. Si les étudiants travaillent sur les calculs dans leurs groupes ou individuellement ils peuvent être évalués sur le travail qu’ils soumettent. Les étudiants devraient démontrer l’utilisation propre d’unités et une compréhension de comment les mesures de concentration fonctionnent.
Pour l’enseignant: Clé de réponse pour les questions sur la Document à distribuer pour leçon 3
Les concentrations de chloramine peuvent être trouvées en soustraire la concentration du chlore libre de la concentration du chlore total.
Concentration de la chloramine du premier bécher est 10mg/L – 10mg/L = 0mg/L
Concentration de la chloramine du deuxième bécher est 0mg/L – 0mg/L = 0mg/L
Dans l’exemple du sel et sucre : la masse du sel dans le premier bécher est 0,1L * 20mg/L = 2 mg et la masse du sucre dans le deuxième bécher est 0,1L * 4mg/L = 0,4mg. Quand ils sont mélangés, la solution finale va contenir le même 2mg du sel et 0,4mg du sucre mais le volume augmentera à 200mL. Si les concentrations finales du sel et sucre sont calculées les résultats sont 10mg/L sel et 2mg/L sucre. Les étudiants devraient réalisés qu’en doublant le volume les concentrations sont diluées à 50% même quand aucune réaction chimique s’effectue. Ceci indique que quand les échantillons de chlore et d’ammoniaque sont mélangés les concentrations vont réduire à 10mg/L chlore libre et 2mg/L ammoniaque à cause de la dilution avant que la réaction chimique commence.
Le 10mg/L chlore libre disponible va être tout utilisé pour réagir avec 1mg/L de l’ammoniaque. Ceci va laisser 1mg/L ammoniaque et 0mg/L chlore libre qui reste.
Le 10mg/L chlore libre utilisé dans la réaction va transformer en 10mg/L chloramine. Parce que la concentration finale du chlore libre est 0mg/L, la concentration finale du chlore total est 10mg/L + 0mg/L = 10mg/L.
Liens associés:
Le cycle de l'azote http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1336.aspx
Système de traitement IBROM http://www.safewater.org/ibrom.html
Désinfectants: sous-produits https://www.lenntech.fr/desinfection/desinfectants-sous-produits.htm
Ammoniaque et Chloramine, Première Partie
Un des produits chimiques les plus importants au processus du traitement d’eau est ammoniac. La formule chimique pour ammoniac est NH3. Ammoniac est quelque chose que plusieurs facilités de traitement d’eau doivent contrôler d’une manière ou d’une autre. Il est commun pour les sources d’eau souterraine et de la surface de contenir ammoniaque parce qu’ammoniaque peut venir d’autant de sources. Ammoniaque peut être ajoutée à sol par bactéries fixatrices d'azote comme partie du cycle d’azote, décomposition des plantes et animaux ou processus d’agriculture et d’industries. Ammoniaque est très soluble alors il est dissolu et transporté par l’eau souterraine qui l’entoure.(Plus d’information au sujet du cycle d’azote peut être trouvée à http://www.alloprof.qc.ca/BV/pages/s1336.aspx)
Dans les régions où il y a d’ammoniaque dans l’eau brute il est une source très problématique de demande en chlore. Pour chaque milligramme d’ammoniac dans l’eau il prend 10-15 mg de chlore pour réagir avec l’ammoniac et de l’éliminer. La réaction entre ammoniaque et chlore est beaucoup plus vite que la vitesse à laquelle le chlore tue bactéries alors vous ne pouvez pas utiliser chlore pour désinfecter eau qui contient ammoniaque. Malheureusement la méthode la plus largement utilisée d’enlever ammoniaque est d’ajouter chlore. Dans un processus appelé « chloration au point critique » chlore est ajouté continuellement à eau jusqu’au temps que toute l’ammoniaque et les bactéries ont été enlevé, ou en autres mots, jusqu’au temps que le demande en chlore a été atteint.
Ceci fonctionne s’il y a seulement un peu d’ammoniaque mais s’il y en a plus que 0,3 mg/L d’ammoniaque dans l’eau brute tellement de chlore devrait être ajouté pour l’enlever qu’il résultera en niveaux dangereux de sous-produits de chloration. Vous pouvez voir qu’il y en a des cas où les seules options semblent d’être, a) de n’utiliser pas la chloration au point critique et alors laisser les bactéries dans l’eau, ou b) désinfecter l’eau à la risque d’ajouter les montants nocives de produits chimiques à l’eau. Ceci veut dire que quelques facilités de traitement doivent utilisés les méthodes très compliquées et chères, qui souvent implique l’utilisation d’autres produits chimiques, pour enlever ammoniaque de l’eau avant qu’ils ajoutent du chlore. (Plus d’information au sujet de sous-produits de désinfection peut être trouvée à https://www.lenntech.fr/desinfection/desinfectants-sous-produits.htm)
Une nouvelle option que communautés avec les problèmes d’ammoniaque ont est la filtration biologique. Ceci est une méthode sauf d’enlever ammoniaque qui est libre de produits chimiques. En la facilité de filtration biologique un des étapes de filtration est de passer l’eau à travers d’un filtre spécial qui est plein de bactéries nitrifiantes. Ces bactéries utilisent ammoniaque et un peu d’oxygène et performent une réaction de bio-oxydation. Ils oxydent l’ammoniaque en azote, NH2 + O2 ->NO2- + 3H+. Et puis oxyde cela encore en azote, NO2- + H2O -> NO3- + 2H+. Les bactéries gagnent d’énergie de ces réactions et sont spécialisées pour les faire très efficacement. Ce processus est partie du cycle naturel d’azote et ne produit pas de sous-produits nocifs. Le nitrate qui est produit par ce processus peut facilement être enlevé de l’eau par la membrane d’osmose inverse dans le stage final du processus de filtration.(Plus d’information au sujet des facilités de filtration biologique peut être trouvée à http://www.safewater.org/ibrom.html )
La réaction entre chlore et ammoniaque peut être écrit comme NH3 + HOC1 -> NH2C1 + H2O. Dans cette équation chimique NH3 est ammoniaque et HOC1 est acide hypochloreux qui est formé quand le chlore commence à dissoudre dans l’eau. Le résultat primaire de cette réaction chimique est NH2C1, un produit chimique connu comme chloramine. Chloramine est un désinfectant comme chlore, il est un désinfectant plus faible que chlore mais il dure beaucoup plus longtemps dans eau. La concentration du chlore en eau peut diminuer graduellement quand le chlore s’évapore mais chloramine ne fait pas cela. Ceci le fait utile pour faire certain qu’eau reste désinfectée à travers les systèmes dedistribution d’eau potable. Dans les régions où il n’y a pas, ou très peu, d’ammoniaque dans l’eau brute les facilités de traitement pourraient encore utiliser chloramine pour ce but. Après de chloriner (désinfecter) l’eau, comme la dernière étape dans le processus de traitement ils ajoutent ammoniaque et plus de chlore à l’eau pour qu’ils peuvent réagir et créer chloramine.
Avec cette information, vous demandez peut-être s’il y a du chloramine dans votre propre eau du robinet et comment vous pouvez peut-être le mesurer. Le fait est, partie du processus de trouver la concentration du chloramine est le test de la concentration du chlore total que vous avez déjà fait. L’autre partie est un deuxième type de test qui est appelé un test du chlore libre. Comprenant la différence entre chlore total et chlore libre est très important. Le test du chlore libre trouve la concentration du chlore régulier qui n’a pas réagi comme le type ajouté à eau pendant le processus de chloration ou le type trouvé dans Javel. Le test de la concentration du chlore total trouve les concentrations combinées du chlore régulier qui n’a pas réagi et le chlore qui a été dans une réaction et est maintenant chloramine. Parce que chlore total est chlore libre plus chloramine, la concentration du chlore total doit toujours être supérieur ou égal à la concentration du chlore libre. Ceci veut aussi dire que les tests du chlore total et libre peuvent être utilisés ensemble pour trouver la concentration de la chloramine de l’échantillon d’eau. Soustraire la concentration du chlore libre de la concentration du chlore total vous donnerez la concentration de chloramine.
Exemple: Si vous testez un échantillon d’eau pour chlore libre et chlore total et vous obtenez les valeurs de 2,0 mg/L chlore libre et 2,5 mg/L chlore total vous savez que la concentration de chloramine dans cet échantillon doit être 0,5 mg/L.
Considérez une expérience qui pourrait utiliser cette information. Imaginez deux béchers, chacun avec précisément 100mL d’eau. Le premier a une concentration du chlore libre de 20 mg/L, une concentration du chlore total de 20mg/L et une concentration d’ammoniaque de 0 mg/L. Le deuxième bécher a une concentration du chlore libre et une concentration du chlore total de 0mg/L et une concentration d’ammoniaque de 4 mg/L. Qu’est-ce que vous pensez arrivera si le contenu de ces deux béchers sera versé ensemble dans un grand bécher?
Ce problème peut être brisé en des pièces plus petites qui devraient être considéré un à la fois.
Qu’est-ce qui est la concentration de la chloramine dans chacun des deux béchers originaux?
Si les béchers seraient verser ensembles cela résultera en un volume total de 200mL; ce changement du volume pourra diluer les produits chimiques. Est-ce que ceci pourrait avoir un effet sur les concentrations du chlore et d’ammoniaque avant même qu’aucune réaction chimique ne s’effectue? Considérez le résultat de deux béchers de 100mL étant verser ensemble si un avait 20mg/L du sel et l’autre avait 4mg/L du sucre.
Supposant qu’une concentration du chlore libre de 10mg/L est précisément assez pour réagir avec 1 mg/L d’ammoniaque, qu’est-ce que les concentrations finales du chlore libre et d’ammoniaque seraient?
Si tout le chlore libre utilisé dans la réaction devient chloramine qu’est-ce que les concentrations finales de la chloramine et du chlore total devraient être?