La dépollution d'eaux agricoles par filtration dans la masse

Thèmes abordés

Dépollution d'eaux agricoles par filtration dans la masse, loi de Kozeny, milieu poreux, sulfate de cuivre solubilisé, travail pratique, tubes piézométriques, lit de sable, représentations graphiques, perte de charge

Résumé du document

Au cours de ce travail pratique, nous allons étudier le phénomène de filtration : l'objectif de la manipulation est de dépolluer une eau contenant du sulfate de cuivre solubilisé. Préalablement, nous vérifierons la loi de Kozeny en considérant notre filtre comme un milieu poreux et en retrouvant hk expérimentalement. Pour cela, nous suivrons la différence de pression en différents points de la colonne en fonction du débit et de la hauteur du lit.

La filtration est une opération unitaire qui consiste à interposer une barrière poreuse (ici du sable) sur le trajet d'un fluide (de l'eau) chargé en particules (des cristaux de cuivre) afin de les retenir. Il s'agit donc d'une technique de séparation liquide-solide. Dans notre cas, on veut filtrer du sulfate de cuivre, CuSO4, un sel utilisé notamment en agriculture pour ses propriétés fongicides. En solution, il teinte l'eau d'une couleur bleu intense caractéristique. Les cristaux à filtrer sont maintenus en suspension par l'injection dans le bac de solution d'un faible débit d'air comprimé. On met en route la pompe, on se place à Q = 70 L/h et on veille à ce que ce débit reste constant pour éviter tout colmatage.

Extraits

[...] Préalablement, on réalise les opérations suivantes : On purge la cuve pour ne pas boucher la crépine au fond du bac qui permet d'alimenter la pompe en eau On élimine les bulles d'air dans l'embout des tubes qui fausseraient nos mesures en compressant/dilatant le fluide On remplit le bac d'eau, puis on met la pompe en route Également, on s'assure au cours des différentes manipulations que Qhaut de la colonne > Qfiltre pour qu'il y ait toujours une surverse. C. Mesures On effectue notre relevé de pression (ci-joint en annexe) pour tracer à 26 débits d'eau donnés la perte de charge le long de la colonne en fonction de la vitesse d'écoulement du fluide : On constate que la représentation graphique de ΔP* = est une droite, ce qui confirme notre hypothèse : nous nous trouvons bien en régime laminaire. Le grand nombre de points a permis l'obtention d'un coefficient de régression linéaire proche 1 donc satisfaisant. [...]

[...] Le lit de sable, de hauteur Z0 = 50 cm, dépose en tout de 11 points de mesure de la pression tous les 5 cm. On relève sur les tubes piézométriques la pression en ces différents points pour tracer P = : Le graphe obtenu est une droite : la pression dans le milieu poreux augmente avec la hauteur du lit de manière linéaire. La loi de Kozeny est donc vérifiée : ΔP * = Z.hk.ag2.η. .U ΔP* = K.Z , K = cste à une vitesse donnée. [...]

[...] Lors de notre filtration, nous n'avons pas pu observer cet aspect progressif de la filtration puisque la concentration en sulfate de cuivre était trop importante : un bouchon s'est rapidement formé dans la première zone de travail. Cela a donc perturbé le reste de la filtration, rendant les résultats difficilement exploitables. [...]

[...] Calculs préliminaires On souhaite préparer 50 L de solution aqueuse de CuSO4 de concentration Cf = 8 mmol/L. On dispose pour cela d'une solution mère S0 concentrée à C0,m = 420 soit en concentration molaire : C0 = = = 2,625 mol/L. Pour réaliser notre dilution, on prélève à l'éprouvette graduée un volume de solution mère V0 qu'on introduit dans les 50 L d'eau : C0.V0 = Cf.Vf V 0 = = = 0,150 L Soit V0 = 15,0 mL. [...]

[...] Interprétations des résultats On observe rapidement la formation d'un front de saturation sur le filtre : il s'agit d'une zone de travail, d'environ 10 cm de haut. Elle filtre l'eau jusqu'à saturation. S'en suit le déplacement de cette zone par tranches égales, de haut en bas, jusqu'à ce que l'ensemble du sable soit saturé. On dit alors que l'on perce la colonne quand le filtre est encrassé. Après quelques minutes de filtration, on assiste à une chute du débit d'eau et à une augmentation très rapide de la pression : notre filtre a colmaté. [...]