Travaux Personnels Encadrés Environnement et progrès Le dessalement de l’eau de mer par électrodialyse Bientôt « la mer à boire »… Travaux Personnels Encadrés Environnement et progrès Le dessalement de l’eau de mer par électrodialyse Alexandre Pelourdeau Richard L’Hotellier Romain Stievenard 1ère S3 – 2006-2007 Richard L’Hotellier Alexandre Pelourdeau Romain Stievenard 1ère S3 2006-2007

Introduction Population mondiale triplée Besoins en eau consommable multipliés par 6 Consommation Humaine Agriculture Industrie Introduction Depuis plusieurs dizaines d’années, l’Homme tente de remédier à la pénurie d’eau douce qui menace de nombreuses régions dans le monde. Sachant que la population mondiale a triplé, selon l’Unesco, les besoins en eau ont été multipliés par 6, à la fois pour la consommation humaine que pour l’agriculture et l’industrie.

Introduction Document 1 : Comparatif du stress hydrique et des carences en eau dans le monde en 1995 et 2025 Comme on peut le voir ci-dessus, sur le document 1, la zone de pénurie déjà présente dans certaines régions du globe s’agrandira considérablement d’ici 20 ans. Document 1 : Comparatif du stress hydrique et des carences* en eau dans le monde en 1995 et en 2025 Source : Cartographie UNEP

Introduction Population mondiale triplée Solution au manque Besoins en eau consommable multipliés par 6 Consommation Humaine Agriculture Industrie Solution au manque L’agriculture consomme 70% des ressources d’eau potable dans le monde Remplacer l’eau consommée pour l’irrigation par de l’eau dessalée Économie considérable profitable pour l’homme Une des méthodes pour remédier à ce problème serait de remplacer l’eau potable utilisée par l’agriculture par de l’eau dessalée. En effet, le secteur de l’agriculture consomme énormément d’eau (70% de la consommation mondiale). Si l’on parvient à remplacer l’eau potable utilisée pour l’agriculture par de l’eau suffisamment dessalée (celle-ci n’étant pas potable pour l’Homme) pour l’irrigation des cultures on économiserait ainsi des quantités considérables d’eau potable pour l’Homme.

L’eau dessalée est-elle suffisamment bonne pour l’agriculture ? Problématique L’eau dessalée est-elle suffisamment bonne pour l’agriculture ? Étude du cas du dessalement par électrodialyse Nous nous demanderons donc si l’eau dessalée est suffisamment bonne pour l’agriculture ; nous nous intéresserons plus spécialement au dessalement de l’eau par électrodialyse.

Plan I) Qu’est ce qu’une eau dessalée ? a) Composition chimique et norme de potabilité b) Influence d’une salinité trop importante sur les êtres vivants II) Les Procédés de dessalement a) L’électrodialyse b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable III) Les conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée a) Conséquences sur les sols b) Conséquences sur les plantes Pour cela, nous verrons donc dans une première partie à la nature d’une eau dessalée : sa composition chimique, et sa norme de potabilité. Dans une seconde partie nous étudierons différents procédés de dessalement (nous nous intéresserons principalement à l’électrodialyse). Puis dans une troisième partie nous verrons les conséquences d’une utilisation d’une eau dessalée sur l’Homme et dans l’irrigation.

I) Qu’est ce qu’une eau dessalée ? Composition chimique et norme de potabilité b) Influence d’une salinité trop importante sur les êtres vivants Na+ H2O Cl- Décret Sels minéraux I) Qu’est ce qu’une eau dessalée ? Hypertension Besoin Néfaste Organisme Flore Homme

I) Qu’est-ce qu’une eau dessalée ? a) Composition chimique et norme de potabilité Dessalage, dessalement ou dessalaison : action de retirer le sel d’un corps  Pour un liquide : le rendre apte à la consommation Définition des seuils maximums : En France : Décret du code de la santé publique, basé sur les normes européennes Maximums admissibles : Na+ : 150 mg/L Cl- : 200 mg/L Moyenne de l’eau d’un puits français : Na+ : 4,4 mg/L Cl- : 7,0 mg/L  Test de la concentration par chromatographie a) Composition chimique et norme de potabilité Le dessalage, le dessalement et la dessalaison* désignent l’action de retirer le sel d’un corps. Appliqué à l’eau, ce procédé permet de rendre un liquide salé ou saumâtre, potable ou apte à être utilisé pour l’agriculture. En termes de potabilité, plusieurs critères définis par les lois permettent de régir les seuils maximaux acceptables dans la distribution de l’eau. Parmi ceux-ci on retrouve le pH, les concentrations en métaux, minéraux, produits toxiques et bactéries. En France, un décret du code de la santé publique basé sur les normes européennes, définit ces seuils d’acceptation, il a été révisé cinq fois depuis 1989 afin de limiter, selon les dernières études, les différentes carences* et maladies appliquées aux hommes et aux plantes. Le sel est un cristal ionique composé de Na+ et Cl-. La concentration d’ions Chlorures ne doit pas dépasser 200 mg/L et celle d’ions Sodium, 150 mg/L. Si ces taux sont dépassés lors des prélèvements, l’eau doit être impérativement traitée avant d’être distribuée. En France, l’eau d’un puits contient en moyenne 7 mg/L d’ions Cl- et 4,4 mg/L d’ions Na+. Ces taux sont fixés par des lois, cependant les réactions des individus et des plantes peuvent varier selon les concentrations en sel auxquelles on les soumet.

I) Qu’est-ce qu’une eau dessalée ? b) Influence d’une salinité trop importante sur les êtres vivants  Les êtres vivants ont des besoins particuliers en sels minéraux  Effets secondaires lors d’un dépassement du besoin  Voire dommages pour les plantes ( détails en 3ème partie )  Chez la plante  Ralentissement du développement de l’espèce  Influence néfaste des ions sodium (Na+) et peu bénéfique des ions chlorure (Cl-)  Chez l’être humain  Besoin vital de sel contre la déshydratation  Favorise le bon fonctionnement des systèmes nerveux, immunitaire et digestif  Peut provoquer une hypertension artérielle  Le sel est un danger potentiel pour l’Homme et la Plante Plante avec sel Plante sans sel Au début de l’expérience Plante avec sel Plante sans sel Après 5 jours Expérience : Développement d’une rose dans l’eau salée b) Influence d’une salinité de l’eau trop importante sur les êtres vivants Chaque être vivant dispose d’un organisme ayant des besoins particuliers en sels minéraux, en revanche lorsque le besoin est dépassé, l’individu ou la plante peut ressentir des effets secondaires. Nous verrons plus tard les dommages qui peuvent leur être causés. Chez les plantes, ce surplus de sel peut ralentir le développement naturel de l’espèce. En effet, la flore, en cas général, absorbe les éléments par l’ordre préférentiel suivant : NH4+ > K+ > Mg2+ > Ca2+ > Na+ (Ion ammonium > Ion Potassium > Ion Magnésium > Ion Calcium > Ion Sodium) Et en complémentarité : NO3- > Cl- > SO42- > H2PO4- (Nitrate > Chlorure > Sulfate > Dihydrogénophosphate) Sachant que les ions sodium Na+ sont les derniers dans l’ordre de préférence et que les ions chlorure Cl- sont seconds dans l’ordre de choix de l’ion complémentaire, on peut ainsi en déduire de que le sel comporte une influence néfaste pour la santé de la plante. Quant à la santé de l’Homme, le sel constitue un élément essentiel de son alimentation. En effet, les composantes du liquide de ses cellules sont le sodium et le chlore, ions du sel. Par conséquent, il serait amené à déshydratation sans sel. Lors d’une déshydratation ou d’une hospitalisation, on lui injecte alors, par intraveineuse, une solution physiologique* à 0,9% de sel. Les ions sodium lui apportent une bonne transmission des messages nerveux et les ions chlore lui permettent un bon fonctionnement de l’estomac et du système immunitaire. Après un excès d’ingestion de sel, un être humain voit son flux de sang artériel passer en hypertension*. Le surplus de consommation de sel est donc un danger potentiel autant pour la flore que pour les Hommes.

II) Les procédés de dessalement Le dessalement par électrodialyse b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable Séparation Migration Membrane Cationique Anode Ions Pour faire face à la pénurie d’eau grandissante et prévenir une consommation impropre de l’eau par les êtres vivants, les chercheurs ont mis au point des techniques de dessalement de l’eau de mer. II) Les procédés de dessalement Distillation Pores Volatilité Dialyse Osmose inverse Filtration

But : Fonctionnement : Élimination des ions de l’eau II) Les procédés de dessalement a) Le dessalement par Électrodialyse But : Élimination des ions de l’eau  Application à Na+ et Cl- : Dessalement Fonctionnement : Filtration par membranes anioniques et cationiques d’une solution soumise à un flux électrique entre une anode et une cathode a) L’électrodialyse L'électrodialyse est un procédé électrochimique qui permet d'extraire les ions contenus dans une solution.  Également disponible : ? Maquette explicative Description du procédé : L'extraction des ions se fait par migration des ions à travers des membranes sélectives (anioniques ou cationiques) sous l'action d'un courant électrique. Ainsi seuls les anions peuvent traverser une membrane anionique* et seuls les cations peuvent traverser une membrane cationique*. En plaçant plusieurs membranes en parallèle laissant passer alternativement les ions positifs et les ions négatifs, on peut éliminer certains ions de l'eau. Dans certains compartiments, on obtient une concentration des ions et dans d'autres les ions sont éliminés.  Application au dessalement : Sous l'effet d'un courant appliqué dans un bac compartimenté hermétiquement par une alternance de membranes anioniques et cationiques, les ions Na+ sont attirés vers l'électrode négative (anode) et les ions Cl- vers l'électrode positive (cathode). En raison de la sélectivité des membranes, on obtient de l'eau douce dans deux des cinq compartiments. En fin de chaîne de traitement, on récupère à la fois de l'eau douce et de la saumure. Il existe également des unités en série et d'autres modèles de système d'électrodialyse. Les solides en suspension dans l’eau ayant un diamètre supérieur à 10 mm doivent cependant être éliminés par une filtration préalable de l’eau, auquel cas ils risqueraient de boucher les pores de la membrane. Animation par Romain Stievenard

Membranes Cationiques II) Les procédés de dessalement a) Le dessalement par Électrodialyse Membranes Cationiques Membranes Anioniques Chaque bac d’électrodialyse se compose de la manière suivante : un récipient hermétiquement fermé et séparé en alternance par un nombre identique de membranes ne laissant passer que les ions positifs (Membranes Cationiques) et de membranes ne laissant passer que les ions négatifs (Membranes Anioniques)

II) Les procédés de dessalement a) Le dessalement par Électrodialyse - + G On dispose un circuit électrique fermé en mettant à chaque extrémité du bac une anode (pôle -) et une cathode (pôle +) Anode (-) Cathode (+)

II) Les procédés de dessalement a) Le dessalement par Électrodialyse Eau de mer, salée On rempli le bac d’eau salée et fait circuler un courant entre les deux pôles ainsi les ions sont filtrés par les membranes

II) Les procédés de dessalement a) Le dessalement par Électrodialyse Une fois le flux électrique terminé, on évacue les compartiments contenant de la saumure en les renvoyant de nouveau dans le circuit et les compartiments contenant de l’eau maintenant dessalée qui peut maintenant être distribuée pour l’irrigation. Saumure Eau dessalée

L’osmose inverse II) Les procédés de dessalement b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable L’osmose inverse  Pores des membranes : de 0.5 à 1.5 nanomètres  Pression à appliquer : environ 200 bar  lourde infrastructure Osmose (A) : phénomène naturel  Migration de l’eau douce vers l’eau salée, plus concentrée Pression osmotique (B) :  Définit le point d’équilibre des 2 solutions  Dépend de la concentration de la solution la plus concentrée Osmose inverse (C) :  Pression appliquée pour recréer l’effet inverse de l’osmose b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable Il existe plusieurs procédés pour dessaler l’eau de mer tels que : ? l’osmose inverse : si l'on applique à une solution aqueuse en contact avec une membrane (pores de 0.5 à 1.5 nanomètre) une pression supérieure à la pression osmotique*, de l'eau pure traverse alors la membrane. La perméabilité de la membrane peut être suffisamment petite pour permettre de filtrer quasiment toutes les impuretés, sels, ainsi que bactéries et virus. Cependant, l’inconvénient de ce procédé est qu’il supprime également les sels minéraux de l’eau, il faut donc en rajouter après le traitement pour la rendre potable. De plus, la pression qu’il faut donner pour faire passer l’eau au travers de cette membrane est très importante (jusqu’à 200 bar), ce qui implique une lourde infrastructure pour y parvenir. Légende : OSMOSE A : L’osmose est un phénomène naturel à travers une membrane semi-perméable : l’eau douce migre vers l’eau salée, la plus concentrée. B : L’équilibre s’établit à la pression osmotique. Plus l’eau est chargée en sels et plus la pression osmotique est élevée. OSMOSE INVERSE C : Il est possible d’inverser l’opération en exerçant une pression sur l’eau salée pour faire migrer les plus petites molécules d’eau, c’est l’osmose inverse. Exemple : Le dessalement d’une eau saumâtre de concentration 12.000 ppm nécessite moins de pression et donc moins d’énergie qu’une eau de mer de concentration 35.000 ppm. Document 2 : Schéma de principe du fonctionnement de l’osmose et de l’osmose inverse Source : Infographie réalisée par la société Odmer (voir sources : lesnouvelles.org) Document 2 : Schéma de principe du fonctionnement de l’osmose et de l’osmose inverse Source : Infographie réalisée par la société Odmer (voir sources : lesnouvelles.org)

 Meilleure efficacité de l’osmose inverse II) Les procédés de dessalement b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable La nanofiltration  Pores des membranes : de 4 à 5 nanomètres  Élimination des contaminants organiques et des ions en trop forte concentration comme les métaux lourds et le sel  Pression à appliquer : 10 à 30 bar  Meilleure efficacité de l’osmose inverse ? la nanofiltration : c’est un traitement des eaux à l’aide de membranes (pores d’environ de 4 à 5 nanomètres). En faisant passer l’eau à travers ces membranes on élimine les contaminants organiques de l’eau ainsi que les ions en trop forte concentration. concentration tels que les métaux lourds ou le sel. L’avantage de ce procédé par rapport à celui de l’osmose inverse est que la pression que l’on doit administrer pour que la dialyse* se réalise est beaucoup plus faible (10 à 30 bar). L’inconvénient est que la taille des pores de ces membranes ne permet pas de filtrer l’eau aussi bien que par l’osmose inverse.

Source : Infographie Le Point extraite du n°1693 (Page 58) du 24/02/05 II) Les procédés de dessalement Document 3 : Fonctionnement de l’usine de dessalement par osmose inverse du Golfe d’Oman Ces deux procédés sont des traitements de l’eau par membranes cependant l’osmose inverse filtre beaucoup mieux l’eau que la nanofiltration. Le document 3 ci-dessous est un schéma explicatif du principe de filtration de l’eau salée, se basant sur l’usine du Golfe D’Oman aux Émirats Arabes Unis. Cette usine exécute l’osmose inverse. Document 3 : Fonctionnement de l’usine de dessalement par osmose inverse du Golfe D’Oman dans les Émirats Arabes Unis Source : Infographie Le Point extraite du n°1693 (Page 58) du 24/02/05 Source : Infographie Le Point extraite du n°1693 (Page 58) du 24/02/05

La distillation II) Les procédés de dessalement b) Les autres procédés de dessalaison, pour une eau saine et potable La distillation  Utilise la différence de volatilité des constituants  Le plus volatil a une température d'ébullition plus petite que le moins volatil  Séparation successive des éléments : coupe de distillation  Condensation de la vapeur : séparation des éléments  Distillat  Matière restante : résidu  Inconvénient : Le distillat n’est pas toujours pur, car il peut être définit par 2 constituants même non miscibles. ? la distillation : Le procédé utilise la différence de volatilité* entre les constituants afin de les séparer : le plus volatil a une température d'ébullition plus petite que le moins volatil, etc. Ainsi, en chauffant le liquide, chaque constituant va être séparé successivement, on parle alors de coupe de distillation. La vapeur ainsi produite peut être condensée, donnant le distillat, et la substance restante est appelée résidu. Attention cependant, le distillat n'est pas toujours un produit pur. Il peut être un mélange défini par deux constituants (même non miscibles).

III) Les conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée a) Conséquences sur les sols b) Conséquences sur les plantes Salinisation Solisols Efflorescence Sels minéraux Cultures tolérantes Irrigation Besoin L’utilisation de procédés de dessalement présente toutefois des désavantages au niveau du résultat. En effet, l’eau dessalée ne l’est pas parfaitement lors de l’électrodialyse et peut ainsi entraîner une cascade de dangers à la fois pour les plantes que pour l’Homme. III) Les conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée Sel Surplus Sève Évacuation Cellules Transport

Utilisation d’eau dessalée pour l’irrigation III) Les Conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée a) Conséquence sur les sols Utilisation d’eau dessalée pour l’irrigation + Fortes probabilités Sols salins (salisols) Sols alcalins (sodiques ou solisols) Formation de cristaux dans la terre a) Conséquences sur les sols L’utilisation de l’eau dessalée comme celle de l’eau douce dans l’irrigation augmente les probabilités de formation de sols salins (salisols) et/ou de sols alcalins (sodiques ou sodisols) par accumulation des sels minéraux dans la terre. On appelle ce processus la salinisation des sols. Si le sol absorbe trop de sel, on peut alors assister à la formation de cristaux à la surface du sol, remontés par capillarité comme sur le document suivant. Document 5 : Efflorescence saline à la surface d’un sol salé Source : Photographie Futura-Sciences (voir sources) Document 5 : Efflorescence saline à la surface d’un sol salé Source : Photographie Futura-Sciences

3 types de cultures face à la salinité d’un sol : III) Les Conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée a) Conséquence sur les sols 3 types de cultures face à la salinité d’un sol :  Les cultures sensibles : Cs = 1,3 g/L  La plupart des fruits et arbres fruitiers  Certains légumes (carotte, haricot, radis…)  Les cultures à tolérance moyenne : Cs = 2,5 g/L  Les autres légumes  Les grandes cultures  Quelques fruits (olive, raisin, figue, grenade…)  Les cultures tolérantes : Cs = 5 g/L  Prairies  Cultures de coton, orge, colza et betteraves à sucre  Dattiers, cocotiers… Parmi les différentes cultures existantes, on distingue trois classes de niveau de tolérance de salinité du sol : Les cultures sensibles qui réunissent la plupart des fruits et arbres fruitiers ainsi que certains légumes tels que la carotte, le haricot, la salade ou le radis avec une concentration critique en sels de 1,3 g/L. Les cultures à tolérance moyenne comptant les autres légumes, les grandes cultures, quelques fruits comme l’olive, le raisin, la figue ou la grenade. Ces cultures peuvent supporter une concentration maximale de 2,5 g/L de sels dans le sol. Les cultures tolérantes avec les prairies, les cultures de coton, orge, colza, betteraves à sucre, dattiers et autres cocotiers qui acceptent jusqu’à 5 g/L de sels dans le sol. Cs : Concentration critique en sels du groupe de cultures

III) Les Conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée b) Conséquence sur les plantes Légère surconsommation de sel Transport normal à travers la plante par la sève Les cellules se servent selon leur besoin b) Conséquences sur l’Homme La consommation de tels aliments, plus salés que la normale, contribuent à ne pas respecter les doses normales de sel admises par le corps de l’Homme, soit entre 6 et 10 grammes par jour. Selon un bulletin de l’Académie nationale de médecine sur le contenu en sel de l’alimentation, les consommations de sel aussi bien aigües que chroniques présentent chez l’être humain comme chez l’animal une baisse de leur pression artérielle. Ces apports excessifs vont a l’encontre de notre matériel génétique. Ainsi, l’individu ressent les symptômes de l’hypertension artérielle* qui peuvent apporter à long terme des désagréments cardiaques ou des accidents vasculaires cérébraux. Le World Cancer Research Fund International confie, dans un communiqué de presse, qu’une surconsommation de sel peut favoriser le développement de maladies cancéreuses. On note cependant que des campagnes sont menées par les différentes académies de médecine et les gouvernements afin de réduire les habitudes de consommation de sel de la population de 20 %, et de mieux l’informer sur la teneur en sel de ses aliments contre les dangers de ce condiment. Lorsque la présence aliments naturellement plus salés sera devenu récurrente, le corps acceptera normalement la nourriture qui lui est proposée, si d’ici là une mutation génétique visant à réduire la concentration maximum de sel acceptée ne s’est pas produite sur les générations futures. Le surplus est évacué par les racines

Source : Article de l’Atlas de la biologie III) Les Conséquences de l’utilisation de l’eau dessalée Document 7 : Représentation schématique de l'évacuation du sel par les racines de la plante Ces deux procédés sont des traitements de l’eau par membranes cependant l’osmose inverse filtre beaucoup mieux l’eau que la nanofiltration. Le document 3 ci-dessous est un schéma explicatif du principe de filtration de l’eau salée, se basant sur l’usine du Golfe D’Oman aux Émirats Arabes Unis. Cette usine exécute l’osmose inverse. Document 3 : Fonctionnement de l’usine de dessalement par osmose inverse du Golfe D’Oman dans les Émirats Arabes Unis Source : Infographie Le Point extraite du n°1693 (Page 58) du 24/02/05 Source : Article de l’Atlas de la biologie

Pourra-t-on appliquer cette économie à toute la planète ? Conclusion En faible concentration :  Évacuation du sel par les plantes  Pas de conséquences sur l’Homme L’électrodialyse permettant cette faible concentration :  L’eau dessalée par électrodialyse est assez saine pour l’agriculture  Économie considérable d’eau potable pour l’Homme Pourra-t-on appliquer cette économie à toute la planète ? Conclusion

Le dessalement de l’eau de mer par électrodialyse Nous vous remercions d’avoir suivi notre exposé… Travaux Personnels Encadrés Environnement et progrès Le dessalement de l’eau de mer par électrodialyse Alexandre Pelourdeau Richard L’Hotellier Romain Stievenard 1ère S3 – 2006-2007 Richard L’Hotellier Alexandre Pelourdeau Romain Stievenard 1ère S3 2006-2007