PARTIE EXPERIMENTALE
V. Paramètres mesurés :
VI.2. Essai d’entartrage accéléré:
VI.2.1. Essai de chronoampérométrie
La (Figure, 26) représente le montage expérimental utilisé en chronoampérométrie et il comprend:
1- Un Pilote informatisé munie d'un logiciel
2- Un Potensiostat-galvanostat de marque GAMRY ESA410 relié à un ordinateur muni d’un logiciel d’application Gamry Echem Analyst.
3- Couvercle porte-électrode comporte trois ouvertures pour permettre d’introduire les électrodes.
4- Bouchon porte-échantillon 5- Electrode de platine
6- Electrode de travail fixe: pastille en acier XC10 (diamètre 11,03 mm) noyée dans une résine chimiquement inerte.
7- Electrode de référence au calomel, saturée en KCl 8- Cellule thermostatée en verre de contenance 500ml 9- Barreau aimanté
60 10- Agitateur magnétique
Figure 26: Dispositif expérimental utilisé pour les essais d’entartrage accéléré.
VI.2.1.1. Ajustement des paramètres de l’essai: VI.2.1.1.1. Nature de l’électrode utilisée
Le tartre se forme par voie électrochimique, selon la nature du substrat métallique utilisé à différents potentiels. ROSSET (1992) a également mesuré l’indice d’entartrage (IE) de l’eau de Paris sur six métaux différents. Les résultats obtenus sont rassemblés dans le (Tableau, 4) ils montrent que l’indice d’entartrage varie avec la nature du matériau de l’électrode. L’indice d’entartrage le plus faible est obtenu sur une électrode de carbone vitreux dont la surface parfaitement polie est probablement peu favorable à l’adhérence du dépôt de carbonate de calcium.
Tableau 4 : Indice d’entartrage de l’eau de Paris sur différents matériaux d’électrode. Nature de
l’électrode
acier inoxydable
zinc platine cuivre
jaune cuivre rouge carbone vitreux TE (min) 23 27,3 29 29 44,7 79 IE (min-1) 43,5 36,6 34,5 34,5 22,4 12,6
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De nombreuses études ont porté sur la formation des dépôts de carbonate de calcium par voie électrochimique sur acier ((BARCHICHE et al. 2003, MARTINOD et al. 2009, ABDEL-GABER et al. 2011, KAROUI et al. 2013). D’après LEDION (1994), les réactions électrochimiques mises en jeu sont des réactions de réduction de l’oxygène. Pour obtenir une bonne reproductibilité, il faut éliminer les réactions parasites, notamment les réactions de réduction des oxydes ou des couches de passivation. Pour cela, il faut éviter les métaux très passivables comme le cuivre, l’aluminium. Il apparaît que le fer ou (l’acier doux) qui donne les meilleurs résultats en matière de reproductibilité.
VI.2.1.1.2. Potentiel imposé au métal
Le potentiel imposé au métal est directement liée à l’adhérence du dépôt. D’après LEDION (1994) le potentiel optimal pour la formation des dépôts de CaCO3 sur l’acier était généralement très proche de (-1V/ECS).
BARCHICHE et al. (2003), a trouvé que les dépôts du carbonate de calcium par voie électrochimique sont essentiellement réalisés pour des potentiels allant de 0,9 V/ECS) à (-1,2 V/ECS) sur acier. Les courbes chronoampérométriques obtenues pour les valeurs de potentiel (-0.9, -1.0 et -1.1) V/ECS sont similaires. Les meilleurs résultats d’après KETRANE (2010) sont obtenus pour un potentiel de (-1 V/ECS) ou (-1,1 V/ECS), la surface est dans ce cas entièrement recouverte par le dépôt homogène et adhérent. Par contre, pour des potentiels plus cathodiques (-1,2 V/ECS) à (-1,4 V/ECS), les dépôts ne sont pas totalement stables et adhérents.
En effet, pour des potentiels moins cathodiques, le dépôt est peu bloquant car le pH interfacial n’est pas suffisamment basique et pour des potentiels plus cathodiques, le dégagement d’hydrogène peut géner la cohésion de la couche et décoller mécaniquement une partie du carbonate de calcium déjà formée sur l’électrode.
VI.2.1.1.3. Influence de la température:
L’augmentation de la température influence grandement les deux phénomènes électrochimiques à savoir : réduction de l’oxygène et de l’eau. L’augmentation de la température entraîne une forte hausse du coefficient de diffusion du dioxygène (KUNJAPUR et al. 1987). Par contre, la température influence l’activation de la réaction de réduction de l’eau et induit une production d’ions OH
plus importante. Une augmentation de la température entraîne alors une hausse du potentiel de réduction de l’eau. Ce qui revient à dire que l’augmentation de la température favorise la réduction de l’eau. Etant donné que le
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coefficient de diffusion de l’oxygène augmente avec la température alors que sa solubilité diminue.
VI.2.1.2. Mode opératoire :
Avant toute manipulation, la cellule est nettoyée à l’acide chlorhydrique dilué à 50℅ puis rincée à l’eau distillée et à l’eau traitée. Se conformer au Tableau (5) pour le domaine de concentrations utilisées pour chaque inhibiteur. Dans le but d’avoir une bonne sensibilité et une bonne reproductibilité avec une électrode fixe.
Les principales opérations effectuées sont :
1- Le polissage de l’électrode de travail au papier abrasif p400.
2- Le brossage manuel de l’électrode avec une brosse en acier doux, l’électrode est sensée posséder la même surface active à chaque fois.
3- Le positionnement des trois électrodes dans le couvercle où ces trois électrodes sont très rapprochées pour minimiser la chute ohmique.
4- Le remplissage de la cellule mère à 400 ml et à la température souhaitée (30°C pour Hamma et 20°C pour Fourchi) avec une légère agitation.
5- L’enregistrement de la courbe I= f (t) et détermination du temps d’entartrage conventionnel (tE) et du courant résiduel (Ires).
6- Le nettoyage par brossage entre chaque essai.
Tableau 5: Domaine des concentrations (K2HPO4, K3PO4, STTP) optimisées et utilisées pour l’adoucissement électrochimique des eaux du Hamma et Fourchi.
Eau du Hamma Eau de Fourchi
K2HPO4 (mg/L) 0.1, 0.4, 0.8, 1, 2, 2.5, 3 0.5, 0.8, 1, 2, 3, 3.5
K3PO4 (mg/L) 0.1, 0.4, 0.8, 1, 2 , 2.5 0.2, 0.4, 0.6, 1, 2
STTP (mg/L) 0.1, 0.25, 0.5, 1, 1.5, 2 0.6, 0.8, 1, 2, 2.5, 3
VI.2.2. Essai d’impédancemétrie VI.2.2.1. Montage utilisé:
Afin de caractériser le recouvrement de la surface des échantillons, des mesures d’impédance électrochimique sont réalisées au cours de la formation des dépôts. Les mesures d’impédance sont effectuées au potentiel correspondant à la réduction de l’oxygène dissous sur un substrat d’acier (-1V/ECS).
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La (Figure, 27) représente le montage utilisé dans la mesure des impédances des eaux brutes et traitées (Hamma et Fourchi) par K2HPO4, K3PO4, STTP à différentes concentrations et il comprend:
Figure 27: Montage expérimental utilisé en impédancemétrie.
1- Pilote informatisé munie d'un logiciel d’application Gamry Echem Analyst
2- Un Potensiostat-galvanostat de marque GAMRY ESA410 relié à un ordinateur muni d’un logiciel.
3- Couvercle porte-électrode. 4- Bouchon porte-échantillon. 5- Electrode auxiliaire en platine.
6- Electrode de travail fixe: pastille en acier XC10 (diamètre 11,03 mm) noyée dans une résine chimiquement inerte.
7- Electrode de référence au calomel saturée en KCl 8- Cellule thermostatée en verre de contenance 500ml. 9- Barreau aimanté.
64 VI.2.2.2. Mode opératoire:
Dans le but de suivre la variation de la résistance haute fréquence et la capacité des diagrammes d’impédancemétrie, des dépôts de carbonate de calcium dans les eaux du Hamma et de Fourchi sont formés sur une électrode de travail. Les mesures d’impédances ont été effectuées sur ces eaux brutes et traitées.
Le tracé des diagrammes d’impédance électrochimique est effectué sur un intervalle de fréquence compris entre 100 kHz à 100 mHz avec 10 points par décade, en utilisant une amplitude de perturbation (ΔV) de (20 mV). On a enregistré la variation des résistances imaginaires (Zi) par rapport aux résistances réelles (Zr).
VI.2.3. La chronoélectrogravimétrie:
Nous avons utilisé au cours de nos travaux la microbalance MAXTEK ING Figure (28). L’électrode de travail est constituée par un disque de quartz de 2.5 cm de diamètre soit (4.9 cm2) et de (0.3 mm) d'épaisseur, recouverte sur sa face externe, c'est-à-dire celle en contact avec la solution, d'une pellicule d'or de 1.26 cm de diamètre soit (1.25 cm2) et sur sa face interne, d'une piste électrique en or assurant le contact avec un oscillateur Figure (28).
VI.2.3.1. Montage utilisé:
La microbalance à quartz s’intègre dans un montage classique à trois électrodes : - une électrode de référence au calomel saturé KCl.
- une électrode de référence auxiliaire en platine.
- une électrode de travail constituée par le disque de quartz recouverte sur sa face externe d’une pellicule d’or.
- La cellule comprend un volume de 500 cm3 d’eau. L’apport d’oxygène dissous à l’électrode est réalisé par convection par agitation à l’aide d’un barreau aimanté (vitesse de rotation 400 tr/min).
VI.2.3.2. Mode opératoire:
L'électrode d'or est déposée sur le disque de quartz d'une microbalance. Elle est portée au potentiel de (- 1 V/ECS). On mesure la masse de carbonate de calcium déposée en fonction du temps à l’aide d’un micro-ordinateur qui permet, grâce à un logiciel (FRQM) de suivre les variations de la masse de tartre en fonction du temps.
Les courbes chronoélectrogravimétriques (CEG) ont été tracées sur des deux eaux (Hamma et Fourchi) transportées en Tunisie dans des bouteilles remplies à ras-bord et fermées avec soin de manière étanche pour éviter tout dégazage.
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Figure 28: Dispositif expérimental utilisé pour les essais de la chronoélectrogravimétrie. VII. Essais de précipitation contrôlée rapide (PCR) :