Spécialité Thème Eau Chapitre Eau et ressources
Élimination des colorants synthétiques organiques dans l'eau
Mots clés : Lutte physico-chimique contre les pollutions, traitement des eaux.
I. Position du problème
Le bleu de méthylène (ou chlorure de méthylthioninium) un colorant organique de synthèse. Il est soluble dans l'eau et plus légèrement dans l'alcool.
De couleur bleue foncée, il est utilisé notamment en médecine (colorant histologique, antiseptique...). Le bleu de méthylène teint le collagène des tissus en bleu. Il tache la peau durant plusieurs semaines (tampon d'encre sur la viande).
Les colorants synthétiques présents dans les euents industriels comme le bleu de méthylène sont faiblement biodégradables ; ils sont donc présents dans les eaux rejetées.
Problématique : Comment traiter les eaux de rejets pour éliminer ce colorant ? Document 1 : Le bleu de méthylène
C15H16N3SCl
Masse molaire : 319,9 g.mol−1
Solubilité : 50 g.L−1 dans l'eau (à 20°C) 10 g.L−1 dans l'éthanol (à 20°C)
Document 2 : Absorbance d'une solution de bleu de méthylène à 1,0.10−5 mol.L−1 en fonction de la longueur d'onde
Document 3 : Utilisation du charbon actif
Les colorants synthétiques présents dans les euents industriels ne sont pratiquement pas dégradables. Une technique pour les éliminer consiste à utiliser des charbons actifs.
Le charbon actif (ou charbon végétal activé) est une poudre noire, légère, constituée essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. Le charbon actif peut être produit à partir de toute matière organique végétale riche en carbone : bois, écorces, pâte de bois, coques de noix de coco, coques de cacahuètes, noyaux d'olives, ou bien de houille, tourbe, lignite, résidus pétroliers.
Ce sont des matériaux adsorbants dont la structure interne est constituée de pores de 2 à 50 nm de diamètre.
La surface interne des pores, appelée surface spécique, est de l'ordre de 400 à 2 000 m2.g−1. L'adsorption d'un colorant sur des charbons actifs est
caractérisée par une courbe qui représente, à une tem- pérature donnée, les variations de la masse du colorant adsorbé par gramme de charbon actif, en fonction de la concentration dans l'eau du colorant non adsorbé.
II. Analyse de documents
1. Indiquer ce qui dans la structure de la molécule du bleu de méthylène explique le caractère coloré de ce composé.
2. Justier la couleur la bleue des solutions aqueuses de bleu de méthylène.
3. Donner une dénition de matériau adsorbant.
4. Quel type de liaison s'établit entre les molécules adsorbées et la surface des pores du charbon actif ? 5. Comment évolue la masse de colorant adsorbé par gramme de charbon actif en fonction de la concentration
dans l'eau du colorant ? Commenter.
III. Travail d'investigation
On dispose d'eau polluée (solution S0 au bureau) par du bleu de méthylène dont la concentration a été très approximativement déterminée autour de Cm 0 = 10 mg.L−1 (mesure approximative).
On a préparé au laboratoire une solution S1 de bleu de méthylène de concentration massique Cm 1 = 20,0 mg.L−1.
Proposer une méthode spectrophotométrique pour mesurer avec le plus de précision possible la concen- tration en colorant dans l'eau polluée.
Pour cela, proposer un protocole, et le faire valider par le professeur.
1. Réalisation de l'échelle de teinte
On réalise une échelle de teintes de solution de bleu de méthylène.
À partir de cette solution S1, on souhaite préparer 6 solutions étalon (dans 6 tubes à essais) de volume V = 10,0 mL de concentration massique Cm.
Calculer les volumes V1 de la solution S1 et Veau d'eau à verser dans chaque tube pour obtenir les 6 concentrations indiquées dans le tableau, remplir le tableau ci-dessous et réaliser les dilutions.
Solutions S2 S3 S4 S5 S6 S7
Cm (mg.L−1) 0 4 8 12 16 20
V1 (mL) Veau (mL)
2. Courbe d'étalonnage
I Mesurer l'absorbance A des 6 solutions diluées en commençant par la solution la moins concentrée.
I Tracer la courbe d'étalonnage A = f(Cm).
I Mesurer l'absorbance de la solution S0, eau polluée.
1. Le modèle de la courbe d'étalonnage peut-il être validé ?
2. Donner l'équation de la droite d'étalonnage. Quel est l'unité du coecient directeur ? 3. En déduire la concentration en bleu de méthylène de l'eau polluée.
4. A-t-on une meilleure précision sur la concentration qu'avant l'expérience ? Justier.
IV. Détermination de l'ecacité du charbon actif pour éliminer le bleu de méthylène
I Prélever à l'éprouvette un volume V = 40 mL d'eau polluée et les introduire dans un bécher.
I Peser avec précision une masse m = 240 mg de charbon actif et les ajouter dans le bécher.
I Mélanger à l'agitateur magnétique, pendant 1 min, puis ltrer. Recueillir le ltrat Straitée.
I Déterminer par spectrophotométrie la concentration Cm traitée en bleu de méthylène de la solution traitée.
1. À partir des concentrations massiques en colorant de l'eau polluée Cm 0 et de l'eau traitée Cm traitée, déter- miner la masse de colorant adsorbé par le charbon actif.
2. En déduire la masse de colorant adsorbé par gramme de charbon actif.
3. Conclusion : comment l'ecacité du traitement réalisé pourrait-elle s'améliorer ?
