Pour former des particules et des flocs, les coagulants traditionnels à base de métaux, tels que l’alun ou les sels de fer, réagissent avec l’alcalinité de l’eau. Les flocs sont la résultante de l’attachement des hydroxydes métalliques formés entre eaux et avec des particules en solution (matières en suspension).
Les formulations des principaux coagulants utilisés sont les suivantes :
Sulfate d’aluminium (Al2(SO4)3).14H20 (Alun)
Sulfate ferreux (FeSO4)
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3)
Sulfate ferrique (Fe2(SO4)3)
Chlorure ferrique (FeCl3)
Aluminate de sodium NaAlO2
Les réactions conduisant à la formation des hydroxydes métalliques sont les suivantes :
Al2(SO4)3.14H2O + 3Ca(HCO3)2 —–> 2Al(OH)3 + 3 Ca(SO4) + 6 CO2 + 14 H2O
Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 —–> 2Fe(OH)3 + 3 Ca(SO4) + 6 CO2
2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 —–> 2Fe(OH)3 + 3 CaCl2 + 6 CO2
Ces réactions indiquent que la formation des hydroxydes métalliques nécessite la consommation de l’alcalinité (HCO3-) présente dans l’eau. En effectuant quelque calculs, ont obtient que :
1 mg d’Alun consomme 0.51 mg d’alcalinité (en mg/L de CaCO3) et génère 0.26 mg de boues sous forme d’hydroxyde d’aluminium – (un dosage d’alun consomme la moitié d’alcalinité)
1 mg de sulfate ferrique consomme 0.75 mg d’alcalinité (en mg/L de CaCO3) et génère 0.54 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer. (un dosage de sulfate ferrique consomme les ¾ d’alcalinité)
1 mg de chlorure ferrique consomme 0.92 (en mg/L de CaCO3) mg d’alcalinité et génère 0.66 mg de boues sous forme d’hydroxyde de fer
Si la demande d’alcalinité du coagulant excède l’alcalinité disponible, l’hydroxyde métallique ne peut pas complètement précipiter, ce qui conduit à une clarification incomplète. En conséquence, cela entrainera la réduction du temps d’utilisation du filtre en causant une augmentation de la perte de charge et une percée soudaine de la turbidité, ainsi qu’une post-précipitation du coagulant.
Ce problème peut être résolu en augmentant l’alcalinité (généralement avec de la chaux) avant l’addition du coagulant, ou en utilisant à la place un coagulant ayant une demande d’alcalinité plus faible.
En pratique la baisse d’alcalinité est avantageuse car permet de baisser le pH pour atteindre une valeur de coagulation optimale qui se situe en milieu acide proche de la neutralité. En effet, l’intervalle de pH optimal pour les sels de fer est entre 5 et 6 et celui des sels d’aluminium est entre 6 et 7.
Lorsque le pH est optimal et que les solutions ont été bien dosées, la coagulation est effective et il n’y a pratiquement pas de produits métalliques solubles.
En eau froide, on a besoin d’une coagulation rapide, on utilise pour cela des coagulants préhydrolysés et polymérisés. Les principaux couramment utilisés sont : le polysulfate d’aluminium (polyaluminosulfate, PAS); le polysilicate de sulfate d’aluminium (polyaluminosulfate silicate PASS), lorsque la silice est incluse dans la préparation du PAS; le polychlorure d’aluminium (polyaluminochlorure PACI) ou le SPIC (un mélange de sulfate d’aluminium préhydrolysé et de chlorure ferrique);
Ces types de coagulants sont aussi utilisés lorsqu’on a affaire à une eau de faible alcalinité, puisque ces coagulants préhydrolysés et polymérisés consomment de manière générale moins d’alcalinité que les coagulants traditionnels cités plus haut.
En raison de leur structure chimique, les coagulants à base d’aluminium chlorhydrate ont des demandes en alcalinité beaucoup plus basses que l’alun ou le sulfate ferrique, et sont donc préférés pour le traitement des eaux brutes à faible alcalinité.
Les coagulants a base d’aluminium, sont souvent obtenus par neutralisation d’une solution de chlorure d’aluminium AICI, à l’aide d’une base.
L’alcalinité est une propriété importante des eaux naturelles puisqu’elle leur confère le pouvoir de résister aux apports acides ou même basique. Ce pouvoir tampon est lié à la présence du couple acide/base CO2/HCO3-. Toutefois, le CO2 est en assez faible quantité, ce qui fait que le pouvoir tampon du couple acide est très limité.
Ci-dessous les caractéristiques de quelques coagulants commerciaux
Nom chimique | Sulfate d’aluminium | Sulfate d’aluminium | Sulfate ferrique 50% | Sulfate ferrique 60% | Polysilicate de sulfate d’aluminium | Hydroxyde de chlorure de sulfate d’aluminium | Hydroxyde de chlorure de sulfate d’aluminium | chlorure d’aluminium
|
Nom commercial | Alun sec | Alun liquide | PASS 10 | PAX XL10: | PAX-XL6 | Hyper+Ion® 1000 | ||
Formule chimique | Al2(SO4)3·14H2O | Al2(SO4)3·14H2O | Fe2(SO4)3•8,8H2O | Fe2(SO4)3•8,8H2O | Al3(OH)20(SO4)2CL15 | |||
Concentrations vente/nature | Granules ou poudre blanche ou crème | Sulfate d’aluminium 48,8%
|
50% : | 60% | liquide de couleur jaune | |||
Normalité | 1,85N | |||||||
Composition 1 | Aluminium comme Al2O3, % 8,0- 8,4 | Soluble de Fer Ferrique (Fe+3), % 10 | Soluble de Fer Ferrique (Fe+3), %12 | 10,1 % de Al2O3 | 9,7 % Al203 | Concentration massique Al | Taux (Al2O3) de 10,4 – 10,8%. | |
Composition 2 | Comme Al2(SO4)3·14H2O (Alun Sec), % 46 – 49 | Concentration massique OH : 5 | ||||||
Composition 3 | Comme Al, % 4,2 – 4,4
|
Concentration massique Sulfate 2,2 m/m | ||||||
Composition 4 | Acide Libre, comme H2SO4% < 3 | Acide Libre, comme H2SO4% < 3 | Concentration massique Chlorure : 16,6 m/m | |||||
Masse molaire | Masse molaire : 594 | |||||||
Densité | 1.61 | 1.43 – 1.48 | 1.57 – 1.62 | 1,32 g/ml | 1,20 | 1,21 g/mL | ||
Gravité spécifique | 21oC (70oF) : 1,335 | 21o C (70o F) 1,40 – 1,51 | 21o C (70o F) 1,50 – 1,62 | |||||
Densité (lb/gal US) | 11,14 | .11,7-12,6 | 12,5-13,5 | |||||
Solubilité dans l’eau | 50% à 0°C
|
|||||||
pH | Solution aqueuse pH 3,5 | pH (net) 2,0 – 2,4 | pH (net) 1,0 (env.)
Gravité |
pH (net) 1,0 (env.) | ||||
pH optimal | pH floculation : 6,5 – 7,8 | |||||||
Consommation alcalinité | 0.51 mg pour 1 mg d’alun | Baisse TAC pour 10 ppm injecté : 0,1°F | 150 ppm baisse l’alcalinité de 14 ppm | |||||
Point de congélation | Point de Congélation – 16oC (4o F) | Point de Congélation < -50oC (< -58oF) | Point de Congélation < -50oC (< -58oF) |
Chlorure de Polyaluminium
Hyper+Ion® est la marque des produits à base de chlorure de polyaluminium de General Chemical
Les produits Hyper+Ion® sont une famille de coagulants inorganiques pré-hydrolysés. Les produits Hyper+Ion® classifiés comme chlorures de polyaluminium ont des contenus en oxyde d’aluminium (Al2O3) de 8,3% à 23,3% et des basicités de 10% à 70%. Plusieurs grades contiennent des polymères organiques.
Sulfate de Fer Liquide
Le Sulfate de Fer Liquide est une solution aqueuse rouge-brun qui est généralement vendu en solution à 50% ou 60% de concentration, en base sèche. Sur la base du contenu en fer ferrique (Fe+3) de 10% et 12% respectivement pour les deux concentrations de sulfate de fer liquide, la formule de sulfate ferrique sec est Fe2(SO4)3•8,8H2O. La concentration maximale de fer ferrique dans les produits liquides commerciaux est d’environ 13%.
Chlorhydrate d’aluminium
Les produits Hyper+Ion® sont une famille de coagulants inorganiques pré-hydrolysés. Le Hyper+Ion® 1090, est un produit classé comme chlorhydrate d’aluminium. Il possède une basicité typique de 83% et les dosages se situent généralement entre 23 à 24% sur la base de l’oxyde d’aluminium (Al2O3).