Différences entre les pages « Disque de Secchi » et « Filtration de l'eau »

 
 
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{{Tuto Details
 
{{Tuto Details
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|Main_Picture=Disque_de_Secchi_Disque_de_Secchi.png
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|Main_Picture=Filtration_de_l_eau_Sans_titre.png
 
|Licences=Attribution (CC-BY)
 
|Licences=Attribution (CC-BY)
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|Description=Le disque de Secchi est un dispositif utilisé par les scientifiques pour déterminer la turbidité de l’eau : c’est à dire que l’on estime si l’eau est plus ou moins trouble. Ce disque peut être utilisé en mer ou en rivière et permet d’évaluer l’état de l’eau et des milieux aquatiques.
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|Description=Cette expérience permet d'observer simplement le principe de filtration de l'eau par différents matériaux et de faire le lien avec la filtration naturelle de l'eau par le sols et les zones humides.
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|Disciplines scientifiques=Earth Sciences, Life Sciences
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|Disciplines scientifiques=Earth Sciences
 
|Difficulty=Easy
 
|Difficulty=Easy
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|Duration=1
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|Duration=20
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|Duration-type=hour(s)
+
|Duration-type=minute(s)
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|Tags=Turbidité, Lumière, Eau
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|Tags=Eau, Pollution, Sols, Filtration
 
}}
 
}}
 
{{Introduction
 
{{Introduction
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|Introduction=Fabriquer soi-même un appareil de mesure de la turbidité de l’eau et partir explorer les cours d’eau des environs.
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|Introduction=L'eau qui coule sur la terre, dans les rivières, sur les parkings ou dans les champs ne donne pas envie de la boire. Elle est souvent pleine de terre, d'huile de voiture ou de produits chimiques agricoles.
  
  
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Cette fiche expérience s’intègre dans le Parcours 3 : Solutions et techniques d'étude.  Elle est réalisée dans le cadre d'un partenariat avec l'agence de l'eau Loire - Bretagne.  
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Pourtant l'eau que l'on récupère dans les nappes phréatiques (dans le sol) est souvent propre. Nous allons voir pourquoi cette eau est propre et comment cela fonctionne.
  
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La fiche mise en page est disponible en pdf et téléchargeable : [https://www.wikidebrouillard.org/images/e/ef/Disque_de_Secchi_Fiche-disque-secchi.pdf ici].
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Cette fiche expérience s’intègre dans le Parcours 1 : Fonctionnement d'un bassin versant. Elle est réalisée dans le cadre d'un partenariat avec l'agence de l'eau Loire - Bretagne. La fiche mise en page est disponible en pdf et téléchargeable [https://www.wikidebrouillard.org/images/e/ef/Filtration_de_l_eau_13_Fiche-filtration-sol-complete-2.pdf ici].
 
}}
 
}}
 
{{Materials
 
{{Materials
 
|ItemList={{ItemList
 
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|Item=Corde
+
|Item=Bouteille plastique
 
}}{{ItemList
 
}}{{ItemList
−
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+
|Item=Saladier
 
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−
|Item=Règle
+
|Item=Cuillère à soupe
 
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−
|Item=Marqueur permanent
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|Item=Ciseaux
 
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|Item=Vis
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|Item=Vrille
 
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|Item=Couvercle
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 +
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 +
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 +
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 +
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|Tuto_Attachments={{Tuto Attachments
 
|Tuto_Attachments={{Tuto Attachments
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|Attachment=Disque_de_Secchi_Fiche-disque-secchi.pdf
+
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+
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−
|Attachment=Disque_de_Secchi_disque-secchi-modele-a4.pdf
 
−
}}
 
 
}}
 
}}
 
{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
−
|Step_Title=Fabrication du disque
+
|Step_Title=Réunir le matériel
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|Step_Content=Après avoir découpé un cercle d’environ 30 cm de diamètre, percer un trou au centre pour y glisser la ficelle à l’aide des ciseaux ou de la vis.
+
|Step_Content=* 3 bouteilles en plastique transparent et au bouchon peu épais, comme des bouteilles d'eau ;
  
−
 
+
*Un grand bocal ou autre récipient ;
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Il est aussi possible de trouver et imprimer un modèle en format A4 disponible ici : [https://www.wikidebrouillard.org/images/0/01/Disque_de_Secchi_disque-secchi-modele-a4.pdf Disque de Secchi]
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*Une grande cuillère ;
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*Une paire de ciseaux ;
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*Une vis ou une vrille ;
 +
*De l'eau ;
 +
*Du gravier ;
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*Du sable fin ;
 +
*De la terre ;
 +
*Des brindilles ou de l'herbe ;
 +
*De tous petits cailloux ou des perles ;
 +
*Du colorant ou de l'encre ;
 +
*En option, du charbon actif ;
 +
*En option, un liquide odorant, comme de la fleur d'oranger, ou du vinaigre.
 +
|Step_Picture_00=Filtration_de_l_eau_Materiel_expe_filtration-red2.jpg
 
}}
 
}}
 
{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
−
|Step_Title=Mise en place du poids
+
|Step_Title=Préparer le matériel
−
|Step_Content=Le poids sert à lester le disque afin qu’il coule une fois plongé dans l’eau. Avec la ficelle, fixer fermement le poids en dessous du disque, bien au centre du cercle.
+
|Step_Content=Préparer une eau "sale" dans le grand bocal en y ajoutant de l'eau, de la terre (environ une cuillère à soupe par litre d'eau), des brindilles ou  de l'herbe, de petits gravillons et/ou des perles.  
−
}}
+
 
−
{{Tuto Step
 
−
|Step_Title=Graduation de la ficelle
 
−
|Step_Content=Afin de réaliser des mesures, il faut graduer la ficelle. Tracer des traits à intervalles réguliers sur la ficelle à l’aide d’un marqueur :
 
  
−
*Avec la règle, mesurer 10 cm et tracer un trait sur la ficelle ;
+
Ajouter quelques gouttes de colorant ou d'encre et quelques gouttes d'un produit odorant comme la fleur d'oranger. Mélanger.
−
*Recommencer cette étape tout le long de la ficelle.
 
  
−
Le disque de Secchi est prêt à être utilisé !
 
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}}
 
−
{{Tuto Step
 
−
|Step_Title=Mesure de la turbidité de l'eau
 
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|Step_Content=Idéalement, les mesures sont effectuées sur un plan d’eau calme, sans reflet, vers le milieu de la journée. La personne qui effectue les mesures ne doit pas porter de lunettes de soleil.       
 
  
−
Plonger le disque lentement dans l’eau et le faire descendre petit à petit en comptant le nombre de traits. Dès que le disque n’est plus visible, noter la mesure, c’est-à-dire le nombre de traits ou la profondeur (1 trait = 10 centimètres, 10 traits  = 1 mètre de profondeur).          
+
Couper en deux les bouteilles, conserver les deux parties. Percer ensuite les bouchons de ces trois demi-bouteilles avec plusieurs grands trous à l'aide de la vis, on obtient des entonnoirs.
  
−
Remonter ensuite lentement le disque. Quand il réapparaît, noter également la mesure. La profondeur Secchi est la moyenne de ces deux mesures. L’opération peut être répétée plusieurs fois pour confirmer le résultat.
 
  
 +
Poser chaque entonnoir, bouchon vers le bas, sur l'autre moitié restante de chaque bouteille (celle avec le culot). Puis :
  
−
La précision est faible et non déterminée car la mesure est influencée par divers facteurs (observateur, état de la mer, éclairement…). Mais cette mesure est utile pour compléter d’autres observations qui donneront des informations sur la qualité de l’eau, comme le nombre et la nature des êtres vivants que l’on trouve dans le cours d’eau.
+
*Remplir à moitié  le premier entonnoir de gravier ;
 +
*Remplir à moitié le deuxième entonnoir de sable fin ;
 +
*Remplir à moitié le troisième entonnoir de charbon actif.
 +
|Step_Picture_00=Filtration_de_l_eau_Eau_sale-red.jpg
 +
|Step_Picture_01=Filtration_de_l_eau_Percement_bouchons-red.jpg
 +
|Step_Picture_02=Filtration_de_l_eau_3_filtres-red.jpg
 
}}
 
}}
 
{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
−
|Step_Title=Réitérer l’expérience à différents endroits et moments
+
|Step_Title=Lancer l'expérience
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|Step_Content=Recommencer l’étape 4 à différents endroits : cours d’eau différents ou autres points du même cours d’eau. On peut aussi prendre des mesures au même endroit, mais à différentes saisons afin de comparer l’état de turbidité/transparence du cours d’eau au cours de l’année et des saisons.
+
|Step_Content=*Verser la même quantité d'eau "sale" dans les trois entonnoirs et observer.
 +
 
 +
*Après avoir attendu que l'eau s'écoule, comparer le résultat pour chaque entonnoir, en regardant l'eau obtenue à la lumière, et en sentant le contenu du fond de bouteille. Vider le fond de bouteille situé sous l'entonnoir de charbon actif s'il est très rempli.
 +
*Prendre l'entonnoir contenant le sable pour le fixer au dessus de l'entonnoir de charbon actif, puis fixer l'entonnoir contenant le gravier par dessus les deux premiers
 +
*Verser de l'eau "sale" dans l'entonnoir d'en haut et observer
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|Step_Picture_00=Filtration_de_l_eau_Filtration_en_cours-red.jpg
 +
|Step_Picture_01=Filtration_de_l_eau_Resultats_filtration-red.jpg
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|Step_Picture_02=Filtration_de_l_eau_Filtres_superposes-red.jpg
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|Step_Picture_03=Filtration_de_l_eau_Resultat_filtres_superposes-red.jpg
 
}}
 
}}
 
{{Notes
 
{{Notes
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|Observations=En fonction du cours d’eau ou de la saison, la profondeur de Secchi peut varier. Elle se mesure en mètres ou en centimètres.
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|Observations=Les débris les plus grossiers comme les brindilles et les plus gros cailloux sont bloqués par le filtre à gravier, le filtre à sable et le charbon actif.
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Le filtre à gravier laisse par contre passer la terre, le colorant et les odeurs.
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Le filtre à sable piège aussi en grande partie la terre, on voit que l'eau qui en sort est plus limpide.
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Quand au charbon actif, il ne piège pas la terre mais élimine une partie du colorant et des odeurs, même si c'est un peu plus difficile à distinguer.
 +
 
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Lorsque l'on superpose les filtres, les graviers en haut, puis le sable, puis le charbon actif, on élimine mieux les différents types de "polluants".
 +
 
 +
 
 +
''N.B : vérifier que certains éléments ne se retrouvent pas bloqués au niveau des bouchons percés. Dans ce cas il faut considérer qu'ils n'ont pas été arrêtés par le matériau filtrant testé, mais simplement que les trous pratiqués dans le bouchons auraient dû être un peu plus gros (sans pour autant laisser passer les matériaux qui constituent le filtre !).''
 +
|Avertissement=Le charbon actif contient souvent une fine poussière de charbon, qui peut assombrir l'eau filtrée et rendre plus difficile d'observer le résultat lors d'une première utilisation. On peut rincer le charbon actif à l'eau claire pour éliminer l'essentiel de cette poussière avant de réaliser l'expérience.
  
−
Si plusieurs mesures sont réalisées le même jour, on peut également récolter un échantillon d’eau à chaque lieu de mesure et comparer visuellement l’eau échantillonnée (on estime alors si l’eau est claire, ou plus ou moins trouble).
+
Ne pas mettre trop de "polluants" dans l'eau de départ, il faut pouvoir observer la différence de son degré de transparence entre les filtres. De même, si l'on met trop de colorant ou de produit odorant, on risque de saturer le mélange et de dépasser la capacité de nos "filtres" artisanaux.
−
|Avertissement=- Les conditions météorologiques (lumière, pluie, vent) peuvent faire varier fortement les résultats ;
+
|Explanations=Les graviers offrent un obstacle limité au passage de l'eau car il reste de grands espaces entre eux, où l'eau et une grande partie de ses éléments polluants peuvent passer. Ils retiennent donc les plus gros débris. Le sable, constitué de grains très fins, offre des espaces libres beaucoup plus petits pour le passage de l'eau, les débris les plus petits seront donc bloqués par la couche de sable. L'efficacité du charbon actif ne tient pas dans la taille des espaces entre ses grains mais dans sa capacité à piéger certaines substances chimiques, comme les polluants organiques qui dégradent la couleur et l'odeur de l'eau.
  
−
- L’agitation de l’eau.
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|Deepen=En plaçant les filtres les uns à la suite des autres, on fait passer l'eau dans des espaces de plus en plus fins pour effectuer une filtration mécanique et se débarrasser des débris des plus gros aux plus petits. Ce mécanisme de filtration mécanique peut être complété par une filtration chimique, basée sur le principe de l'adsorption : il s'agit de  la fixation de certains éléments chimiques à un matériau solide. Ici cette étape de filtration chimique est réalisée avec du charbon actif, qui capture certains polluants organiques : l'odeur du vinaigre et le colorant sont en partie fixés par la couche de charbon actif. Ajouter un matériau adsorbant permet d'améliorer la filtration  car on pourra éliminer plus d'éléments polluants qu'avec la seule filtration mécanique. Plus la couche filtrante est épaisse et plus l'eau mettra du temps à la traverser, donc plus le charbon actif pourra piéger de polluants, et donc mieux l'eau sera nettoyée.
  
 +
<br />
 +
|Applications=On utilise la filtration notamment dans les usines de production d'eau potable. Le passage de l'eau à travers des grilles puis à travers des filtres à sable aux grains de diamètre de plus en plus petit est une des étapes utilisées pour purifier l'eau et la rendre potable. Mais avant, on utilise des produits appelés coagulants et floculants pour agglomérer les particules contenues dans l'eau en « flocons » et les retenir plus facilement. La filtration n'élimine pas tous les polluants et les bactéries. On effectue donc ensuite une filtration sur membrane aux pores extrêmement petits (nanofiltration) pour éliminer les polluants organiques, par exemple ceux issus des engrais animaux. On procède aussi à une désinfection de l'eau par injection d'ozone ou passage sous des rayons UV, et en utilisant du chlore, pour éliminer les bactéries, qui passent à travers les filtres car elles sont microscopiques.
  
−
Attention, cette mesure est peu précise ! Elle peut servir de repère pour un suivi dans le temps ou une comparaison en fonction des saisons de l’état d’un cours d’eau. Elle peut également servir de mesure pour comparer l’état d’un cours d’eau en amont et en aval d’une perturbation (station d’épuration, canal, etc).
+
Ce traitement coûte cher, mais il permet d'avoir de l'eau potable directement au robinet chez nous, ce qui n'est pas le cas dans tous les pays. C'est pour cela, et aussi parce que nous la salissons et qu'il faudra la nettoyer après nos utilisations à la maison, que nous payons l'eau du robinet en fonction de la quantité que nous utilisons. La filtration constitue aussi une large part du traitement des eaux usées, dans les stations d'épuration.
−
|Explanations=La turbidité correspond à l’opacité (l’inverse de la transparence) d’un liquide, ici l’eau d’une rivière ou d’un lac par exemple, à cause de matières en suspension (comme de la terre) ou d’algues microscopiques.
 
  
−
Le disque de Secchi permet de déterminer la profondeur de pénétration de la lumière et donc la quantité de matière qui absorbe la lumière présente entre le disque et la surface de l’eau.
 
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|Deepen=En fonction de la turbidité de l’eau, des organismes différents vont se développer. En effet, certains préfèrent les eaux sombres, d’autres plus claires, plus ou moins riches en matières organiques.
 
  
 +
Les filtres à sable sont également très utilisés dans les piscines, les fermes aquacoles à terre ou l'industrie des boissons, où l'on trouve également des filtres contenant des granulés de terre de diatomée calcinée, matière aux pores très petits, qui constitue donc un excellent matériau de filtration mécanique.
  
−
La présence de matières organiques en suspension influe sur la présence de certains organismes photosynthétiques qui utilisent la lumière comme source d’énergie, en particulier les algues et les autres plantes aquatiques.
+
La filtration au charbon actif est très fréquente dans les fontaines à eau ou les carafes filtrantes, elle permet d'éliminer en grande partie les odeurs ou les goûts désagréables causés par certaines molécules parfois présentes dans l'eau (chlore, chloramines, ammoniac...), mais aussi certains composés chimiques toxiques, comme des métaux lourds, des pesticides ou des phénols. On utilise aussi le charbon actif pour filtrer l'air, comme dans les hottes installées dans les cuisines ou les litières pour chats.
−
|Applications=En automne et en hiver, les pluies sont fréquentes et entrainent beaucoup de terre et de sable dans les cours d’eau, qui peuvent alors devenir très troubles. Ceci peut parfois s’observer aussi en bord de mer, à l’embouchure des rivières et des ruisseaux, surtout dans les zones côtières où les terrains sont en pente et dans les régions tropicales, où il existe une saison des pluies très intense.
 
−
|Related=La fiche sur le bon état écologique : [[Bon état écologique]].
 
−
|Objectives=- Réaliser un instrument de mesure ;
 
  
−
- Faire des  mesures selon un protocole utilisé par les scientifiques ;
 
  
−
- Analyser des résultats ;
+
Dans la nature, les sols et les zones humides agissent comme des filtres naturels sur les eaux de ruissellement, à la fois par filtration mécanique, chimique et biologique :
  
−
- Comprendre la relation entre turbidité, qualité de l’eau et vie aquatique.
+
- ils retiennent les débris à travers les grains qui les constituent (filtration mécanique),  
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|Animation=Effectuer des mesures sur un site où il est possible de faire descendre le disque à la verticale dans l'eau avec au moins 2 mètres de profondeur, comme une jetée, un ponton ou un quai, ou depuis un bateau, dans un port ou au bord d'une rivière, d'un étang... 
 
  
−
{{Warning|Attention à la sécurité, la personne effectuant les mesures ne soit pas être seule et doit savoir nager !}}
+
- ils capturent un grand nombre de polluants dissous dans l'eau comme des pesticides, des engrais (nitrates, phosphates...), que certains types de sols tels que l'argile fixent très bien (adsorption : filtration chimique),  
  
 +
- les plantes et les bactéries qui se développent sur et dans les sols absorbent et transforment une partie de la matière organique et des polluants transportés par l'eau, comme les nitrates, les phosphates, les métaux lourds (filtration biologique).
  
−
Si l'on n'a pas la possibilité d'effectuer des mesures à l'extérieur et que l'on doit réaliser l'activité en salle, il est possible de fabriquer et de tester un disque de Secchi miniature. Pour cela il suffit de découper un disque de diamètre légèrement inférieur à celui du goulot d'une bouteille d'eau, et de glisser au centre du disque une ficelle de petit diamètre (mais suffisamment épaisse pour y tracer des graduations) sur laquelle on aura tracé des graduations très rapprochées, tous les 1 ou 2 centimètres par exemple. On leste l'extrémité de la ficelle, située juste sous le disque, avec un petit plomb ou un caillou.
 
  
 +
La capacité des sols à filtrer et stocker l'eau est très différente selon la composition des sols, c'est à dire les proportions des différents matériaux qui les composent (argile, calcaire, sables...), leur granulométrie (taille des grains), et leur épaisseur.
 +
|Objectives=*comprendre le principe de la filtration mécanique
 +
*observer que l'infiltration de l'eau dans le sol est différente selon la nature du sol, son épaisseur et sa granulométrie (taille des grains ou éléments qui composent le sol
 +
*faire le lien entre la filtration de l'eau et sa dépollution, et aborder le rôle des plantes et des bactéries dans ce processus
 +
*comprendre l'importance des sols, de la biodiversité et des zones humides dans le cycle naturel de l'eau et dans la qualité de l'eau
 +
|Animation=Cette expérience peut être par exemple proposée dans une séance consacrée au thème de l'eau, que ce soit pour mieux comprendre le cycle naturel ou le cycle domestique de l'eau (pour les étapes de filtration). Elle peut également s'inscrire dans une animation consacrée aux sols, et/ou aux zones humides.
 +
|Notes=- Les fonctions du sol: le sol filtre notre eau potable - Objectif-sol.ch : https://bodenreise.ch/fr/bodenfunktionen-boden-filtert-unser-trinkwasser/
  
−
Préparer ensuite plusieurs milieux de mesure : des bouteilles translucides que l'on remplit d'eau mélangée à une quantité plus ou moins importante de terre. On obtient des eaux de turbidité (transparence) différente. Il ne reste plus qu'à mesurer la turbidité de chaque eau en faisant descendre le mini-disque de Secchi dans chaque bouteille et en notant le nombre de graduations visibles avant sa disparition.
+
- L'eau dans les sols - GIS SOL : https://www.gissol.fr/thematiques/leau-dans-les-sols-319
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|Notes=http://envlit.ifremer.fr/var/envlit/storage/documents/dossiers/prelevementhydro/chapitre45.html
 
  
−
http://envlit.ifremer.fr/var/envlit/storage/documents/dossiers/prelevementhydro/chapitre34.html
+
- Comment l'eau de pluie devient-elle de l'eau souterraine propre ? - SIimplyScience : https://www.simplyscience.ch/fr/enfants/decouvre/comment-l-eau-de-pluie-devient-elle-de-l-eau-souterraine-propre
  
−
https://fr.wikipedia.org/wiki/Disque_Secchi
+
- Quand les sols filtrent les eaux usées : UCL Louvain : https://uclouvain.be/fr/sciencetoday/actualites/quand-les-sols-filtrent-les-eaux-usees.html
  
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https://www.youtube.com/watch?v=-_fin1MSRSM
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{{Tuto Status
 
{{Tuto Status
 
|Complete=Published
 
|Complete=Published
 
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Version du 27 janvier 2023 à 11:55

Cette expérience permet d'observer simplement le principe de filtration de l'eau par différents matériaux et de faire le lien avec la filtration naturelle de l'eau par le sols et les zones humides.

Auteur avatarMaud Milliet | Dernière modification 28/04/2023 par Quentin G.

Filtration de l eau Sans titre.png
Difficulté
Facile
Durée
20 minute(s)
Disciplines scientifiques
Science de la terre
Cette expérience permet d'observer simplement le principe de filtration de l'eau par différents matériaux et de faire le lien avec la filtration naturelle de l'eau par le sols et les zones humides.
Difficulté
Facile
Durée
20 minute(s)
Disciplines scientifiques
Science de la terre
<languages />
Licence : Attribution (CC-BY)

Introduction

L'eau qui coule sur la terre, dans les rivières, sur les parkings ou dans les champs ne donne pas envie de la boire. Elle est souvent pleine de terre, d'huile de voiture ou de produits chimiques agricoles.


Pourtant l'eau que l'on récupère dans les nappes phréatiques (dans le sol) est souvent propre. Nous allons voir pourquoi cette eau est propre et comment cela fonctionne.

Cette fiche expérience s’intègre dans le Parcours 1 : Fonctionnement d'un bassin versant. Elle est réalisée dans le cadre d'un partenariat avec l'agence de l'eau Loire - Bretagne. La fiche mise en page est disponible en pdf et téléchargeable ici.
  • Fichiers
Bouteille plastique
Item-bouteille plastique 500ml-bouteille-PET-1.jpg
Une bouteille, mais en plastique quoi
Saladier
Item-Saladier an-artistic-white-ceramic-bowl-on-a-white-background-picture-id97536357.jpg
Un saladier est un récipient de grande taille utilisé pour servir la salade. On peut également l'utiliser, par exemple, pour battre des œufs en neige. Il peut être en terre cuite, faïence, cristal taillé ou, de nos jours, en verre ou en matières plastiques.
Cuillère à soupe
Item-Cuillère à soupe cuillere-a-soupe-amefa-moderno-25mm-inox-1810-198x16cm 514183.jpg
Cuillère à soupe
Ciseaux
Item-ciseaux Pair of scissors with black handle 2015-06-07.jpg
Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.
Vrille
Item-Vrille 180px-Vrille.jpg
Une vrille est un outil manuel, avec en embout en spirale, permettant de faire des trous, d'un diamètre lié à la taille de l'outil, dans le bois1. C'est une sorte de mèche actionnée à la main.
Eau
Item-Eau t l chargement.jpeg
L'eau est une substance essentielle à la vie. Transparente, sans goût et sans odeur, on la consomme le plus souvent dans son état liquide.
Sable
[[File:]]
"Matériau granulaire constitué de petites particules provenant de la désagrégation de matériaux d'origine minérale (essentiellement des roches) ou organique (coquilles, squelettes de coraux, etc.) dont la dimension est comprise entre 0,063 mm (limon) et 2 mm (gravier) selon la définition des matériaux granulaires en géologie. Sa composition peut révéler jusqu'à 180 minéraux différents (quartz, micas, feldspaths) ainsi que des débris calcaires. (source Wikipédia)
Gravier
Item-Gravier grave-rock-background-PublicDomain-red.jpg
Le gravier est un granulat de roche. (Définition : Wikipédia)
Terre
[[File:]]
Elément solide de couleur brune où poussent les végétaux.
Herbe
Item-Herbe green-grass-1493898873qXe-PublicDomain-red.jpg
« Herbe » désigne couramment les graminées, notamment les graminées fourragères, qui constituent les herbages, les prairies et les pelouses, et les familles voisines par leur morphologie. (Définition (extrait) : Wikipedia)
Perles
[[File:]]
Perles en tous genre.s
Colorant
Item-Colorant th.jpg
Un colorant est une substance utilisée pour apporter une couleur à un objet à teinter.

En chimie, les groupement d'atomes dont l'absorption lumineuse cause la couleur s'appelle un chromophore. Un colorant soluble se désigne comme teinture, sinon c'est un pigment.

Dans les techniques d'application, comme la pharmacie ou la cuisine, un colorant peut contenir une combinaison de molécules solubles et de particules insolubles. En biologie, on parle de pigments plus que de colorants, dans tous les cas.
Charbon actif
Item-Charbon actif 800px-Activated Carbon-Self-CCBYSA2.5.jpg
Le charbon actif, aussi nommé charbon activé ou carbone activé, est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. (Définition : Wikipedia)
Vinaigre blanc
Item-Vinaigre blanc Vinaigre blanc-min.jpg
Le vinaigre d'alcool ou vinaigre blanc peut être obtenu à partir d'un alcool de betteraves. Le vinaigre blanc est un mélange d'eau et d'acide acétique à hauteur de 6 à 8%. L'acide acétique est obtenu par fermentation d'alcool de betterave ou de maïs.

Étape 1 - Réunir le matériel

  • 3 bouteilles en plastique transparent et au bouchon peu épais, comme des bouteilles d'eau ;
  • Un grand bocal ou autre récipient ;
  • Une grande cuillère ;
  • Une paire de ciseaux ;
  • Une vis ou une vrille ;
  • De l'eau ;
  • Du gravier ;
  • Du sable fin ;
  • De la terre ;
  • Des brindilles ou de l'herbe ;
  • De tous petits cailloux ou des perles ;
  • Du colorant ou de l'encre ;
  • En option, du charbon actif ;
  • En option, un liquide odorant, comme de la fleur d'oranger, ou du vinaigre.
Filtration de l eau Materiel expe filtration-red2.jpg




Étape 2 - Préparer le matériel

Préparer une eau "sale" dans le grand bocal en y ajoutant de l'eau, de la terre (environ une cuillère à soupe par litre d'eau), des brindilles ou de l'herbe, de petits gravillons et/ou des perles.


Ajouter quelques gouttes de colorant ou d'encre et quelques gouttes d'un produit odorant comme la fleur d'oranger. Mélanger.


Couper en deux les bouteilles, conserver les deux parties. Percer ensuite les bouchons de ces trois demi-bouteilles avec plusieurs grands trous à l'aide de la vis, on obtient des entonnoirs.


Poser chaque entonnoir, bouchon vers le bas, sur l'autre moitié restante de chaque bouteille (celle avec le culot). Puis :

  • Remplir à moitié le premier entonnoir de gravier ;
  • Remplir à moitié le deuxième entonnoir de sable fin ;
  • Remplir à moitié le troisième entonnoir de charbon actif.
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Étape 3 - Lancer l'expérience

  • Verser la même quantité d'eau "sale" dans les trois entonnoirs et observer.
  • Après avoir attendu que l'eau s'écoule, comparer le résultat pour chaque entonnoir, en regardant l'eau obtenue à la lumière, et en sentant le contenu du fond de bouteille. Vider le fond de bouteille situé sous l'entonnoir de charbon actif s'il est très rempli.
  • Prendre l'entonnoir contenant le sable pour le fixer au dessus de l'entonnoir de charbon actif, puis fixer l'entonnoir contenant le gravier par dessus les deux premiers
  • Verser de l'eau "sale" dans l'entonnoir d'en haut et observer
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Comment ça marche ?

Observations : que voit-on ?

Les débris les plus grossiers comme les brindilles et les plus gros cailloux sont bloqués par le filtre à gravier, le filtre à sable et le charbon actif.

Le filtre à gravier laisse par contre passer la terre, le colorant et les odeurs.

Le filtre à sable piège aussi en grande partie la terre, on voit que l'eau qui en sort est plus limpide.

Quand au charbon actif, il ne piège pas la terre mais élimine une partie du colorant et des odeurs, même si c'est un peu plus difficile à distinguer.

Lorsque l'on superpose les filtres, les graviers en haut, puis le sable, puis le charbon actif, on élimine mieux les différents types de "polluants".


N.B : vérifier que certains éléments ne se retrouvent pas bloqués au niveau des bouchons percés. Dans ce cas il faut considérer qu'ils n'ont pas été arrêtés par le matériau filtrant testé, mais simplement que les trous pratiqués dans le bouchons auraient dû être un peu plus gros (sans pour autant laisser passer les matériaux qui constituent le filtre !).

Mise en garde : qu'est-ce qui pourrait faire rater l'expérience ?

Le charbon actif contient souvent une fine poussière de charbon, qui peut assombrir l'eau filtrée et rendre plus difficile d'observer le résultat lors d'une première utilisation. On peut rincer le charbon actif à l'eau claire pour éliminer l'essentiel de cette poussière avant de réaliser l'expérience.

Ne pas mettre trop de "polluants" dans l'eau de départ, il faut pouvoir observer la différence de son degré de transparence entre les filtres. De même, si l'on met trop de colorant ou de produit odorant, on risque de saturer le mélange et de dépasser la capacité de nos "filtres" artisanaux.

Explications

Les graviers offrent un obstacle limité au passage de l'eau car il reste de grands espaces entre eux, où l'eau et une grande partie de ses éléments polluants peuvent passer. Ils retiennent donc les plus gros débris. Le sable, constitué de grains très fins, offre des espaces libres beaucoup plus petits pour le passage de l'eau, les débris les plus petits seront donc bloqués par la couche de sable. L'efficacité du charbon actif ne tient pas dans la taille des espaces entre ses grains mais dans sa capacité à piéger certaines substances chimiques, comme les polluants organiques qui dégradent la couleur et l'odeur de l'eau.


Plus d'explications

En plaçant les filtres les uns à la suite des autres, on fait passer l'eau dans des espaces de plus en plus fins pour effectuer une filtration mécanique et se débarrasser des débris des plus gros aux plus petits. Ce mécanisme de filtration mécanique peut être complété par une filtration chimique, basée sur le principe de l'adsorption : il s'agit de la fixation de certains éléments chimiques à un matériau solide. Ici cette étape de filtration chimique est réalisée avec du charbon actif, qui capture certains polluants organiques : l'odeur du vinaigre et le colorant sont en partie fixés par la couche de charbon actif. Ajouter un matériau adsorbant permet d'améliorer la filtration car on pourra éliminer plus d'éléments polluants qu'avec la seule filtration mécanique. Plus la couche filtrante est épaisse et plus l'eau mettra du temps à la traverser, donc plus le charbon actif pourra piéger de polluants, et donc mieux l'eau sera nettoyée.


Applications : dans la vie de tous les jours

On utilise la filtration notamment dans les usines de production d'eau potable. Le passage de l'eau à travers des grilles puis à travers des filtres à sable aux grains de diamètre de plus en plus petit est une des étapes utilisées pour purifier l'eau et la rendre potable. Mais avant, on utilise des produits appelés coagulants et floculants pour agglomérer les particules contenues dans l'eau en « flocons » et les retenir plus facilement. La filtration n'élimine pas tous les polluants et les bactéries. On effectue donc ensuite une filtration sur membrane aux pores extrêmement petits (nanofiltration) pour éliminer les polluants organiques, par exemple ceux issus des engrais animaux. On procède aussi à une désinfection de l'eau par injection d'ozone ou passage sous des rayons UV, et en utilisant du chlore, pour éliminer les bactéries, qui passent à travers les filtres car elles sont microscopiques.

Ce traitement coûte cher, mais il permet d'avoir de l'eau potable directement au robinet chez nous, ce qui n'est pas le cas dans tous les pays. C'est pour cela, et aussi parce que nous la salissons et qu'il faudra la nettoyer après nos utilisations à la maison, que nous payons l'eau du robinet en fonction de la quantité que nous utilisons. La filtration constitue aussi une large part du traitement des eaux usées, dans les stations d'épuration.


Les filtres à sable sont également très utilisés dans les piscines, les fermes aquacoles à terre ou l'industrie des boissons, où l'on trouve également des filtres contenant des granulés de terre de diatomée calcinée, matière aux pores très petits, qui constitue donc un excellent matériau de filtration mécanique.

La filtration au charbon actif est très fréquente dans les fontaines à eau ou les carafes filtrantes, elle permet d'éliminer en grande partie les odeurs ou les goûts désagréables causés par certaines molécules parfois présentes dans l'eau (chlore, chloramines, ammoniac...), mais aussi certains composés chimiques toxiques, comme des métaux lourds, des pesticides ou des phénols. On utilise aussi le charbon actif pour filtrer l'air, comme dans les hottes installées dans les cuisines ou les litières pour chats.


Dans la nature, les sols et les zones humides agissent comme des filtres naturels sur les eaux de ruissellement, à la fois par filtration mécanique, chimique et biologique :

- ils retiennent les débris à travers les grains qui les constituent (filtration mécanique),

- ils capturent un grand nombre de polluants dissous dans l'eau comme des pesticides, des engrais (nitrates, phosphates...), que certains types de sols tels que l'argile fixent très bien (adsorption : filtration chimique),

- les plantes et les bactéries qui se développent sur et dans les sols absorbent et transforment une partie de la matière organique et des polluants transportés par l'eau, comme les nitrates, les phosphates, les métaux lourds (filtration biologique).


La capacité des sols à filtrer et stocker l'eau est très différente selon la composition des sols, c'est à dire les proportions des différents matériaux qui les composent (argile, calcaire, sables...), leur granulométrie (taille des grains), et leur épaisseur.

Éléments pédagogiques

Objectifs pédagogiques

  • comprendre le principe de la filtration mécanique
  • observer que l'infiltration de l'eau dans le sol est différente selon la nature du sol, son épaisseur et sa granulométrie (taille des grains ou éléments qui composent le sol
  • faire le lien entre la filtration de l'eau et sa dépollution, et aborder le rôle des plantes et des bactéries dans ce processus
  • comprendre l'importance des sols, de la biodiversité et des zones humides dans le cycle naturel de l'eau et dans la qualité de l'eau

Pistes pour animer l'expérience

Cette expérience peut être par exemple proposée dans une séance consacrée au thème de l'eau, que ce soit pour mieux comprendre le cycle naturel ou le cycle domestique de l'eau (pour les étapes de filtration). Elle peut également s'inscrire dans une animation consacrée aux sols, et/ou aux zones humides.

Sources et ressources

- Les fonctions du sol: le sol filtre notre eau potable - Objectif-sol.ch : https://bodenreise.ch/fr/bodenfunktionen-boden-filtert-unser-trinkwasser/

- L'eau dans les sols - GIS SOL : https://www.gissol.fr/thematiques/leau-dans-les-sols-319

- Comment l'eau de pluie devient-elle de l'eau souterraine propre ? - SIimplyScience : https://www.simplyscience.ch/fr/enfants/decouvre/comment-l-eau-de-pluie-devient-elle-de-l-eau-souterraine-propre

- Quand les sols filtrent les eaux usées : UCL Louvain : https://uclouvain.be/fr/sciencetoday/actualites/quand-les-sols-filtrent-les-eaux-usees.html


Dernière modification 28/04/2023 par user:Quentin G..

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