Différences entre les pages « Les pollutions invisibles » et « Filtration de l'eau »

 
 
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{{Tuto Details
 
{{Tuto Details
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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=Dans cette expérience, nous allons tester une eau d’aspect ordinaire à l’aide de produits du quotidien et réaliser des réactions chimiques pour mieux comprendre les phénomènes de pollutions invisibles dans nos cours d'eau.
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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=Chemistry, Life Sciences
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|Disciplines scientifiques=Earth Sciences
 
|Difficulty=Easy
 
|Difficulty=Easy
 
|Duration=20
 
|Duration=20
 
|Duration-type=minute(s)
 
|Duration-type=minute(s)
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|Tags=Pollution, eau, microscopique
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|Tags=Eau, Pollution, Sols, Filtration
 
}}
 
}}
 
{{Introduction
 
{{Introduction
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|Introduction=Une eau transparente et sans odeur est-elle forcément une eau propre ?
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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 2 : Problématiques.  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 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
 
|ItemList={{ItemList
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|Item=Bocal en verre
+
|Item=Bouteille plastique
 
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−
|Item=Vinaigre blanc
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|Item=Saladier
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|Item=Cuillère à soupe
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|Item=Ciseaux
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|Item=Vrille
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 +
|Item=Eau
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 +
|Item=Sable
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|Item=Gravier
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|Item=Terre
 
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|Item=Bicarbonate
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|Item=Herbe
 
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−
|Item=Bouilloire
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|Item=Perles
 
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−
|Item=Cuillère à café
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|Item=Colorant
 
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−
|Item=Encre effaçable
+
|Item=Charbon actif
 
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|Item=Eau
+
|Item=Vinaigre blanc
 
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|Tuto_Attachments={{Tuto Attachments
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|Attachment=Filtration_de_l_eau_13_Fiche-filtration-sol-complete-2.pdf
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{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
 
|Step_Title=Réunir le matériel
 
|Step_Title=Réunir le matériel
−
|Step_Picture_00=Encre_invisible_IMG20200319165311.redimensionne.jpg
+
|Step_Content=*3 bouteilles en plastique transparent et au bouchon peu épais, comme des bouteilles d'eau ;
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*Un grand bocal ou autre récipient ;
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*Une grande cuillère ;
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*Une paire de ciseaux ;
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*Une vis ou une vrille ;
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*De l'eau ;
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*Du gravier ;
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*Du sable fin ;
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*De la terre ;
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*Des brindilles ou de l'herbe ;
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*De tous petits cailloux ou des perles ;
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*Du colorant ou de l'encre ;
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*En option, du charbon actif ;
 +
*En option, un liquide odorant, comme de la fleur d'oranger, ou du vinaigre.
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|Step_Picture_00=Filtration_de_l_eau_Materiel_expe_filtration-red2.jpg
 
}}
 
}}
 
{{Tuto Step
 
{{Tuto Step
−
|Step_Title=Préparer "l'eau mystère"
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|Step_Title=Préparer le matériel
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|Step_Content=Faire chauffer de l’eau à l’aide de la bouilloire avant de la verser dans le bocal.  
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|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.  
  
−
{{Warning|Attention à utiliser un bocal supportant les fortes températures, comme par exemple un pot de confiture vide.}}
 
  
 +
Ajouter quelques gouttes de colorant ou d'encre et quelques gouttes d'un produit odorant comme la fleur d'oranger. Mélanger.
  
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Percer la cartouche d'encre effaçable, la vider dans le bocal d'eau très chaude, puis remuer à l'aide de la petite cuillère.
 
  
 +
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.
  
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Que se passe-t-il ?
 
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|Step_Picture_00=Encre_invisible_IMG20200319165431.redimensionne.jpg
 
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|Step_Picture_01=Encre_invisible_IMG20200319165443.redimensionne.jpg
 
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}}
 
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{{Tuto Step
 
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|Step_Title=Réaliser l'expérience
 
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|Step_Content=Ajouter un peu de vinaigre dans le bocal. Que remarque-t-on ?
 
  
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Poser chaque entonnoir, bouchon vers le bas, sur l'autre moitié restante de chaque bouteille (celle avec le culot). Puis :
  
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Que se passe-t-il si l’on ajoute à nouveau du bicarbonate et qu’on mélange le tout ?
+
*Remplir à moitié  le premier entonnoir de gravier ;
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|Step_Picture_00=Encre_invisible_IMG20200319165542.redimensionne.jpg
+
*Remplir à moitié le deuxième entonnoir de sable fin ;
−
|Step_Picture_01=Encre_invisible_IMG20200319165616.redimensionne.jpg
+
*Remplir à moitié le troisième entonnoir de charbon actif.
−
|Step_Picture_02=Encre_invisible_IMG20200319165633.redimensionne.jpg
+
|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
 
}}
 
}}
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{{Notes
+
{{Tuto Step
−
|Observations=-  Sous l'effet de l'eau chaude, on obtient un liquide transparent, l'encre n'est plus visible ;
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|Step_Title=Lancer l'expérience
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|Step_Content=Verser la même quantité d'eau "sale" dans les trois entonnoirs et observer.
  
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-  Quand on ajoute du vinaigre au mélange, la couleur de l'encre réapparaît ;
 
  
−
-  Si l'on ajoute du bicarbonate, la couleur disparaît à nouveau.
+
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.
−
|Avertissement=Il est très important d'utiliser de l'encre effaçable (cette propriété est indiquée sur l'emballage).
 
−
|Explanations=On appelle pigments les éléments qui donnent leurs couleurs à des produits comme l'encre. Dans cette expérience, en ajoutant de l'eau chaude, on a transformé le pigment bleu de l'encre, en le rendant incolore.
 
  
−
Ce pigment change de couleur selon l'acidité : quand on ajoute un produit acide comme le vinaigre, le mélange devient acide, et le pigment redevient bleu. En ajoutant du bicarbonate, qui est basique (le contraire d'acide en chimie), le mélange finit lui aussi par devenir basique et le pigment redevient donc incolore.
 
−
|Deepen=La molécule du pigment qui colore l'encre a été modifiée par l'eau chaude, le mélange est alors devenu incolore grâce à la forme basique de l’eau. L’eau est ampholyte, c’est à dire qu’elle se comporte en acide en présence de base, et en base en présence d’acide. Ici, le pigment est un acide, donc l’eau adopte un comportement basique et fait disparaître la couleur bleue en modifiant la molécule du pigment.
 
  
 +
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.
  
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L’eau chaude accélère la réaction. Sans chaleur, la réaction serait beaucoup plus longue. Ici, la chaleur est donc un catalyseur.
 
  
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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
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|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
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{{Notes
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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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Dans cette expérience, les molécules modifiées sont sensibles au pH (c'est à dire à l'acidité du milieu). Quand on ajoute le vinaigre, la solution devient acide, et les molécules subissent une nouvelle transformation : elles reprennent leur état d’origine et le mélange est à nouveau bleu.
+
- Le filtre à gravier laisse par contre passer la terre, le colorant et les odeurs ;
  
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Quand on ajoute un produit basique comme ici le bicarbonate de sodium, il réagit avec le mélange et fait disparaître la couleur de l’encre à nouveau, car on neutralise l’acidité du vinaigre. On obtient ainsi une solution basique, ce qui provoque la disparition de la couleur bleue.
+
- 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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- Quant 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 ;
  
−
Si on ajoute encore du vinaigre, il va se trouver en plus grande quantité que le bicarbonate de sodium (il n'y a plus assez de bicarbonate de sodium pour "occuper" tout le vinaigre). Le vinaigre va donc une fois de plus réagir avec la molécule modifiée, qui retrouvera son état d'origine et va encore colorer le mélange en bleu.
+
- 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".
  
−
La composition des encres bleues effaçables est souvent secrète, et diffère selon les marques. Leur couleur bleue est obtenue avec des dérivés d'aniline, notamment le bleu d'aniline. Les effaceurs vendus dans le commerce contiennent du bisulfite de sodium, qui réagit avec le bleu d'aniline en formant un produit incolore. Il s'agit d'une réaction d'oxydo-réduction.
 
  
 +
''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 !).''
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|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.
  
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Cette expérience montre que tous les produits contenus dans l’eau ne sont pas forcément visibles. C’est notamment le cas de nombreux polluants, que l’on ne peut détecter qu’en réalisant des analyses. Certains produits, qu’on appelle des réactifs, révèlent la présence de polluants invisibles en provoquant une réaction chimique qui colore l'eau.
+
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.
 +
|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.
  
 
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|Applications=Chacun d'entre nous possède une multitude de produits pour des utilisations différentes. Avant de les utiliser ou de les mélanger, il est important de connaître leur composition et les réactions qu'ils peuvent créer.
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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.  
  
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Le vinaigre est un bon exemple, on peut l’utiliser de nombreuses manières : pour le ménage, en cuisine... Il peut servir à enlever des taches, mais doit être utilisé avec précautions, car il fait blanchir certaines surfaces comme le granit.
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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.
  
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|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.
  
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Un grand nombre d’éléments invisibles peuvent être présents dans nos cours d'eau, et certains sont très polluants. Pourtant, la plupart du temps, on pourrait croire que l'eau est « propre » lorsqu’on l’observe à l’oeil nu. Cependant, si l’on examine l’eau au microscope, ou qu'on réalise des analyses, on peut souvent s’apercevoir que l'eau n'est pas aussi propre qu’elle n'en a l’air.
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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.
  
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La pollution de l'eau est présente sur toute la surface de la Terre et touche l’eau sous toutes ses formes (cours d'eau, océans, pluie, neige, glaces polaires...).
 
  
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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.
  
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Une activité ou un produit de l’activité humaine qui libère des produits dangereux pour l’environnement ou la santé est appelé une source de pollution.  
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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.
  
  
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'''<big>Les principales sources de pollution de l’eau</big>'''
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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 :
  
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- Ils retiennent les débris à travers les grains qui les constituent (filtration mécanique) ;
  
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'''La pollution domestique'''
+
- 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) ;
  
−
Elle provient des habitations et des bâtiments collectifs (écoles, commerces, hôpitaux...).
+
- 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).
  
−
En moyenne sur la planète, un habitant consomme 137 litres d'eau par jour*, dont la quasi-totalité est rejetée. Ce sont des eaux usées issues de la cuisine, de la salle de bain mais également des toilettes. Elles contiennent de nombreux polluants : des graisses, savons, détergents, matières en suspension, matières organiques ou minérales dissoutes, et plusieurs milliards de bactéries.
 
  
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<nowiki>*</nowiki> ''selon l'UNICEF en 2022''  
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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.
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|Objectives=- Comprendre le principe de la filtration mécanique ;
  
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- 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) ;
  
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Les déchets ménagers font aussi partie de la pollution domestique. Un français jette environ 1 kilo de déchets par jour** (plastiques, métaux, piles, ampoules...). Leur rejet dans la nature pollue les rivières et les nappes souterraines. Par exemple, une bouteille plastique peut mettre jusqu'à 1000 ans à se dégrader, et pollue la nature pendant toute sa durée de vie.
+
- Faire le lien entre la filtration de l'eau et sa dépollution, et aborder le rôle des plantes et des bactéries dans ce processus ;
  
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<nowiki>**</nowiki> ''selon l'ADEME en 2022''
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- 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.
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|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.
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|Notes=- Les fonctions du sol : le sol filtre notre eau potable - Objectif-sol.ch : https://bodenreise.ch/fr/bodenfunktionen-boden-filtert-unser-trinkwasser/
  
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- L'eau dans les sols - GIS SOL : https://www.gissol.fr/thematiques/leau-dans-les-sols-319
  
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'''La pollution agricole'''
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- 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
  
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Elle représente la première source de pollution des ressources en eau. Les pollutions agricoles regroupent les pollutions liées à la culture, mais également à l'élevage. Les principales sources de pollution sont les engrais, les lisiers et les purins d'élevage ainsi que les produits phytosanitaires.  
+
- 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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Les engrais utilisés par l'agriculture contiennent de l'azote, et ses dérivés les nitrites et les nitrates. À l'échelle nationale, l'agriculture représente 33 à 66 % de la pollution en azote de l'eau.
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'''La pollution industrielle'''
 
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Les pollutions liées aux industries et les polluants qu’elles génèrent varient beaucoup en fonction du type d’activités. Les principales industries produisant des polluants sont les usines agroalimentaires (matières organiques, graisses), les usines de fabrication de papier, la chimie et l'industrie du cuir (divers produits chimiques), la métallurgie et les traitements des surfaces (métaux), le transport (hydrocarbures), les centrales nucléaires (déchets radioactifs et eaux chaudes utilisées dans les circuits de refroidissement).
 
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'''<big>Les principaux types de polluants</big>'''
 
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'''Les matières organiques''' ont durant très longtemps constitué les principaux polluants des milieux aquatiques. Elles proviennent des déchets domestiques (ordures ménagères, excréments), agricoles (lisiers) ou industriels (papeterie, tanneries, abattoirs, laiteries, …). Leur présence peut, en forte concentration, engendrer une asphyxie de la faune aquatique (manque d'oxygène), qui menace particulièrement les poissons.
 
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Les '''hydrocarbures''' sont présents dans les rejets des usines, garages et stations-services, et dans l’eau qui ruisselle sur les routes. En trop grande quantité, ils peuvent s’avérer très toxiques pour la faune et la flore aquatiques. Les pollutions aux hydrocarbures ne sont malheureusement pas rares. Plusieurs fois par an, le milieu marin subit des marées noires dues aux accidents ou aux rejets (parfois volontaires) d’hydrocarbures par des navires pétroliers.
 
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La '''pollution métallique''' est un problème très préoccupant, en raison de sa toxicité et de son accumulation dans la chaîne alimentaire : un humain qui consomme un poisson contaminé accumule non seulement les métaux contenus dans ce poisson mais également ceux contenus dans les proies que celui-ci avait mangées auparavant. Les métaux qui peuvent polluer l’eau, tels que l’aluminium, l’arsenic, le chrome, le cuivre, et les métaux lourds (mercure, plomb...), sont très dangereux pour la santé humaine. Ils proviennent des rejets d'usines, de l'épandage sur les sols agricoles, des boues de stations d'épuration, des eaux de ruissellement, et ne sont pas biodégradables.
 
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La '''pollution chimique''' provient de l'insuffisance des stations d'épurations, de l'absence des réseaux d'assainissement, du lessivage des sols, des ruissellement de la pluie sur la route et les toits des industries. Depuis le début des années 1950, de nombreuses régions industrielles subissent des pluies acides dues à la pollution de l'air par des gaz et des particules. Ces pluies endommagent fortement les forêts, les sols, les lacs et les rivières.
 
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La '''pollution thermique''' est de plus en plus présente. Elle est causée par les eaux de refroidissement de certaines industries. L'eau est pompée dans les cours d'eau ou dans le milieu marin, puis rejetée avec une température plus élevée de 4 à 5°C. Cela déséquilibre le milieu naturel et la vie des espèces aquatiques (reproduction perturbée, prolifération d'espèces nuisibles...).
 
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La '''pollution radioactive''' est rare, mais des accidents nucléaires comme celui survenu dans la centrale de Tchernobyl en 1986 peuvent avoir des conséquences désastreuses sur la santé humaine et l’environnement.
 
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'''<big>Évaluer la qualité d’une eau</big>'''
 
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On note la qualité d'une eau à l'aide de tableaux de critères dont la qualité est représentée par 5 couleurs :
 
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- Le bleu indique que l’eau est de très bonne qualité
 
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- Le vert indique que l’eau est de bonne qualité
 
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- Le jaune indique que l’eau est de qualité moyenne
 
−
 
 
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- Le rose indique que l’eau est de mauvaise qualité
 
−
 
 
−
- Le rouge indique que l’eau est de très mauvaise qualité
 
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Les études de la qualité des eaux se composent de trois parties : l'échantillonnage (c’est le prélèvement de l'eau), l'analyse et l'interprétation des résultats.
 
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Pour déterminer la pollution chimique et physique, on utilise la méthode du SEQ'eau, basée sur les paramètres chimiques (concentration en nitrites, nitrates, ammonium et phosphates), et physiques (température, pH, conductivité, salinité, taux d’oxygène...). On compare les résultats à un tableau de référence, où la qualité est représentée par une couleur.
 
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Pour évaluer la qualité globale d'une eau, on considère le paramètre dont la qualité la plus mauvaise. En général, il s’agit de la concentration en nitrates.
 
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Il existe également des méthodes d'analyses biologiques pour mesurer la pollution de l'eau. L'IBGN (Indice Biologique Global Normalisé) se base sur la diversité et les espèces de macro-invertébrés présents dans l'eau. L'IPR (Indice Poisson Rivière), l'Indice Biologique Diatomées, l'Indice macrophytes sont également des méthodes d'analyses biologiques de l'eau qui se basent sur la présence d’organismes vivants appelés « bioindicateurs ».
 
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Les méthodes microbiologiques permettent de déterminer la concentration en microorganismes qui peuvent causer des maladies : virus, bactéries, ou champignons, nombreux dans les eaux de notre planète. Les bactéries susceptibles de provoquer des maladies, comme'' Pseudomonas'', ''Escherichia coli'' ou ''Legionella'' figurent parmi les micro-organismes les plus recherchés.<br />
 
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|Objectives=- Comprendre l'impact d'un produit sur les molécules et la notion de réaction chimique ;
 
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- Illustrer les réactions acides-bases et montrer qu'elles sont réversibles ;
 
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- Montrer qu’un produit peut être présent dans l’eau sans être visible, et faire le lien avec les différentes pollutions de l’eau.
 
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|Animation=L'animateur·trice peut présenter cette expérience en mode "Défi, trouver l'eau "propre"" :
 
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Parmi 3 échantillons (une bouteille contenant de l'eau, une bouteille contenant un mélange d’eau et d’encre déjà invisible, une bouteille contenant un mélange d'eau et de vinaigre en grande quantité), le défi est de retrouver l'eau qui contient le moins d'éléments polluants, autrement dit la plus "propre" et la plus adaptée pour abriter des organismes aquatiques.
 
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On mettra à disposition des participants des bocaux et différents produits pour observer les réactions du liquide à tester. Parmi ces produits, on peut proposer un ou plusieurs acides qui révéleront la présence de l'encre en faisant réapparaître la couleur bleue : le vinaigre, mais aussi du jus de citron par exemple. On peut également mettre à disposition quelques petits coquillages, qui provoqueront une formation de bulles au contact de l'eau vinaigrée (et finiront par se dissoudre, ce qui indique l'acidité de l'eau), cela permet de conclure que des organismes (ici des coquillages) ne pourraient sans doute pas vivre dans ce milieu.
 
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Il est également intéressant de proposer aux participants des produits qui n'auront pas d'effet sur les trois eaux à tester (comme du sucre ou du sel), afin qu'ils identifient avec méthode quels sont les produits qui provoquent une réaction et permettent de révéler ou de soupçonner la présence d'éléments "polluants" contenus dans l'eau.
 
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Mettre à disposition du bicarbonate de sodium permet d'observer que la réaction qui fait apparaître l'encre est réversible si l'on augmente le pH (autrement dit qu'on ajoute un produit basique) de l'eau. Cette réaction peut être complète si l'on ajoute de l'eau chaude ou que l'on chauffe l'eau testée, car, comme cela a été expliqué plus haut, la chaleur joue le rôle de catalyseur pour cette réaction.
 
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|Notes=Un article très détaillé sur les réactions et produits en jeu dans cette expérience est disponible ici : http://atchimiebiologie.free.fr/effaceur/effaceur.html
 
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Vidéo de l'expérience "Couleurs qui changent" menée par les animateurs des petits débrouillards sur la chaine Youtube ''Jus de citron'' :
 
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https://www.youtube.com/watch?v=cYDrdExxAoQ&index=1&list=PLh-wFno1NyFxivBpvZvyaSwoFYvksYP3n
 
 
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Version du 27 janvier 2023 à 12:30

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
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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.
Filtration de l eau Eau sale-red.jpg
Filtration de l eau Percement bouchons-red.jpg
Filtration de l eau 3 filtres-red.jpg


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

Filtration de l eau Filtration en cours-red.jpg
Filtration de l eau Resultats filtration-red.jpg
Filtration de l eau Filtres superposes-red.jpg
Filtration de l eau Resultat filtres superposes-red.jpg


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 ;

- Quant 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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