Filtration de l'eau

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

Easy Facile

Durée

20 minute(s) minute(s)

Disciplines scientifiques

Science de la terre

Eau, Pollution, Sols, Filtration Filtration_de_l_eau_Sans_titre.png

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 version PDF et téléchargeable ici.

• Matériel et outils
• Fichiers

Bouteille plastique

Une bouteille, mais en plastique quoi

Bouteille plastique

Saladier

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.

Saladier

Cuillère à soupe

Cuillère à soupe

Cuillère à soupe

Ciseaux

Un paire de ciseaux est un outil comportant deux lames mobiles articulées qui glissent l'une sur l'autre pour trancher les matériaux minces.

Ciseaux

Vrille

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.

Vrille

Eau

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.

Eau

Sable

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"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)

Sable

Gravier

Le gravier est un granulat de roche. (Définition : Wikipédia)

Gravier

Terre

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Elément solide de couleur brune où poussent les végétaux.

Terre

Herbe

« 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)

Herbe

Perles

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Perles en tous genre.s

Perles

Colorant

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.

Colorant

Charbon actif

Le charbon actif, aussi nommé charbon activé ou carbone activé, est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. (Définition : Wikipedia)

Charbon actif

Vinaigre blanc

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.

Vinaigre blanc

Fiche_13_Filtration_de_l_eau_par_le_sol.pdf

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 ;
• Optionnel : du charbon actif ;
• Optionnel : un liquide odorant (fleur d'oranger par exemple) ou du vinaigre.

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 deux des bouchons de ces trois demi-bouteilles avec plusieurs grands trous à l'aide de la vis, on obtient des entonnoirs. Percer le dernier bouchon de trous plus petits.

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, celui au bouchon percé de petits trous, de sable fin ;
• Remplir à moitié le troisième entonnoir de charbon actif.

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

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 ?

Les trous percés dans le bouchon de la bouteille contenant le sable ne doivent pas être trop grands, sinon le sable risque de passer à travers. S’il est trop tard et que le sable traverse le bouchon en trop grande quantité, ajouter un petit morceau de gaze (compresse) ou de papier absorbant dans le bouchon, sous la couche de sable. Cela ajoute un élément filtrant qui aura aussi un effet mécanique. Celui-ci ne devrait pas perturber le résultat de l’expérience, puisque la plupart des petits éléments contenus dans l’eau sont déjà bloqués par le sable situé au dessus tout en laissant passer les éléments dissous comme le colorant et les odeurs.

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.

L'expérience peut également être animée en format "défi" : on peut proposer aux participants de tester et trouver la technique de filtration la plus efficace avec le matériel mis à disposition. On peut par exemple décomposer le défi en demandant aux dans un premier temps de trouver quel(s) matériau(x) de filtration permettent d'éliminer spécifiquement chacun des éléments présents dans l'eau : brindilles, terre, colorant, odeur... puis inviter les participants à composer leur "filtre idéal" en leur indiquant qu'ils peuvent superposer des matériaux à l'aide de plusieurs entonnoirs.

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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