Les sulfates sont des éléments d’occurrence naturelle pouvant être catégorisée comme étant des sels d’acide sulfurique. Le sulfate est un oxoanion de souffre qui s’obtient grâce à la déprotonation des groupes OH dans l’acide sulfurique. La déprotonation des groupes OH est une réaction chimique qui vient retirer le proton H+ de la molécule. C’est d’ailleurs la raison pourquoi on qualifie les sulfates d’oxoanion.
- À titre informatif, on définit les oxoanion comme étant un anion formé dû à la perte d’un cation d’hydrogène au détriment d’un atome d’oxygène.
Sa composition de base consiste en des atomes d’oxygène et des atomes de soufres (SO4-2). Dus à la présence d’un atome de soufre (+6) et 4 atomes d’oxygène (-2), les ions de sulfates possèdent une charge ionique de -2. C’est grâce à cette charge ionique négative que les sulfates ont la capacité de se lier à certains éléments dit cationique comme le potassium, le sodium ou le magnésium. Lorsque des liaisons se forment, on obtient des composés très répandus dans nos vies comme les sulfates de magnésium.
Il existe un deuxième groupe de sulfate qui, au contraire du premier qui se compose de sel d’acide sulfurique, est composé de carbone. Dans ce deuxième groupe, les atomes d’hydrogène de l’acide sulfurique ont été échangés par des composés d’ester, soit des groupes combinés contenant du carbone tel l’éthyle.
Il existe un deuxième groupe de sulfate qui, au contraire du premier qui se compose de sel d’acide sulfurique, est composé de carbone. Dans ce deuxième groupe, les atomes d’hydrogène de l’acide sulfurique ont été échangés par des composés d’ester, soit des groupes combinés contenant du carbone tel l’éthyle.
Sulfure, sulfite ou sulfate
Avant d’aller plus loin, afin de bien comprendre et différencier les sulfates, il faut s’attarder au sulfure et au sulfite. Bien qu’ils soient tous les trois des dérivés du souffre, ces trois éléments sont très différents et réagissent de manière complètement divergente.
Sans rentrer dans les détails, le sulfure est un ion de soufre ayant gagné deux électrons. Le sulfite et le sulfate sont des atomes polyatomiques construits de sulfure et d’atomes d’oxygène. Le sulfite (SO3-2) consiste en un atome de sulfure et trois atomes d’oxygène. Le sulfate (SO4-2), quant à lui, se constitue d’un atome de sulfure et quatre atomes d’oxygène.
Typiquement, les sulfites sont des composés chimiques possédant des propriétés antioxydantes et antibactériennes, ce qui fait de ceux-ci une solution par excellence pour la conservation de certains produits du quotidien comme les vins.
D'où viennent-ils?
Avant d’entamer les sources de sulfate pouvant influencer la composition de l’eau, nous jugeons important de préciser que les différentes formes du sulfate font que celui-ci peut se retrouver dans l’air ou dans l’eau. De plus, l’impact de sa présence peut varier en fonction du type de sulfate et de son état.
À des fins pratiques, il est important de préciser que tous les sulfates ne sont pas solubles. Par exemple, les sulfates de calcium, de baryum et de différents métaux lourds ne sont pas solubles. Alors que les sulfates de sodium, potassium et magnésium le sont.
Les sources naturelles
Du fait que le sulfate est un composé d’occurrence naturelle et qu’il est très répandu sur terre, sa présence dans l’eau est entre autres causée par l’érosion des sols. En effet, lorsque l’eau s’écoule et érode des minéraux possédant des traces de soufres ou de sulfate, ces derniers peuvent s’accumuler dans l’eau. C’est pourquoi il est commun de retrouver des traces de sulfates dans les eaux souterraines cristallines. De plus, il est reconnu que plus l’eau est captée profondément, plus les concentrations de sulfate sont élevées.
D’ailleurs, il existe des dizaines de minéraux possédants du sulfate (SO4-2) dans leur composition chimique. On peut notamment penser aux exemples suivants :
- L'alum
- Gypse
- Kaïnite
C’est donc sous forme de matières dissoutes que les sulfates se retrouvent dans l’eau la plupart du temps.
Comment les matières se dissolvent dans l'eau?
La dissolution d’une matière quelconque (soluté) s’effectue grâce à l’interaction et aux forces d’attraction qui sont présentent entre le soluté et la solution. Ce qui signifie que lorsque la force d’attraction entre le soluté et la solution est plus forte que la force de tension entre les ions formant le soluté, ceux-ci se brisent pour aller se joindre à la solution. Prenons par exemple l’ajout de NaCl dans un échantillon d’H2O pour former de l’eau salée. Bref, les liaisons covalentes entre le Na & l’CL étant moins fortes que la force d’attirance entre le Na & l’H2O, ces liaisons covalentes seront brisées et le NaCl ira se lier ioniquement aux molécules d’eau. C’est dû à ces réactions que les matières variées peuvent se dissoudre dans l’eau.
- Petite parenthèse, l’eau est reconnue comme étant un solvant universel puisque sa composition chimique fait qu’elle peut s’associer à une très grande variété de molécules.
C’est typiquement de cette manière que les sulfates se retrouvent dans l’eau de façon naturelle.
Les activités humaines comme source de sulfates
Étant donné que la production de sulfates synthétique est relativement simple, son utilisation est très répandue dans bien des secteurs. Il existe deux méthodes afin de produire du sulfate synthétique.
- Via l’oxydation des sulfites et des sulfures métalliques.
- Par traitement de l’oxyde métallique, de l’hydroxyde métallique et du métal pur par l’acide sulfurique
Bref, l’utilisation des sulfates et de ses dérivés est très répandue dans plusieurs secteurs industriels. Par exemple, on retrouve des traces importantes de sel de sulfate dans le secteur alimentaire. C’est entre autres dans les suppléments alimentaires, le pain ou les fruits & légumes en conserve que ces sels sont le plus concentrés.
En plus du secteur alimentaire, les dérivés du sulfate sont utilisés à bien des escients. En voici quelques exemples communs :
- Dans le secteur du traitement des eaux, on retrouve le sulfate de cuivre qui est utilisé comme algicide et le sulfate de baryum;
- Les différentes activités de construction ou d’art utilisent souvent du sulfate de calcium hydraté servant à la fabrication de plâtre ;
- Les dentifrices, les savons, les shampooings et maints autres produits de ce type possèdent très souvent des composés sulfatés.
- Finalement, les sulfates sont souvent ajoutés à des produits nettoyants afin de les améliorer puisque les sulfates sont des tensioactifs puissants.
Évidemment, d’autre utilisation existe aux sulfates, mais cette liste vous donne un avant-gout de la versatilité de ces composés chimiques. Leur omniprésence pousse à se demander l’impact qu’ils ont sur la santé et sur les différents équipements avec lesquels ils rentrent en contact.
L'impact de leur présence
Sur la santé humaine, les sulfates ne sont pas super dangereux. Typiquement, lorsqu’ils viennent en contact avec la peau, ils peuvent promouvoir la sècheresse de celle-ci. En revanche, lorsque consommés en trop grande quantité, les sulfates peuvent être la cause d’une réduction des capacités pulmonaires ou d’une aggravation des symptômes reliés à l’asthme.
Contrairement à certains contaminants comme la silice ou la dureté qui peuvent encrasser les membranes de filtration ou promouvoir la formation du tartre, la présence de sulfate ne présente pas de risque associé aux équipements de traitement d’eau.
Même si les risques associés à la présence de sulfates sont relativement faibles, leur présence est quand même légiféré et contrôlé par les différentes autorités gouvernementales. En effet, puisqu’il est reconnu que l’eau avec une concentration surpassant les 500mg/l donne un goût amer à l’eau, peut avoir des propriétés laxatives et peut venir assécher la faune et la flore environnante, les autorités gouvernementales ont émis des limites relatives aux concentrations de sulfate présent dans les déversements et dans l’eau potable.
À titre d’exemple, les Recommandations pour la qualité de l’eau potable au Canada suggèrent de garder les concentrations de sulfates sous la barre des 500mg/l.
Les techniques d'extraction du sulfate
Comme nous l’avons abordé plus haut, les sulfates peuvent se retrouver dans l’eau sous formes dissoutes lorsqu’ils sont hydrosolubles ou ils peuvent être des matières en suspension lorsqu’ils ne sont pas hydrosolubles. Peu importe le cas, trois technologies peuvent être utilisées pour l’extraction des sulfates.
Les échangeurs d'ions
Vous les connaissez, les échangeurs d’ions sont des systèmes très utilisés et performants. La plus répandue de ceux-ci est sans aucun doute l’adoucisseur d’eau. Fonctionnant tous sous le même principe, les échangeurs d’ions permettent la permutation des ions contaminants dans l’eau par des radicaux acide ou basique se retrouvant sur la résine. .
Typiquement, pour l’extraction des sulfates et de ses dérivés c’est grâce à des radicaux acides qui se retrouvent dans la structure moléculaire de la résine que l’échange entre les molécules de sulfate et ces radicaux acides peut s’effectuer. Cet échange d’ions fonctionne grâce aux charges ioniques des différentes molécules se trouvant dans l’eau et dans la résine. Pour simplifier les choses, on peut résumer cela en disant : « les contraires s’attirent ».Brièvement, les ions chargés négativement seront attirés par les billes de résines chargées positivement et vice-versa.
Afin de ne pas s’éterniser sur le sujet, pour en apprendre plus relativement au procédé d’échange d’ion, voici quelques articles intéressants
Bref, les échangeurs d’ions sont généralement priorisés lorsque la présence d’une forte quantité de sulfates est au rendez-vous. On les retrouve notamment dans les usines de traitement d’eau municipal puisque les échangeurs d’ions sont très efficaces et sont relativement abordables.
À noter qu’en fonction des contaminants auxquelles vous faites face, le type d’échangeur d’ion peut s’adapter. En effet, il existe plusieurs familles d’échangeur d’ions, les plus répandues sont les échangeurs d’ions à lit mixte et les échangeurs d’ions à lit séparé.
L'osmose inverse
Étant les systèmes de traitement d’eau par excellence, les systèmes d’osmose inverse sont évidemment très efficaces pour l’extraction des sulfates. Bref, comme vous le savez peut-être déjà, pour traiter l’eau, les systèmes d’osmoses inverses utilisent des membranes dites osmotiques. Ces membranes sont fabriquées de matériaux semi-perméables, généralement du polyamide, qui possèdent des pores d’une dimension approximative de 0,0001 micron.
De façon simple, l’eau circule dans le système d’osmose où une membrane semi-perméable est installée afin de bloquer les contaminants. L’eau qui traverse la membrane se nomme le perméat et est le produit du traitement d’eau. De l’autre côté se trouve le concentré, qui est une solution concentrée de contaminants.
Pour en savoir plus sur les osmoses inverses, voici quelques articles intéressants :
- L'osmose inverse expliquée : polyvalence et efficacité
- Comment diminuer le gaspillage d'eau d'une osmose inverse?
- C'est quoi la pression osmotique6
Les osmoses inverses sont des systèmes très polyvalents et peuvent être utilisées à des fins variées telle la production d’eau potable ou même d’eau ultra pure. Il est toutefois important de préciser qu’en fonction de la qualité d’eau d’alimentation, des étapes de prétraitement peuvent être nécessaires afin d’améliorer la performance et de diminuer les coûts opérationnels des osmoses inverses. C’est en partie pour cette raison que l’on voit souvent les systèmes d’osmose inverse travailler de pair avec d’autres technologies comme la microfiltration, l’ultrafiltration ou mêmes différents types d’échangeur ionique.
Distillation
Bien qu’elle soit moins populaire que les deux autres techniques, la distillation est une méthode reconnue permettant l’extraction des sulfates. En faites, la distillation est une technique de traitement d’eau qui permet l’extraction des matières dissoutes. Pour ce faire, l’eau est portée à ébullition et les vapeurs de celle-ci sont récupérées. Afin de s’assurer que la vapeur d’eau n’est pas contaminée par l’environnement, il faut s’assurer que la distillation se fait dans un endroit stérile.
Bien que cette technique soit efficace, elle peut être compliquée et des problèmes peuvent survenir si le tout n’est pas fait adéquatement. De plus, si d’autres contaminants comme la silice sont présents, ils peuvent s’accumuler dans l’eau distillée.
Les sulfates et l'eau
Comme nous l’avons vu, même si leur présence ne présente pas de risque majeur relié à l’environnement, les équipements ou la santé, l’extraction des sulfates peut être nécessaire dans votre situation. Que ce soit pour votre utilisation de l’eau ou due à des normes de déversement, l’extraction des sulfates peut être nécessaire. Le choix d’une technique d’extraction représentant vos besoins est une étape importante afin d’optimiser vos investissements pécuniaires.
D’ailleurs, il ne faut pas oublier que le choix d’un système de traitement d’eau se fait en fonction de vos besoins et de votre situation. Comme nous l’avons vu ici, les sulfates ne posent pas de problème aux différents types de système, toutefois, ce n’est pas toujours le cas. Certains contaminants nécessitent un traitement spécial afin d’éviter de jeter l’argent par les fenêtres.