C'est quoi du fer?
Le fer est un élément chimique se retrouvant dans la catégorie des métaux du groupe 8 dans le tableau périodique. C’est d’ailleurs le métal le plus utilisé et le moins dispendieux sur terre. Dans la croute terrestre, on retrouve le fer généralement sous forme de fer terrestre, ce qui signifie qu’il est allié à un faible pourcentage de nickel.
Le fer provient principalement des minéraux se trouvant à l’entour du globe. Maints types de roches sont composés en grande majorité de fer. Ces types de roches varient en fonction des sols et de leur emplacement géographique. Bref, les minéraux à base de fer les plus répandus sont la magnétite, l’hématite, la goethite et la sidérite.
Typiquement, il existe deux types de fer pouvant contaminer les eaux :
- Le fer ferreux
- Le fer ferrique
Fer ferreux ou fer ferrique
Ces deux types de fer proviennent de l'oxydation de celui-ci. Lorsqu'un ion de fer perd deux électrons, on le catégorise de fer ferreux (Fe2+). Lorsque c’est trois électrons qui sont perdus, l’ion de fer devient du fer ferrique (Fe3+). On comprend donc que les oxydes de fer, que l’on pense au Fe2+ ou Fe3+, sont des cations.
Outre le nombre d’électrons, la différence entre l’oxyde ferreux et l’oxyde ferrique réside dans sa solubilité. En effet, l’oxyde ferreux se dissout complètement dans l’eau. Ce qui fait de lui une matière dissoute. Quant à lui, l’oxyde ferrique ne se dissout pas dans l’eau. Il peut toutefois s’oxyder davantage, ce qui peut causer donner à l’eau une couleur rouillée (orange/rouge). En d’autres mots, l’oxyde ferrique fait partie intégrante des matières en suspension.
Les contaminants dérivés du fer
En plus de ces deux oxydes de fer, celui-ci peut être amalgamé avec d’autres molécules pour former des contaminants différents. Bien qu’ils puissent tout deux être catégorisés en tant que Fe2+ ou Fe3+, les sous-catégories présentent des caractéristiques propres.
Les ferrobactéries
Qu’elles soient appelées ferrobactéries, bactéries du fer ou sidérobactérie, elles constituent un groupe de bactérie se retrouvant dans les sols et l’eau qui, lorsque dans un milieu anaérobie ou anoxique, ont la capacité d’oxyder le fer. Lorsqu’une forte concentration de ferrobactéries se retrouve dans un échantillon d’eau et que celles-ci rentrent en contact avec de l’oxygène, l’oxydation du fer et la mort des bactéries promeuvent la formation d’une masse gélatineuse connue sous le nom d' ocre ferreux.
Le fer lié organiquement
Ce type de fer est causé par la combinaison entre du Fe et des acides ou des tannins. Puisque les acides et les tannins responsables de la formation des liaisons ne se retrouvent que dans les sols, ce type de fer ne se retrouve que dans les eaux souterraines, par exemple, lorsque l’eau d’alimentation provient d’un puits.
Comment le fer se retrouve dans l’eau?
Pour revenir au principe que le fer se retrouve généralement dans les divers minéraux formant les différents types de sols, l’érosion est une des causes de la propagation du fer dans l’eau. En d’autres mots, puisque l’eau est un solvant universel, lorsque celle-ci rentre en contact avec un minerai composé de fer, celui-ci s’érode et se retrouve dans l’eau. En fonction du type d’oxyde retrouvé, le fer se retrouve dans l’eau sous forme dissoute ou en matière en suspension.
Ce phénomène peut provenir de l’érosion des sols causée par le ruissèlement de l’eau ou par érosion lorsque l’eau se propage dans les sols vers les nappes phréatiques.
Le premier exemple survient de façon naturelle, mais le fer peut aussi être de provenance humaine. C’est principalement dû à l’érosion des infrastructures contenant du fer que ce dernier peut se retrouver dans l’eau grâce aux interactions humaines. Pour ne citer que cet exemple, imaginons un système de plomberie construits de tuyaux d’acier galvanisé. Au fil des années, ces tuyaux se corrodent et diffusent des particules de fer dans l’eau circulant.
Les concentration en fer
Comme nous l’avons vu, le fer présent dans l’eau vient en grande partie dû à l’érosion des sols. C’est pourquoi les concentrations en fer varient tellement en fonction de la provenance de l’eau. Par exemple, les concentrations en fer des océans Atlantique et Pacifique varient entre 1-3 ppb (parts per billion)En ce qui a trait aux rivières et plans d’eau de surface, on retrouve typiquement des concentrations de 0.5-1 PPM (parties par million). Finalement, bien que nous l’ayons insinué plus haut, nous trouvons important de préciser que c’est principalement dans les eaux souterraines que les concentrations de fer sont les plus élevées. En effet, les nappes phréatiques et les puits peuvent présenter des concentrations de fer surpassant les 100 PPM.
Lorsqu’on pense aux concentrations maximales visant l’eau potable, bien que les normes varient, les concentrations maximales de fer pour l’eau potable avoisinent généralement les 0.2 PPM. Il faut toutefois préciser que le fer, étant un minerai nécessaire au corps humain, n’est pas néfaste pour la santé. Ce qui signifie que de consommer de l’eau présentant une concentration de fer plus élevé n’est pas dangereux. En revanche, plus la concentration de fer est élevée, moins l’eau est attrayante puisque des odeurs, des goûts et une couleur particulière peuvent se former.
- Petite parenthèse, même s’il n’est typiquement pas dangereux de consommer de l’eau avec une concentration en fer élevé, il y a évidemment des exceptions. Sans trop rentrer dans les détails, la surconsommation de fer peut causer des hémochromatoses.
Les risques associés à une forte présence de fer dans l'eau
Même si les risques associés à sa consommation sont minimes, cela ne fait pas du fer un contaminant inoffensif. Évidemment, les risques associés à la présence de fer ne sont pas comparables à celle de la silice, mais il est quand même important d’y faire face.
Bref, quelques inconvénients peuvent provenir d’une forte présence en fer dans l’eau. On peut penser à des odeurs désagréables, une couleur peu attrayante ou la formation de taches de « rouille » sur vos équipements. Pour certaines utilisations, cet inconvénient ne porte pas préjudice aux opérations. Toutefois, d’autres problèmes peuvent survenir.
En plus des inconvénients cités ci-haut, le fer dans l’eau peut venir affecter l’efficacité de vos équipements en promouvant la formation d’accumulation sur les parois internes des systèmes. C’est donc des problèmes de pressions qui peuvent survenir lorsque l’eau est fortement contaminée de fer. D’ailleurs, les deux raisons principales pouvant causer un différentiel de pression dans vos équipements sont :
- La formation d’amas résiduel venant diminuer la dimension interne de la tuyauterie ;
- La perte de charge causée par une viscosité de l'eau plus élevée et le point de frottement à l'intérieur de vos systèmes.
- La perte de charge est un principe de mécanique des fluides qui démontre l'impact qu'ont les points de friction avec un liquide.
Enfin, bien que cela soit pratiquement sans risque pour l’intégrité des systèmes, la présence d’oxyde de fer, que ce soit du Fe2+ ou Fe3+, a tendance à encrasser les membranes et les résines ioniques.
Comment extraire le fer?
Maintenant que nous comprenons un peu mieux d’où vient le fer, comment il s’accumule dans l’eau et l’impact qu’il peut avoir sur les équipements, il faut se demander comment faire pour l’extraire?
Pour commencer, rappelons que l’on retrouve plusieurs types de fer pouvant s’accumuler dans l’eau. C’est important d’en parler puisqu’en fonction du type de fer retrouvé, celui-ci peut être catégorisé en tant que matière en suspension ou matière dissoute.
L'oxyde ferrique
Advenant la présence de fer ferrique (Fe3+), qui rappelons le, ne se dissout pas, ces formes de matières en suspension que vous devrez l’extraire. Pour ce faire, plusieurs techniques peuvent être utilisées. L’oxydation peut être effectuée grâce à l’ajout d’oxygène dans l’eau (aération). D’autres types d’oxydant comme le chlore (Cl2) ou le permanganate de potassium (KMnO4) peuvent être ajoutés à l’eau.
Petite note, l’aération présente l’avantage de rétablir le pH grâce à l’élimination du dioxyde de carbone. Ce qui fait que la vitesse d’oxydation du Fe2+ en Fe3+ est plus rapide.
Bref, une fois l’hydrolyse terminée, le Fe2+ est maintenant du Fe3+, ce qui fait qu’il n’est plus dissout dans l’eau, mais bien en suspension.
L'oxyde ferreux
Une fois à cet état, l’oxyde ferreux fait partie de la famille des matières en suspension. Avec une taille approximative de 0.5 micron leur extraction n’est pas super compliquée. En effet, le Fe3+ peut être extrait à l’aide de technologie standard comme un système de filtration membranaire. Généralement, pour ce type d’extraction, on peut penser à la, ultrafiltration, nanofiltration ou l’osmose inverse. Le tout dépend du résultat recherché.
En plus des types de filtration, certaines technologies d’échange ionique peuvent aussi être utilisées pour extraire le fer. On peut penser à l’électrodéionisation ou à certains échangeurs ioniques avec de la résine cationique.
À noter que les concentrations de fer peuvent avoir un impact sur le système adéquat pour votre situation. En effet, que vous optiez pour les systèmes de filtration ou d’échange d’ions, s’ils sont confrontés à une trop grosse concentration de fer, la qualité du traitement peut être affectée.
Dans le cas des membranes, le fer a tendance à encrasser celle-ci. Ce qui augmente la pression nécessaire pour permettre le passage de l’eau et, de ce fait, force certains contaminants à traverser la membrane dut à une pression au-dessus de la norme. D’ailleurs cela augmente de façon importante les coûts d’utilisation puisque l’énergie nécessaire pour traiter l’eau est supérieure et les membranes doivent être changées de façon plus fréquente.
Lorsqu’une trop grosse concentration de fer est envoyée dans un système d’échangeur ionique, les résines peuvent s’encrasser. Dû au fait que la résine est surchargée, des tunnels se forment. En partant du haut du lit de résine, jusqu’au collecteur, ces tunnels permettent à l’eau de passer sans être traité par la résine.
Afin d’éviter les problèmes reliés à une trop forte concentration de fer dans vos eaux, des tests devraient être effectués avant la sélection d’un système de traitement d’eau. Il est difficile de définir exactement les seuils à respecter puisque plusieurs facteurs peuvent influencer le traitement (débit, types de contaminants, quantités, type de traitement, types de membranes, type de résines, etc.).
Suite aux tests, référez-vous à des experts qui pourront vous aider dans le choix d’un système qui répond à vos besoins et qui est optimal en fonction de votre situation.
En résumé
Bref, même si les effets néfastes associés à la présence de fer dans l’eau sont minimes, il n’est pas moins important de l’extraire. Sans oublier que son extraction est relativement simple et peut vous éviter des complications futures.
Que ce soit par échange d’ions ou grâce à un système membranaire, si les concentrations de fer sont trop élevées, des étapes de, préfiltration peuvent être nécessaires.
Alors que votre but est de produire de l’eau exempte de contaminant problématique comme le fer, la dureté, ou tout autre, ou que vous visiez la production d’eau ultra pure pour le domaine pharmaceutique, la bonne solution passe tout d’abord par la connaissance approfondie de vos besoins et de votre situation. De cette manière, vous vous assurez que l’équipement choisi répond à vos besoins et que son utilisation est optimisée en fonction de la situation à laquelle vous faites face.
Pour terminer, nous espérons que cet article a su vous éclairer sur le fer, ses dérivés et sa relation avec l’eau. Si vous avez des questions ou des commentaires, n’hésitez pas à nous écrire.