Influence des ions Fe²⁺ sur le pouvoir entartrant de l'eau

Influence of Fe²⁺ on the scaling properties of water

¹ Ecole Nationale Supérieure d'Arts et Métiers LM3 - ESA CNRS 8006 151, boulevard de l'Hôpital, 75013 Paris
² Centre de Recherche et de Contrôle des Eaux de Paris (CRECEP) 156, avenue P. V. Couturier, 75014 Paris

Résumé

L'utilisation de canalisations anciennes non revêtues en acier ou en fonte entraîne l'augmentation de la teneur en fer de l'eau véhiculée. De même, dans les installations récentes, des émissions de fer restent possibles dans des zones dégradées où peuvent se produire des corrosions localisées.

La corrosion du fer et de la fonte se fait sous la forme d'ions Fe²⁺. Or, dans la plupart des eaux naturelles et industrielles, les teneurs en oxygène sont suffisantes pour que ces ions Fe²⁺ s'oxydent, avec des cinétiques variables, en ions Fe³⁺. Ces derniers, aux pH habituels des eaux, sont quasi insolubles. Ils précipitent donc très rapidement sous forme de FeOOH colloïdal, généralement amorphe.

Ce FeOOH peut, soit rester en suspension, soit contribuer à former des produits de corrosion. Dans la pratique on a donc cohabitation d'ions Fe²⁺ et de précipités de Fe00H.

Le présent travail montre que si l'on prend soin d'introduire des ions Fe²⁺, de manière continue, par corrosion (lente) de fer, ces ions jouent un rôle accélérateur dans la cinétique de germination-croissance de la CaCO₃.

L'entartrage se trouve ainsi favorisé à cause de l'augmentation du pouvoir entartrant de l'eau.

La comparaison des résultats obtenus sur une eau d'origine superficielle et sur une eau d'origine souterraine permet de conclure que l'effet du fer est beaucoup plus important dans le cas de l'eau superficielle, plus riche en matières organiques, que dans le cas de l'eau souterraine, même si, dans tous les cas, le fer^II joue un rôle accélérateur de la précipitation de CaCO₃.

Abstract

Old uncoated ferrous materials (cast iron or steel pipes) are still present in most of the existing water piping systems. The contact of water with these materials usually leads to an increase of iron content in the water. Also, in more recent installation, may be leached in the water because of localised corrosion on damaged area of coated materials or uncoated zones.

The corrosion of ferrous materials starts with the emission in water of ferrous ions Fe²⁺. However, in most natural or industrial waters, the oxygen concentration is sufficient to allow a quick oxidisation of Fe²⁺ ions into Fe³⁺ ions which are almost insoluble at normal pH of water (typically 6 to 9). Consequently, ferric irons quickly precipitate to form colloidal iron hydroxides (FeOOH), usually amorphous.

These hydroxides can either remain suspended in water or form corrosion products on the pipe walls. Practically, in the corrosion process Fe²⁺ ions and FeOOH colloids are simultaneously present at variable ratios in the water.

The role of iron in scaling mechanisms have been studied in different researches. Some of them tend to show that iron may increase the scaling potential (Leroy, 1991) whether other studies conclude to an inhibition effect of iron (Pernot et al., 1998). This apparent contradiction probably results from the oxidisation level of iron (Fe^II or Fe^III which is considered in the experiments.

The experiments described in this paper show that, if iron is introduced in water as Fe²⁺ continuously, through slow corrosion of metallic iron, it actually accelerates the kinetic of the formation of calcium carbonate.

The accelerating effect of Fe^II was quantified in the case of three different waters:

The first one was a bottled minerai water (Aix les Bains). The second, was an underground source water (La Vanne < Le Loing). The last one was a surface water from the Seine (after making it drinkable).

This quantification was studied through scaling effect evaluation using FCP tests. Atomic absorption analysis revealed a weak dissolved iron concentration (<50 μL^-1).

Comparison of results between a treated superficial water and an underground water treated in the same conditions allows to conclude that the accelerating effect of iron is more important with superficial water probably because of its higher natural organic matter content. However, the accelerating effect on CaCO₃ precipitation is clearly observed for all tested waters.