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Classe 12

Pollution de l’air, de l’eau et des sols

Les polluants circulent entre l’air, l’eau et les sols, où ils peuvent réagir, s’accumuler ou nuire aux organismes. Cet article présente leurs sources, leurs effets et des moyens chimiques de les contrôler, du lavage des fumées aux pots catalytiques.

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IntuitionLa pollution relie trois milieux

Un polluant émis dans l’air peut se dissoudre dans la pluie, se déposer sur le sol, rejoindre un cours d’eau et s’accumuler dans les organismes. Éviter l’émission est souvent plus efficace que dépolluer après sa dispersion.

Faites varier le coefficient de diffusion/mélange D. Une couleur plus sombre indique une concentration plus élevée ; un D plus grand dilue chaque panache, mais l’étend davantage vers la rivière et les sols.

ScolaireNiveau scolaire : polluants et transformations

Définition: Polluants primaires et secondaires

Un polluant primaire est émis directement, comme SO₂ ou CO. Un polluant secondaire se forme dans l’environnement par réaction entre les émissions et des constituants naturels ; l’ozone troposphérique et les aérosols sulfatés en sont des exemples.

Polluants courants, sources et effets
PolluantSources et principaux risques
SO₂ ; NOₓCombustion de combustibles soufrés, moteurs et fours chauds ; dépôts acides et irritation respiratoire
CO ; particules (PM₂.₅/PM₁₀)Combustion incomplète, suie et poussières routières ; le CO gêne le transport de l’oxygène et les particules fines pénètrent profondément dans les poumons
COV ; métaux lourds (Pb, Hg, Cd, As)Évaporation, combustion, mines, métallurgie et déchets ; certains COV forment le smog photochimique, et les métaux peuvent être toxiques et persistants
Nutriments ; pesticidesLes engrais et eaux usées apportent N et P et peuvent provoquer l’eutrophisation ; les pesticides persistants peuvent se bioaccumuler

Le soufre du combustible brûle en SO₂. Dans l’air, son oxydation puis son hydratation peuvent produire de l’acide sulfurique et des particules de sulfate ; les oxydes d’azote peuvent former de l’acide nitrique. Ces acides abaissent le pH des pluies et des sols, lessivent des ions nutritifs ou mobilisent l’aluminium toxique.

S+OX2→SOX2;2 SOX2+OX2→catalyst2 SOX3;SOX3+HX2O→HX2SOX4\ce{S + O2 -> SO2; 2 SO2 + O2 ->[catalyst] 2 SO3; SO3 + H2O -> H2SO4}
NX2+OX2→high T2 NO;2 NO+OX2→2 NOX2;4 NOX2+OX2+2 HX2O→4 HNOX3\ce{N2 + O2 ->[high\ T] 2 NO; 2 NO + O2 -> 2 NO2; 4 NO2 + O2 + 2 H2O -> 4 HNO3}

Le smog soufré est associé au SO₂ et aux particules dans l’air frais et humide ; le smog photochimique se forme au soleil lorsque NOₓ et COV produisent de l’ozone et d’autres oxydants. L’ozone troposphérique est nocif, contrairement au rôle protecteur de l’ozone stratosphérique.

Les apports de nitrates et de phosphates peuvent provoquer l’eutrophisation : les algues prolifèrent, puis leur décomposition consomme l’oxygène dissous. Le manque d’oxygène peut tuer les poissons. Les engrais ne sont pas la seule cause : les eaux usées et les changements de circulation comptent aussi.

CX6HX12OX6+6 OX2→6 COX2+6 HX2O\ce{C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O}

Exemple: Élimination du dioxyde de soufre

Un laveur de fumées utilise du calcaire. Quelle masse stœchiométrique de CaCO₃ pur faut-il pour capter 6,40 kg de SO₂ ? M(SO₂)=64,1 et M(CaCO₃)=100,1 g mol⁻¹.

Solution

La réaction globale est CaCO₃ + SO₂ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O + CO₂, avec un rapport molaire 1:1. n(SO₂)=6400/64,1=99,8 mol ; il faut donc 99,8 mol de CaCO₃, soit environ 9,99 kg. Une installation réelle utilise un excès de réactif et tient compte du contact incomplet.

Les pots catalytiques à trois voies, généralement à base de Pt/Pd et Rh, oxydent CO et les hydrocarbures imbrûlés tout en réduisant NOₓ près du rapport air-carburant stœchiométrique. Les moteurs diesel peuvent utiliser la réduction catalytique sélective à l’ammoniac.

2 CO+OX2→2 COX2;2 NO+2 CO→NX2+2 COX2\ce{2 CO + O2 -> 2 CO2; 2 NO + 2 CO -> N2 + 2 CO2}

Exemple: Comparer l’acidité des pluies

De combien la concentration [H⁺] à pH 4,0 dépasse-t-elle celle d’une pluie propre en équilibre avec le CO₂ atmosphérique, de pH typique 5,6 ?

Solution

[H⁺]=10⁻ᵖᴴ mol L⁻¹ ; le rapport vaut donc 10^(5,6−4,0)=10^1,6≈40. La pluie propre est légèrement acide car le CO₂ dissous forme de l’acide carbonique ; les dépôts acides le sont davantage, principalement à cause des acides sulfurique et nitrique.

UniversitaireAperçu universitaire : émissions, transport et contrôle

Un bilan simple dans une boîte bien mélangée s’écrit dC/dt = E/V − kC − Qout C/V + Qin Cin/V. Il représente l’émission E, le volume V, l’élimination chimique ou par dépôt k et la ventilation ; une carte de diffusion illustre la compétition spatiale entre dispersion et élimination.

La maîtrise de la pollution associe réduction à la source, captage et transformation. La désulfuration au calcaire transfère SO₂ dans un sulfate solide ; les catalyseurs transforment des gaz toxiques en produits moins nocifs, sans supprimer toutes les émissions ni le besoin d’entretien.

Références