Depuis l’aube de l’humanité l’eau et la vie sont indissociables. Aujourd’hui, les besoins en eau évoluent avec les modes de vie et, de façon différente, sur notre planète. Avec le changement climatique, le cycle de l’eau a lui aussi évolué. L’accès à l’eau, et encore plus à l’eau potable, est devenu un enjeu sanitaire et industriel et souvent même une source de tensions géopolitiques.
Dans cette sélection de ressources faite à l'occasion du Colloque Chimie et eau du 6 novembre 2024, vous allez découvrir et comprendre pourquoi l'eau est un enjeu majeur et quel rôle y occupe la chimie.
Des vidéos :
Des fiches pour les classes de lycées, rédigées en partenariat avec l’éditeur Nathan :
- L'eau, une ressource essentielle à la vie
- La chimie du savon
- Dissolution des espèces chimiques et développement durable
- Extraire des espèces chimiques d'un solvant
- Extraire une espèce chimique solide dissoute dans l'eau
Des ressources pour les collèges :
- L'eau et l'énergie sont-elles dépendantes ?
- L'eau, une ressource indispensable pour la ville
- Protéger le cycle de l'eau des micropolluants
- Une chimie de la mer pour l'avenir de la Terre
- Pollution et marées noires, la lutte continue !
- L’eau : ses propriétés, ses ressources, sa purification
- La bataille de l’eau propre
- Les faibles doses de polluants sont-elles dangereuses ?
Pour le cycle 3:
- Une vidéo de La main à la pâte : L’eau, une ressource rare à protéger
- Des énigmes à résoudre : Énigme du professeur Blouseblanche : Un sous-marin bien étrange !
Des Question du mois et des éditoriaux
- Pourquoi économiser l’eau potable est-il aussi source d’économie d’énergie ? (question du mois)
- Eau et innovation (éditorial)
Des ressources métiers :
- Fiche orientation : secteur du traitement de l'eau
- Fiche orientation : secteur des énergies renouvelables
- Fiche Les chimistes dans : l’univers de la mer
- Fiche : Les chimistes dans les métiers de l’eau
Des articles et conférences issues des précédents colloques Chimie et :
- L’eau et la ville
- Les grandes questions en sciences chimiques de l'environnement marin
- Faut-il fertiliser l'océan pour contrôler le climat ?
- Des clés pour comprendre l'océan : les traceurs chimiques et isotopiques
- L'homme, la chimie et la mer : connaître la contamination pour la combattre
- Les ressources minérales du futur sont-elles au fond des mers ?
- Les médicaments de la mer : espoir ou illusion ?
Des ressources en lien avec l’histoire de la chimie :
- La découverte de l’eau oxygénée
- La verdunisation (vidéo)
- Traiter l’eau dans les tranchées durant la guerre de 14-18
- L’eau : quelle histoire ? (vidéo)
Des ressources relatives à la pile à hydrogène et à l’eau comme source d’hydrogène par électrolyse pour les énergies alternatives
- Qu’est-ce que l’hydrogène « vert » ? (question du mois)
- Zoom sur les derniers résultats de la production d’hydrogène « décarboné »
- H₂O ou comment la synthèse de l’eau conduit à la pile à hydrogène ? (réaction en un clin d’œil)
- Le transport ou le stockage de l’énergie électrique (Chimie et… Junior)
- L’hydrogène qui valorise les énergies renouvelables (vidéo)
Amusez-vous en jouant aux quiz :
- Une chimie de la mer pour l’avenir de la Terre
- Chimie et eau (quiz avant colloque)
Malgré le développement des outils numériques, l'usage du papier pour écrire reste omniprésent dans le monde. La production annuelle mondiale de pâte à papier est de 178 Mt et celle de la France est de 1,6 Mt.
L’histoire du papier débute en Chine : Tsaï Loun ministre de l’Agriculture chinoise au IIIe siècle avant notre ère décrit la fabrication du papier à partir de l’écorce de bambou, de lin, de chanvre. Puis c’est le chimiste français Anselme Payen qui isole la cellulose sous forme de fibres blanches en 1838 [1].
Du bois aux pâtes à papier
Le bois est constitué essentiellement de trois polymères biosourcés étroitement imbriqués : la cellulose, les hémicelluloses et la lignine (fig. 1) dans des rapports 2/1/1 environ. La cellulose est un homopolymère linéaire constitué d’enchaînements de monomères de glucose associés par des liaisons éther (C-O-C) β-(1→4). Les hémicelluloses sont des hétéropolymères à chaînes constituées de différents monomères d'oses : glucose, xylose, mannose, arabinose, galactose, rhamnose et acides uroniques, ramifiées et entrelacées.
La lignine est un polymère tridimensionnel amorphe, réticulé de manière aléatoire constitué principalement d’unités phénoliques responsables de la couleur du bois et des pâtes à papier.
Figure 1. Principaux polymères biosourcés présents dans le bois. Crédit : Nathalie Marlin
Il existe deux sortes de pâtes à papier.
- 10 % sont d’origine mécanique et sont obtenues par meulage, une opération de défibrage mécanique. La pâte mécanique contient donc les trois polymères principaux du bois dans les mêmes proportions. Le rendement de production de la pâte mécanique est de 95%.
- 90 % sont d’origine chimique et sont issues du procédé kraft qui consiste en une cuisson de copeaux de bois en présence d’un mélange de soude et de sulfure de sodium réalisée environ à 150 °C pendant 4 à 6 heures. La lignine est dépolymérisée et passe en solution cette solution s’appelle la liqueur noire de par son aspect très foncé. Les fibres de cellulose ainsi libérées par voie chimique sont obtenues avec un rendement de 50%. Le restant de la matière (lignine et une partie des polysaccharides) passe dans la phase liquide : liqueur noire. Cette dernière est traitée de façon à régénérer les ions sulfure ainsi que la soude, puis sa combustion sert à produire l’énergie qui alimente l’usine. La pâte contient majoritairement de la cellulose et une partie des hémicelluloses mais une partie de la lignine, la lignine résiduelle, subsiste, et donne la couleur aux pâtes papetières non blanchies [2].
Blanchiment de la pâte à papier
Le blanchiment de la pâte mécanique consiste à décolorer les groupements chromophores de la lignine.
Pour cela on utilise des oxydants qui cassent certaines liaisons C=C présentes dans les cycles aromatiques de la lignine pour donner des liaisons C=O, ce qui entraine la disparition de la conjugaison des liaisons insaturées et donc de la couleur. La lignine décolorée reste dans la pâte après blanchiment, ceci explique le bon rendement de l’opération. Le principal agent de blanchiment de ces pâtes est l’eau oxygénée (H2O2). Après oxydation on obtient une pâte claire, la blancheur obtenue est suffisante pour produire du papier journal (60% norme ISO).
Le blanchiment de la pâte chimique consiste à retirer la lignine résiduelle de la pâte (4 à 8%) par dépolymérisation.
Le dioxygène et le dioxyde de chlore (ClO2) sont aujourd’hui les oxydants les plus utilisés avec l’eau oxygénée en complément.
L’oxygène est un agent de blanchiment sans impact pour l’environnement. Il est utilisé sous pression en milieu basique mais il est peu sélectif (uniquement 50% de lignine résiduelle est éliminée) de sorte que la cellulose est aussi en partie dégradée pendant l’opération.
Le dioxyde de chlore, classiquement utilisé en milieu acide, a une action sélective sur la lignine. Cette dernière est oxydée et dépolymérisée. Des produits organiques chlorés ayant une toxicité certaine sont produits en parallèle. C’est pourquoi un brevet récent (2018) propose d’utiliser le dioxyde de chlore en milieu alcalin pour réduire la production des produits polluants. Un protecteur de la cellulose doit être ajouté car en milieu basique le dioxyde de chlore est moins sélectif et dépolymérise aussi la cellulose [3].
Les pressions environnementales accélèrent les recherches et des procédés enzymatiques sont à l’étude.
On ajoute parfois, dans la suspension fibreuse de la pâte à papier, des charges minérales comme du dioxyde de titane pour augmenter la blancheur du papier et du carbonate de calcium pour obtenir une surface moins rugueuse afin d’améliorer l’impression.
Presque plus de 60% des papiers et cartons sont recyclés. Après collecte du papier et désencrage, on effectue les mêmes opérations de blanchiment si le papier recyclé exige un niveau de blancheur important.
Par ailleurs la liqueur noire obtenue dans le procédé kraft peut être mieux valorisée. Il existe de nombreuses voies de valorisation, par exemple elle peut être traitée par un procédé thermique en atmosphère inerte afin d’obtenir des matériaux carbonés graphitiques utilisés comme électrodes de supercondensateur ou capables de stocker de l’hydrogène [4].
L'auteur, Jean-Pierre Foulon, tient à remercier vivement Madame Nathalie Marlin, Maitresse de Conférence HDR de l’université Grenoble Alpes, pour son aide et sa relecture bienveillante à cette note pédagogique.
Pour en savoir plus
[1] La chimie et l’industrie papetière, O. Naef, IUPAC 2011 Chimia (2011) 65, 444, DOI: 10.2533/chimia.2011.444
[2] Le blanchiment de la pâte à papier a toujours la fibre de l’innovation... N. Marlin, J. Marcon, G. Mortha, A. Burnet, L’Actualité Chimique (mai-juin 2023) N° 484-485, 45
[3] N. Marlin : communication personnelle
[4] La liqueur noire, R. Backov, J.L. Bobet J. Olchowka, L’Actualité Chimique (mars 2024) N°493, 62
Crédit figure : Nathalie Marlin
L’eau, un corps simple ? Pas si simple. Depuis l’Antiquité, la compréhension de ce fluide vital n’a cessé d’évoluer.
Dans le cadre du colloque " Chimie et eau " du 6 novembre 2024 à la Fondation de la Maison de la Chimie, l’équipe de Mediachimie.org vous propose de tester vos connaissances au travers d'un quiz ludique et instructif.
À vous de jouer !
La filière de l’eau regroupe l’intégralité des activités permettant l’alimentation en eau des populations (tous usages confondus : hygiène, alimentation, loisirs), de l’agriculture et des besoins industriels. Ces activités vont du captage d’eau brute jusqu’au client final puis en aval au retraitement des eaux usées. La filière française de l’eau représente un secteur économique de première importance, avec environ 124 000 emplois dans une centaine de métiers et 5 000 entreprises parmi lesquelles des groupes français leaders mondiaux. Les opérateurs, privés et publics, génèrent des emplois sur l’ensemble du territoire national ; 36 % du chiffre d’affaires se fait à l’export. Ainsi, 132 millions de personnes sont desservies en eau potable hors de l’hexagone par des acteurs français.
Source : Série Les chimistes dans
Pendant la guerre de 1914-1918, de nombreux poilus sont morts intoxiqués par l’eau. La solution ? De l’eau de Javel. Mais comment rendre cette eau buvable ? Grâce au procédé de « verdunisation » proposé par l’ingénieur Philippe Bunau-Varilla.
Des chaussures de sport de très hautes performances, bio-sourcées et recyclables ? C’est le pari du groupe Arkema et du fabricant On Running, grâce à des molécules extraites du ricin. Les baskets usagées ne passeront plus par la case poubelle !
Source : Clins d'oeil de la Fondation Internationale de la Maison de la Chimie
Découvrez en vidéo Mediachimie.org, la médiathèque en ligne dédiée à la chimie, ses innovations, son enseignement, ses métiers et ses filières de formation.
Avec Blablareau comme guide, naviguez dans Mediachimie.org, découvrez les différents espaces, explorez les ressources proposées et trouvez les débouchés possibles qu’offrent les formations en chimie.
Un dossier pour découvrir les métiers de la chimie et les entreprises de la chimie de la ville du Havre et de ses environs.
Voir également les dossiers produits spécifiquement sur le thème Chimie et Lumière pour accompagner l'événement « Sur les épaules des géants » organisée par la ville du Havre les 26-28 septembre 2024 :
Dans un précédent dossier « Chimie et lumière » nous avons vu quelques interactions entre la lumière et la matière permettant la conversion d’énergie chimique en énergie de rayonnement et réciproquement. La lumière mise en jeu dans ce premier dossier, qu’elle soit d’origine solaire ou non, présente un spectre polychromatique.
Dans ce nouveau dossier, nous allons nous intéresser à une source de lumière très particulière, celle des lasers. Une conférence du colloque « Chimie et lumière » du 26/02/2020, intitulée « La chimie à la lumière : un intérêt réciproque », présentée par Sébastien Forget, est le fil conducteur de ce dossier où chimie et laser sont intimement liés.
Partie A : La chimie pour le laser. Partie B : Les lasers pour la chimie
Parties des programmes de physique-chimie associées
- Programme de physique-chimie de la première générale. Partie « Ondes et signaux »
- Programme de la spécialité physique-chimie de la terminale générale. Partie « Constitution et transformations de la matière »
- Programme de physique-chimie et mathématiques de la première STI2D. Partie « Énergie » et « Ondes et information »