Le rôle du Zinc dans la formation du calcaire

Dans ce chapitre, nous allons montrer le comportement du calcaire quand il y a un peu de Zinc dans l’eau.

Puisque beaucoup d’explications ont un lien avec la chimie, signalons que le calcaire sous ses diverses formes n’est rien d’autre que le Carbonate de Calcium, c’est-à-dire CaCO₃.

Commençons par parler des premiers stades de la création du Carbonate de Calcium et des facteurs généraux qui ont une influence sur ces phases, car sa définition nous aidera à mieux comprendre sa relation avec le Zinc:

• On appelle « période d’induction » le délai allant de la création de la première molécule de Carbonate de Calcium jusqu’à la formation des premiers noyaux.
• Ensuite a lieu la « nucléation », c’est à dire la croissance de tous ces petits noyaux, puis enfin.
• La « croissance cristalline » lorsque les noyaux commencent à être plus grands.

Ces trois phases sont très importantes car elles définissent la force et la dureté de chaque couche. Par conséquent, selon les conditions initiales dans lesquelles se trouve l’eau, on obtiendra un résultat ou un autre.

À continuation décrivons les paramètres qui ont une influence sur cette création, par ordre d’importance:

1) Teneur en Calcium: c’est le plus important de tous les paramètres, de sorte que plus la teneur en Calcium est élevée et plus la quantité de tartre est grande.

Toutefois, la quantité finale de Carbonate de Calcium sera limitée par la quantité de Bicarbonates, molécule qui se lie au Calcium. Donc, plus la dureté temporaire est importante (et non la dureté totale, voir le blog Qu’est-ce que la dureté de l’eau?) et plus le niveau de saturation et la quantité de tartre seront importants.

Ca²⁺ + 2HCO₃^– <=> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

2) pH: l’effet du pH est plus important que la température. Des expériences ont montré (1) que l’augmentation de pH de 7 à 8 génère cinq fois plus d’incrustations qu’un changement de température de 70 °C dans des échantillons de dureté égale.

En outre, les solutions fortement alcalines sont plus sujettes à la formation de cristaux d’aragonite que de calcite (2).

3) La température: plus la température est élevée, et plus il s’échappe de CO2, créant par conséquent plus d’encrassement du fait d’un déséquilibre dans la réaction ci-dessus. A des températures plus élevées, la période d’induction est raccourcie.

Donc, pour précipiter à basse température le CaCO₃ a besoin: soit d’un pH élevé soit d’une forte teneur en Calcium (ou les deux simultanément).

Mais la température est également importante pour d’autres raisons. Normalement la première étape de cristallisation commence avec l’aragonite, en particulier à des températures élevées, et elle recristallise ensuite sous forme de calcite.

Ainsi, en dessous de 50 ºC – 60 ºC la calcite est le cristal le plus stable thermodynamiquement. Au-dessus de cette limite, l’aragonite sera le cristal qui se formera et c’est dans cette marge que les deux cristaux peuvent être  présents (3).

Ainsi des tests de courte durée à haute température ont montré dans les résistances des chaudières la présence de dépôts d’aragonite (4).

4) Vitesse de l’eau: il a été démontré que les dépôts se réduisent à mesure que la vitesse de l’eau est réduite (5). La logique de ce qui précède peut également mener à penser que plus la vitesse de l’eau est élevée, plus les incrustations de calcium seront importantes.

5) Qualité de l’eau: la présence d’impuretés organiques et inorganiques peut influencer de manière significative le processus de croissance des cristaux (6).

Les impuretés contenant les ions Fe²⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ favorisent la formation d’aragonite lorsque les conditions sont favorables à la calcite. En outre, il existe une augmentation de la période d’induction.

Les impuretés avec Mn²⁺, Cd²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ et Pb²⁺ favorisent la présence de la calcite.

L’opinion générale est que la présence de particules dans la précipitation du Carbonate de Calcium affaiblit la structure d’incrustation (7). On a également constaté qu’en raison de la présence de certaines impuretés dans l’eau, l’aragonite peut être stable et retarder la nucléation du Carbonate de Calcium à température ambiante (8).

Enfin, nous voudrions attirer l’attention sur les eaux naturelles et de synthèse normalement utilisées dans les laboratoires pour l’expérimentation, car les différences entre les deux sont très frappantes. Les eaux naturelles sont plus résistantes à la précipitation du Carbonate de Calcium et, pour la même dureté et une température de 70 °C, l’eau naturelle peut générer jusqu’à 40 % moins d’encrassement.

6) Matériaux des tuyauteries: la force d’adhérence des incrustations à n’importe quel matériau dépend du degré de rugosité de sa surface. Citons donc du plus au moins rugueux: le cuivre, l’aluminium, l’acier galvanisé, le laiton, l’acier inoxydable… (9).

Avant de commencer à parler du Zinc, la première chose à noter est qu’il s’agit du meilleur minéral parmi tout ceux naturellement présents dans l’eau pour éviter l’encrassement. Il a aussi été vérifié que sa dissolution électrolytique ayant comme cathode du Cuivre a de biens meilleurs résultats que s’il est dissout chimiquement (10).

Les effets seraient:

A) Période d’induction

Le Zinc la ralentit d’autant plus que sa quantité par rapport à la quantité de Calcium présent dans l’eau est importante. Cet effet commence à se faire sentir au-dessus de 0,06×10-3 Zn/Ca (11), c’est-à-dire, si nous avons 100 mg/l de Calcium, nous aurons besoin d’au moins 0,006 mg/l de Zinc pour apprécier un effet.

En outre la précipitation du Carbonate de Calcium commence à un pH plus élevé en présence de Zinc.

Avant de passer à la nucléation, on ne peut pas négliger un autre phénomène: l’inhibition, la présence de Zinc bloque la création de Carbonate de Calcium. Il a été enregistré jusqu’à 80 % d’inhibition avec des teneurs en Zinc élevées et des températures d’environ 40 °C (12).

B) La nucléation:

Étant donné que le Zinc précipite de préférence sous forme de Carbonate de Zinc (environ 40 % du total), cristaux très semblables à la calcite, il bloque leur croissance et provoque que le Carbonate de Calcium précipite sous forme d’aragonite.

C) Croissance du cristal:

Le Zinc provoque une croissance plus lente des cristaux.

Notez que selon le rapport Zn/Ca que l’on aura on obtiendra le taux de conversion de cristaux de calcite en aragonite. Ne pas oublier que pour le résultat final du pourcentage d’inhibition et de conversion des cristaux, les paramètres chimiques préalablement mentionnés, amélioreront ou aggraveront le résultat final.

En résumé, nous pouvons dire que pour une eau naturelle conforme à la législation de l’eau potable, avec une dureté totale allant jusqu’à 45 °f et des températures autour de 80 °C, les adoucisseurs inhibiteurs de calcaire électrolytiques de Zinc ont les résultats suivants:

1. Inhibition de la formation de calcaire d’environ 20 % – 30 %.
2. Pour les 80% -70% restant des dépôts calcaires, le cristal qui se forme sera principalement l’aragonite (environ 80% -90%), cristal non incrustant entraîné par le courant vers l’évacuation des eaux.

Ces résultats pourront être améliorés en ayant: une teneur en Calcium inférieure, un pH bas, une température basse et / ou de courte durée, des passages de l’eau à basse vitesse et une conductivité ou la présence élevée de minéraux.

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(2) Kitamura et al., 2002

(3) Coetzee et al., 2006

(4) Andritsos et al., 1997

(5) Müller-Steinhagen, 2000

(6) Gabrielli et al., 1999

(7) Andritsos et Karabelas, 2.003

(8) Söhnel et Mullin, 1982

(9) Keysar et al., 1994

(10) MacAdam et Parsons 2004

(11) Coetzee et al., 1996

(12) Meyer 1984