UNE Vie sous-Marine durable
L'EAU
Un des éléments essentiels au fonctionnement de l’organisme est l’eau. Selon les individus, on parle entre 1,5 et 2 litres d'eau par jour à consommer. Et pourtant, ces importantes quantités ne tiennent pas en compte ses autres utilisations. En effet, en plus d’être vitale aux Hommes, elle se retrouve impliquée dans beaucoup d’autres domaines. Il s’agit alors de trouver un moyen durable pour alimenter tout un environnement en eau (plus ou moins potable selon les utilisations). De plus, comme cité dans les enjeux, c’est une ressource qui nécessite de vives attentions au vu de sa raréfaction dans le monde.
Les nappes phréatiques étant de plus en plus polluées, les diverses réserves en eau douce épuisées, l'étude d'une alternative à la production d'eau est essentielle.
Dans cette partie, nous allons alors nous pencher sur sa distillation, permettant d'obtenir une solution potable à partir d'eau de mer.
L'eau dans notre corps
Pourquoi un apport en eau est indispensable au corps humain ?
Ses fonctions:
Son évacuation:
L’organisme élimine de l’eau sous différentes formes en permanence : par les excrétions, la respiration et la transpiration. Ces pertes correspondent à peu près à 2,5L d’eau dans des conditions atmosphériques dites tempérées, sans effort physique particulier. Ces pertes doivent être compensées intégralement par les apports en eau liquide et par l’eau contenue dans les aliments. Notre corps ne stocke pas d’eau, nous n’avons pas de réserves dans lesquelles puiser. Un homme meurt au bout de 3 jours s’il ne boit pas d’eau.
Si les autorités sanitaires recommandent de boire au moins 1,5L d’eau par jour, cela ne suffit pas. L’eau contenue dans nos aliments va compléter nos besoins en eau. Les végétaux sont composés à 90% d’eau, les fruits de 70 à 85%, les viandes à 70%. Ces apports se répartissent ainsi : eau de boisson : 1-1,5L eau contenue dans les aliments : 0,5-1L; eau de combustion (eau reproduite par l’organisme lors de la digestion des aliments) : 0,3L. L’eau est absorbée tout au long du tractus digestif (de la bouche à l’anus) par osmose.
Au niveau de l’intestin, la quantité de liquide totale transportée est estimée à 9L. Ce liquide représente le volume des sécrétions produites par les différents organes du tube digestif ainsi que l’eau des apports alimentaires. Sur ces 9L, à peu près un demi litre dépasse l’intestin grêle, le reste sera presque entièrement absorbé par le gros intestin
Cela explique le besoin continuel en eau que l’organisme requiert à chaque instant.
Ses propriétés physiques
Quelle serait la meilleure méthode afin d'utiliser de l'eau de mer afin de la rendre potable ?
D'abord, quelles sont les propriétés physiques de l'eau permettant de la faire changer d'état ?
L’eau est une molécule composée d’atomes d’oxygène (1) et d’hydrogène (2). On peut alors l’appelée directement H20 par abus de langage.
Comment l'eau s'évapore-t-elle ? En quoi l'apport de chaleur est nécessaire à cette transformation ?
Comment retrouver l'eau sous son état liquide après cette évaporation ?
Cependant, après cette étape, il convient de retrouver l’eau sous sa forme liquide pour sa consommation. Intervient alors le passage de l’état liquide à l’état gazeux, nommé liquéfaction. Ici, afin de retrouver la cohésion des molécules, l’agitation thermique doit se réduire afin que les liaisons hydrogènes puissent reprendre le dessus, sans que les molécules ne se figent (on serait alors passé à l’état solide). Pour cela, un simple refroidissement des vapeurs d’eau peut être utilisé, à l’aide d’un réfrigérant ou d'un condensateur. Ainsi, l’eau réapparait sous forme de gouttelette pure, le distillat. Cela se vérifie rapidement à l’aide d'une poudre de sulfate de cuivre anhydre, devenant bleue au contact de l'eau.
L'eau peut alors se libérer de ses substances parasites et devenir pur, ses molécules étant les seules à effectuer les changements d'état dans ces conditions.
Expérimentation
Tout cela n’est que le détail d’une expérience bien connue, pouvant facilement être reproduite. Il s’agit en effet de la distillation de l’eau, qui ne consiste ni plus ni moins à séparer les différents constituants d’un mélange. Ainsi, à la température d’ébullition, l'eau s'évaporation (agitation thermique), tandis que les autres substances elles resteront dans le mélange (minéraux, produits toxiques, etc).
L’expérience:
Matériel:
-un chauffe-ballon
-un ballon
-une petite colonne de distillation
-un support élévateur
-un réfrigérant
-une potence
-un bécher (ou tout autre contenant pour le distillat)
-un thermomètre
Protocole:
-On fait chauffer l’eau salée contenue dans le ballon à l’aide du chauffe-ballon, tout ayant un œil sur le thermomètre.
-Dès que des vapeurs d’eau s’élèvent et que l’eau bout, on s’assure du passage d’eau froide dans le réfrigérant.
-On recueille le distilla dans un bécher
On obtient ainsi une eau pure, sans aucune trace de minéraux ou d’autres substances. Nous pourrions alors penser à des montages plus importants afin de pouvoir effectuer des traitements d’eau salée en grande quantité.
Limites
Quelles sont les limites à un tel moyen de production d'eau potable ?
Cependant, on peut tout de même imaginer de grands montages directement reliés à l’eau de mer afin de réaliser ces distillations, sources d’eau potable pour toute notre structure et son écosystème.
Le corps humain ne peut pas stocker l’eau. En effet, l’organisme l'élimine en permanence à travers différents moyens. Les quantités d’eau ainsi perdues doivent être continuellement renouvelées. L’homme doit donc chaque jour subvenir à ses besoins en eau, notamment en buvant. De plus, selon les individus, son apport doit varier entre 1,5 et 2L par jour. Elle constitue en effet environ 3/4 de notre organisme et à diverses fonctions importantes au sein de celle-ci.
La plus grande partie de toute l’eau de l’organisme est contenue à l’intérieur des cellules. Une autre partie occupe l’espace entre celles-ci, autrement dit l’espace intercellulaire et est appelée liquide interstitiel. Outre cela, l’eau remplit plusieurs fonctions :
- elle participe aux nombreuses réactions chimiques dont notre organisme est le siège (Cf Métabolisme) et en élimine les déchets (CO2 dans le cas de la respiration cellulaire),
- elle aide au maintien d’une température constante de notre corps.
- elle est nécessaire au processus de digestion (Cf Alimentation).
- Le plasma sanguin est le constituant liquide du sang ; il a pour fonctions de donner au sang sa viscosité et de transporter les hormones, les sels minéraux, les nutriments et les déchets à éliminer par l’organisme
- La lymphe est un liquide organique de couleur jaune pâle, qui est issu du liquide interstitiel ayant pénétré dans le réseau des capillaires et des vaisseaux du système lymphatique, et qui y circule pour y être débarrassé de ses substances étrangères potentiellement pathogènes, avant de retourner dans la circulation sanguine systémique
- Le liquide céphalorachidien est un liquide séreux qui baigne tout le système nerveux central, remplissant les ventricules, les cavités sous-arachnoïdiennes et le canal médullaire.
Nous essaierons de trouver un moyen correct d'utiliser de l’eau de mer afin de la rendre pure dans l’objectif d’une consommation saine. Le meilleur moyen est alors de la faire chauffée à une température suffisante afin qu’elle soit isolée des autres substances puis de la retrouver en la refroidissant. Il s’agit alors d’effectuer des changements d’état de l’eau, une vaporisation puis une liquéfaction, regroupés sous l'appelation d'une distillation.
Tout d’abord, l’eau est une molécule dite polaire. En effet, l'électronégativité X (capacité qu'à un atome à attirer les électrons) étant plus forte du côté de l'oxygène, les électrons de la liaison covalente seront naturellement attirés par cet atome. Elle constituera alors le champ négatif de la molécule, noté -2δ. Les deux atomes d'hydrogènes, éloignés de leurs électrons, eux en se rejoignant en un point central, constitueront la charge positive +2δ de la molécule (les charges créées sont des charges dites partielles).
Ainsi, la molécule a des charges qui ne sont pas réparties de manière homogène. Cette polarité confère de nombreuses propriétés à celle-ci et à l’eau plus généralement car elle permet une certaine cohésion entre les molécules, les pôles positifs et négatifs émettant une attraction interactive intermoléculaire par des liaisons dites hydrogènes. Ces liaisons sont cependant très faibles. Elles restent tout de même à l'origine des différents états de l'eau puisque ses molécules prennent des dispositions différentes selon les interactions intermoléculaires. Cependant, les passages d'un état à un autre ne se fait pas spontanément et de l’énergie doit être apportée. Essayons de comprendre pourquoi :
Les différentes liaisons hydrogène, maintenant une certaine cohésion entre les molécules afin d'obtenir un état liquide, se brisent afin de permettre une liberté à celles-ci qui deviennent mobiles par groupes de 3 à 5 formants un gaz. C'est l'énergie thermique qui permet ces ruptures entre les liaisons. Effectivement, l’énergie d’une simple agitation thermique permettrait de reprendre le dessus sur les liaisons hydrogènes et assurerait aux molécules une grande liberté de déplacement (caractérisant l'état gazeux). Les liaisons hydrogènes faibles ne seraient ainsi pas en capacité de retenir les molécules entre elles face à l'agitation apportée.
C’est pour cela que nous chauffons l’eau, pour qu’elle puisse devenir gaz (molécules libres et mobiles) et ainsi se libérer des différents résidus qu’elle contient. On procède, à une échelle réduite, avec un chauffage par chauffe-ballon, ou avec une simple casserole sur feu. L’évaporation se caractérise alors par la libération de vapeurs, qui ne sont rien de plus que des molécules d’H2O sous l'état gazeux.
(A l'echelle atomique, les différents sels et cristaux contenus dans l'eau sont emprisonnés entre les molécules d'eau. Sa polarité lui permet en effet de contenir les différents ions de ces composés selon leur charge (Na+Cl- par exemple). Son évaporation permet de libérer ces cristaux et de retrouver la molécule d'eau indépendamment du reste.
Cependant, cette manière de production de l’eau possède des limites. En effet, le fait de chauffer l’eau est très coûteux énergétiquement. Les quantités d’énergie nécessaires pour vaporiser l’eau liquide ou tout simplement élever la température de l’eau d’un degré correspondent à l’augmentation de celle d’une même masse de fer de 10 degrés. L’énergie n’étant pas une ressource en abondance, cette méthode constitue alors un problème majeur. De plus, les différentes conditions de pression influeraient beaucoup trop sur la réaction thermodynamique. De plus, ces réactions nécessitant une forte chaleur puis un refroidissement se font lentement, et le rendement paraît trop faible. Enfin, devenu pur, l'apport des minéraux usuellement trouvés dans l'eau pourra éventuellement être assuré par l'alimentation.