Bonjour, voici un exercice de spécialité physique. Pouvez vous m'aider s'il vous plait.


Situation problème

Le dessalement coûte cher (même si les prix ont diminué au cours des années) et il n'est pas sans effet sur l'environnement, car il engendre des gaz à effet de serre et des eaux de rejet fortement salées.
Il existe deux grands types de procédés pour dessaler l'eau de mer. Le premier, thermique, repose sur la distillation. Il consiste à chauffer l'eau de mer pour produire une vapeur d'eau pure, que l'on condense ensuite sur des faisceaux de tubes refroidis afin d'obtenir de l'eau douce.
Le second procédé, plus récent, est basé sur l'osmose inverse (figure ci-dessous). Si deux solutions aqueuses de concentrations différentes sont séparées par une membrane semi-perméable (elle laisse passer l'eau, mais pas les solides dissous), l'eau de la solution la moins concentrée migre vers la solution la plus concentrée de façon à égaliser les deux concentrations : c'est l'osmose.
Dans l'osmose inverse, on empêche le transfert d'eau de se réaliser normalement en exerçant une pression sur la solution la plus concentrée. Ainsi l'eau passe vers la solution la moins concentrée, tandis que les espèces dissoutes restent dans le compartiment.
Quelle que soit la technique utilisée, le dessalement a un coût énergétique assez élevé : pour produire un mètre cube d'eau douce, il faut au moins 10 kWh pour les meilleurs procédés thermiques et 4 à 5~kWh pour les installations d'osmose inverse les plus modernes.

Analyse du problème
Deux ingénieurs de Vancouver (Canada), Ben Sparrow et Joshua Zoshi, ont mis au point un autre système de dessalement, avec une consommation énergétique moindre (environ 1~kWh par mètre cube d'eau douce produit).
Cette technique repose sur les échanges ioniques à travers des jonctions en polystyrène traitées spécialement pour ne laisser passer que les cations ou que les anions. La migration des ions s'effectue suivant le principe de la diffusion : en présence d'un gradient de concentration, les ions se déplacent des milieux les plus concentrés vers les milieux les moins concentrés.
Dans un premier temps, une solution d'eau de mer de forte concentration en sel est formée par exploitation de l'énergie solaire (ou en récupérant de la chaleur industrielle). La concentration des sels dans l'eau de mer passe de 3,5\,\% à 18\,\% ou plus (figure ci-dessus). Cette eau salée concentrée est ensuite pompée dans l'unité de dessalement, où elle circule dans un tuyau, en relation avec trois autres flux d'eau de mer, dont les concentrations en sels sont normales (3,5\,\%). Les relations entre ces quatre flux sont gouvernées par les jonctions en polystyrène.

1) Décrire rapidement la technique qui permet d'augmenter la concentration en sels. Que pensez-vous de sa demande énergétique ? Conclure en comparant avec les autres procédés.
2) En première approximation, quels sont les deux ions majoritairement présents dans l'eau de mer ?
3) a) Comment dessaler l'eau de mer en commençant par la saler encore plus ?

Dans les conditions initiales (date t=0), la disposition relative des quatre flux d'eau salée dans l'unité de dessalement est donnée sur la figure ci-dessous.
3) a) Peu de temps après la mise en place des jonctions, on observe une migration d'ions. Pourquoi ?

       b) Préciser entre quels flux se déroule cette migration.
       c) Recopier le schéma et y indiquer le sens de migration et le nom des ions.

4) Quelle va être la conséquence de cette migration sur les flux 2 et 4 ?
5) Que va-t-il donc se passer au niveau du flux 3 ? Pourquoi ? Compléter le schéma.
6) Pourquoi est-il nécessaire au départ de créer une solution «hypersaline» d'eau de mer ?
7) Pour simplifier, nous avons considéré uniquement la présence de deux ions dans l'eau de mer. Est-ce le cas ? Cela change-t-il le raisonnement ?
8) Dans quelles conditions l'eau douce produite peut-elle être utilisée comme eau potable ?
9) a) À votre avis, dans quelle zone géographique le procédé développé par Sparrow et Zoshi sera-t-il le plus rentable ?
     b) Pourquoi est-il moins polluant que les autres procédés ?
     c) Cependant, un problème inhérent aux procédés de dessalement persiste. Lequel ?

Le dessalement de l'eau de mer est une pratique de traitement des eaux qui se développe de plus en plus pour assurer la production d'eau potable dans les régions côtières victimes de la sécheresse. Il est donc nécessaire de diminuer le coût énergétique et l'impact environnemental de cette pratique.