Le filtre de carbone

Purifiez de l'eau avec un filtre de votre fabrication !

Difficulté :
Danger :
Durée :
15 minutes
Le filtre de carbone

Réactifs

Sécurité

  • Portez des gants et des lunettes de protection.
  • Réalisez l’expérience sur le plateau en plastique.
Règles générales de sécurité
  • Éviter tout contact des produits chimiques avec les yeux ou la bouche.
  • Éloigner les jeunes enfants, les animaux et les personnes sans équipement de protection des yeux de la zone où sont réalisées les expériences.
  • Ranger ce coffret d’expériences hors de portée des enfants de moins de 10 ans.
  • Nettoyer la totalité du matériel après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients sont hermétiquement fermés et convenablement stockés après utilisation.
  • S’assurer que tous les récipients vides sont correctement éliminés.
  • Ne pas utiliser d’autre matériel que celui fourni avec le coffret ou recommandé dans la notice d’utilisation.
  • Ne pas remettre les denrées alimentaires dans leur récipient d’origine. Les jeter immédiatement.
Informations générales de premiers soins
  • En cas de contact avec les yeux : laver abondamment à l’eau en maintenant les yeux ouverts si nécessaire. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’ingestion : rincer la bouche abondamment avec de l’eau, boire de l’eau fraîche. Ne pas faire vomir. Consulter immédiatement un médecin.
  • En cas d’inhalation : transporter la personne à l’extérieur.
  • En cas de contact avec la peau et de brûlures : laver abondamment à l’eau la zone touchée pendant au moins 10 minutes.
  • En cas de doute, consulter un médecin sans délai. Emporter le produit chimique et son récipient.
  • En cas de blessure, toujours consulter un médecin.
Conseils pour les adultes superviseurs
  • L’utilisation incorrecte des produits chimiques peut engendrer des blessures et nuire à la santé. Réaliser uniquement les expériences décrites dans les instructions.
  • Ce coffret d’expériences est à utiliser uniquement par des enfants de plus do 10 ans.
  • Compte tenu de très grandes variations des capacités des enfants, même au sein d’un groupe d’âge, il convient que les adultes surveillants apprécient avec sagesse quelles sont les expériences appropriées et sans risque pour les enfants. Il convient que les instructions permettent aux adultes surveillants d’évaluer chacune des expériences afin de pouvoir déterminer son adéquation à un enfant particulier.
  • Il convient que l’adulte surveillant s’entretienne des avertissements et des informations de sécurité avec l’enfant ou les enfants avant de commencer les expériences. Il convient d’accorder une attention particulière à la sécurité lors de la manipulation d’acides, d’alcalis et de liquides inflammables.
  • Il convient que la zone où sont réalisées les expériences soit sans obstacle et ne soit pas située près d’une réserve de denrées alimentaires. Il convient qu’elle soit bien éclairée et aérée, et à proximité d’une adduction d’eau. Il convient d’utiliser une table solide dont la surface est résistante à la chaleur.
  • Il convient d’utiliser complètement les substances contenues dans des emballages non refermables au cours d’une expérience, c’est-à-dire après l’ouverture de l’emballage.

FAQ et dépannage

J'ai versé trop de charbon dans la pipette. Que dois-je faire ?

Versez simplement l'excédent de charbon actif dans la bouteille et continuez votre expérience.

Une partie du charbon adhère au col du filtre. Est-ce normal ?

Absolument ! N'hésitez pas à continuer l'expérience. Si vous préférez, vous pouvez utiliser une baguette en bois pour déloger ces particules.

Le filtre ne semble pas fonctionner : la solution qui sort de la pipette est bleue.

Assurez-vous d'avoir inséré deux cylindres en coton : un en dessous et un au-dessus de la couche de charbon. Il est également possible que le charbon n’ait pas été compressé suffisamment. Recommencez l'expérience en accordant une attention particulière à ces instructions.

Il est également possible que les morceaux de charbon soient trop gros. Si c'est le cas, versez le charbon dans un gobelet en plastique propre et utilisez une baguette en bois pour le broyer en morceaux plus fins. Vous pouvez également le faire dans le filtre, mais seulement après avoir retiré le cylindre de coton supérieur.

J’ai assemblé le filtre, mais il semble que l'eau ne passe pas au travers.

Si l'eau paraît circuler à travers votre filtre trop lentement ou pas du tout, il y a probablement trop d'air dans la couche de charbon du filtre.

Tout d'abord, appuyez un peu sur le cylindre supérieur avec une baguette en bois. Ensuite, pressez les parois du filtre avec vos doigts pour expulser l'air. Cette action devrait ressembler un peu à la compression d'un tube de dentifrice. Veillez simplement à ne pas renverser la solution que vous filtrez. Cela devrait marcher !

Si cela ne résout toujours pas le problème, essayez de recommencer l'expérience.

L'eau dans le tube à essai est grise ! Qu'est-ce qui ne va pas ?

Rien, tout va bien, en fait ! Cette substance grise n'est autre que quelques particules de charbon actif. Certaines d'entre elles sont minuscules et sont simplement passées à travers les cylindres de coton tandis que le contaminant organique (bleu de méthylène) a été filtré.

Cela se produit également dans les filtres à charbon ménagers du quotidien. Normalement, il faut passer de l'eau à travers ces filtres 2 à 3 fois avant de les utiliser pour filtrer l'eau que vous avez l'intention de boire !

Filtrez une petite fraction de la solution, lavez le tube à essai et essayez de filtrer à nouveau. L'eau finira par ressortir claire et sans morceaux de charbon.

J'ai des colorants à la maison. Puis-je les utiliser pour cette expérience ?

Oui bien sûr ! Il est possible que vous obteniez un résultat légèrement différent (par exemple, la solution filtrée ne sera pas forcément complètement incolore, mais elle sera beaucoup plus claire).
N'ayez pas peur d'expérimenter !

J'ai récommencé l'expérience plusieurs fois et je n'ai plus de charbon actif. Puis-je utiliser le charbon actif que j'ai à la maison ?
Ou peut-être du charbon ?

C'est une très bonne question ! Vous pouvez essayer, bien sûr. Si vous avez du charbon actif à la maison, broyez-le et utilisez-le pour l'expérience. La différence entre le charbon et le charbon actif réside davantage dans leurs propriétés d'adsorption. Broyez le charbon, assemblez le filtre et faites passez une solution de bleu de méthylène à travers. Comparez vos résultats à ce qui s'est passé lorsque vous avez utilisé un filtre à charbon actif. Écrivez-nous et faites-nous part de vos résultats !

Puis-je boire l'eau filtrée ?

Malgré le fait que nous avons filtré la majorité du bleu de méthylène, notre filtre n'est pas encore assez efficace. Ne buvez donc pas l'eau filtrée !

Instructions pas à pas

Assemblez un filtre à charbon. Pour le rendre le plus efficace possible, compressez un peu le charbon actif à l'aide de cylindres de coton et d'une baguette en bois.

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Préparez le support de tubes à essai.

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Préparez une solution de polluant organique avec de l'eau et du bleu de méthylène. Celui-ci est très utilisé dans l'industrie pour tester l'efficacité des filtres à eau.

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Le filtre adsorbe le polluant organique et l'eau purifiée remplit le tube.

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Lavez le tube à essai pour recommencer l'expérience.

Résultat attendu

Le charbon actif adsorbe les molécules de bleu de méthylène de l'eau qui devient cristalline et incolore.

Élimination des déchets

Éliminez les déchets solides avec les ordures ménagères. Versez les solutions dans l’évier et rincez abondamment à l’eau.

Description scientifique

Les pesticides et autres polluants d'origine humaine s'infiltrent d'abord dans le sol, puis se déversent dans les rivières et les lacs pour finalement se retrouver dans notre eau potable. Étant donné que ces substances sont souvent nocives, l'eau doit être purifiée avant de pouvoir être bue.

Certains de ces polluants sont de grosses molécules organiques . Le bleu de méthylène  étant de taille similaire, il permet de tester les filtres et colore l'eau visiblement.

De telles particules « collent » facilement à la surface du charbon. Le charbon actif a une surface bien plus grande que le charbon ordinaire en raison du grand nombre de fissures et de pores. Il « attrape » ainsi une quantité énorme de molécules polluantes. En revanche, les molécules d'eau  le traversent aisément.

Le filtre à charbon agit bien sur de nombreux polluants organiques, mais est impuissant face à d’autres substances nocives, comme les ions de métaux lourds . Nous utilisons des résines échangeuses d'ions pour nous en débarrasser.

Pourquoi la solution devient-elle incolore ?

Le charbon actif adsorbe les molécules de bleu de méthylène : le colorant que nous utilisons dans cette expérience. Cela réduit la concentration du colorant dans la solution et la rend presque incolore.

Qu'est-ce que l'adsorption ?

Cette expérience est possible grâce à un processus très important appelé
« sorption ». Ce processus peut être de nature chimique, physique ou mécanique, mais son principe de fonctionnement est toujours le même : une substance particulière « s'imprègne » d'autres substances, les éliminant d'une solution ou d'un mélange réactionnel. Dans notre cas, le processus de « sorption » a lieu à la surface du charbon actif. Cette « sorption » de surface est appelée adsorption, le charbon actif étant l'adsorbant qui « s'imprègne » du bleu de méthylène présent dans la solution.

Que fait le charbon actif ?

Le charbon actif  est une substance très poreuse. Les molécules de bleu de méthylène  sont « piégées » dans les pores à la surface du charbon actif . Il ne reste, en conséquence, que très peu de molécules de colorant dans la solution après son passage à travers le filtre de carbone : c'est ce qui rend la solution limpide.

En savoir plus

Les filtres que nous utilisons au quotidien utilisent également le charbon actif comme adsorbant. Cependant, le charbon actif ne suffit pas à lui seul pour purifier l'eau. Il peut adsorber les polluants organiques, mais il n'est pas efficace contre les bactéries  et les métaux lourds . Pour se débarrasser de ces derniers, les fabricants ajoutent des résines dites réchangeuses d'ions. Ces matériaux peuvent absorber (l’absorption est un autre type de « sorption » dans lequel le processus se déroule dans tout le volume du sorbant, et non pas seulement à sa surface) des métaux lourds comme le fer, le mercure et le cadmium. Ces absorbants sont parfois enrichis en ions argent pour lutter également contre les microorganismes nocifs. Nous utilisons ces matériaux dans l'expérience « La résine échangeuse d'ions ».

La plupart des bactéries peuvent à leur tour être éliminées en faisant bouillir l'eau ou en utilisant des additifs antibactériens spécifiques. À grande échelle, l'eau est désinfectée par des traitements aux ultraviolets ou par l'ajout d'ozone, de chlore ou d'autres réactifs oxydants efficaces.

Pourquoi utilisons-nous du bleu de méthylène ?

Tout d'abord, sa couleur intense nous aide à estimer visuellement l'efficacité du filtre. Deuxièmement, la structure chimique de ce colorant est très proche de celle des polluants organiques répandus tels que les dioxines (voir ci-dessous : la dioxine, à gauche, et le bleu de méthylène, à droite). Si un filtre peut éliminer une solution de bleu de méthylène, il devrait donc également être efficace contre les vrais polluants.

dioxines

Ça, c’est intéressant !

Pourquoi purifions-nous l'eau ?

A partir du moment où nos ancêtres ont commencé à vivre en grands groupes, ils se sont mis a polluer leur environnement. Au début, on créait des déchets que la nature pouvait recycler assez facilement : des restes de nourriture, des copeaux de bois et des tissus naturels (cuir, fourrure et fibres végétales). Cependant, dès lors que les humains ont appris à extraire les métaux des minerais et à produire des matériaux synthétiques, les dégâts environnementaux causés par des déchets dispersés inconsidérément ont pris des proportions catastrophiques.

De nombreux composés sont solubles dans l'eau et ils ne sont pas tous aussi inoffensifs que le sel ou le sucre. Certaines impuretés dissoutes trahissent leur présence par une couleur, un goût ou une odeur révélateurs. Les caractéristiques de l'eau indiquant la présence d'impuretés sont appelées propriétés organoleptiques. Bien sûr, nous reconnaissons d'emblée une eau malodorante ou boueuse.

Malheureusement, il est souvent impossible de détecter des concentrations nocives de substances dangereuses sans utiliser des dispositifs particuliers. Nous utilisons des filtres à eau pour débarrasser notre eau potable de ces impuretés.

Filtres à charbon

Un composant clé de nombreux filtres est un matériau de sorption, ou un adsorbant. Il s'agit d'un composé solide, insoluble dans l'eau, capable de capter et d'adsorber d'autres substances de l'eau ou de l'air.

Ecartons nous du sujet un instant. Beaucoup d'entre vous savent que les fourmis peuvent porter entre 50 et 100 fois leur propre masse. Pour un être humain, cela équivaudrait à porter un éléphant adulte ! D'une certaine manière, un adsorbant est une « fourmi » inanimée très costaude.

Comment fonctionne un adsorbant ? La masse totale des substances qu'il adsorbe est bien supérieure à sa propre masse. De plus, si l'adsorbant est efficace, il est difficile de récupérer les substances adsorbées ; elles sont fermement piégés à l'intérieur de l'adsorbant et ne peuvent pas s'échapper dans l'eau ou l'air déjà filtrés.

L'un des adsorbants les plus populaires est le charbon actif, qui est produit en chauffant du bois brut sous pression créée par vapeur d'eau. Afin de rendre la purification plus efficace, des coquilles de noix (généralement de la noix de coco) sont parfois utilisées à la place du bois. Surtout, il est important que les particules d'adsorbant soient poreuses et très petites : plus les pores sont nombreux, plus la surface nette du matériau est grande, ce qui, à son tour, facilite l'adsorption.

Nous utilisons un colorant, du bleu de méthylène, pour analyser la qualité du charbon actif. Ce colorant est relativement inoffensif (à moins que vous ne le renversiez sur une chemise propre !) et sa structure moléculaire est similaire à celle de nombreux polluants organiques que l'on peut trouver dans l'eau potable, comme les pesticides. La présence ou l'absence de ce colorant (c'est-à-dire s'il a été adsorbé avec succès ou non) est visible à l'œil nu. Plus le charbon ou un filtre à base de charbon élimine efficacement le bleu de méthylène de l'eau, plus il éliminera efficacement de nombreux polluants.

Quelles méthodes sont utilisées pour purifier l'eau ?

L'eau doit être soigneusement analysée avant sa purification. La méthode de purification est choisie en fonction des polluants les plus répandus.

  • Adsorption : un adsorbant (généralement du charbon de coco ou du charbon de bois) piège et élimine les impuretés organiques de l'eau.

  • Echange d'ions : des résines spéciales interagissent avec une solution pour piéger les ions de métaux lourds.

  • La chloration de l'eau est une méthode utilisée pour tuer les bactéries pathogènes dans l'eau.

  • Les filtres mécaniques peuvent purifier l'eau du sable, de la vase, de la boue, de la rouille et d'autres particules insolubles.

  • L'électrolyse (dessalement de l'eau) est alimentée par un courant électrique qui élimine divers types d'impuretés comme les ions métalliques. Ces impuretés sont alors expulsées sous forme de gaz ou de précipités qui peuvent être facilement éliminés à l'aide d'un filtre mécanique (cette technique est généralement utilisée pour éliminer les impuretés métalliques de l'eau).

Néanmoins, aucune de ces méthodes ne peut purifier l'eau de toutes les impuretés à elle seule. Afin de purifier correctement l'eau, nous utilisons des systèmes de filtration complexes à plusieurs niveaux qui utilisent plusieurs de ces méthodes à la fois.