Cet article vise à présenter les principes de la mesure du pH en aquariophilie, le fonctionnement des pH-mètres, le rôle et les limites des sondes pH, ainsi que les principales sources d’erreurs et d’instabilité.

1. Principe généraux

1.1. Le pH

Le pH (potentiel hydrogène) est l’expression chiffrée de l’activité des ions hydrogène déterminant le caractère acide (ou son opposée : basique) d’une solution aqueuse. Il est défini comme :

𝑝𝐻 = − log₁₀[𝐻+]

où H+ est la concentration en ions hydrogène (plus précisément en ions hydronium 𝐻3𝑂+). Interprétation :

• pH = 7 → neutre
• pH < 7 → acide (forte concentration en 𝐻+)
• pH > 7 → basique (faible concentration en 𝐻+)

L’échelle est logarithmique, c’est à dire que pour 1 unité pH la concentration en 𝐻+ varie 10 fois plus. La précision s’impose !

1.2. La mesure : ion H+ → mV → pH

La mesure utilise un capteur : la sonde pH, organe essentiel comportant à sa base un bulbe en verre de structure amorphe, hydratable. Au contact de l’eau, il se forme à sa surface une couche hydratée, un gel de silice d’épaisseur 10 à 100 nm permettant les échanges des cations alcalins du verre (Na⁺, Li⁺) avec des ions H⁺ (ou H₃O⁺) de la solution.

Contrairement aux idées reçues, ce verre n’est pas poreux. Les échanges ne sont que ioniques, générant une différence de potentiel à double sens entre l’intérieur du bulbe (une solution interne à pH connu) et l’extérieur (l’eau de l’aquarium). Quand la solution est alcaline, les ions H+ diffusent hors de la couche et une charge négative s’établit sur la face externe de la membrane. A contrario quand la solution est acide, le phénomène s’inverse, les ions H+ diffusent dans la couche et une charge positive se forme sur la face externe de la membrane.

La sonde est donc une pile électrochimique qui transforme une activité ionique (H⁺) en une différence de potentiel électrique (mV) proportionnelle au pH de la solution. Les potentiels sont captés par deux électrodes : l’électrode de mesure (potentiel variable) et l’électrode de référence (potentiel stable ≈ pH 7). La tension électrique suit une relation linéaire avec le pH, dont la pente dépend de la température, selon l’équation de Nernst soit ≈ 59,16 mV par unité de pH à 25 °C.

2. Systèmes de mesure du pH

Contrairement aux tests colorimétriques, la mesure du pH repose sur deux éléments indissociables : l’électronique de mesure (pH mètre, régulateur pH) et le capteur (sonde pH).

La mesure du pH est complexe et peut atteindre un niveau extrême de précision laboratoire. Cet article se limite aux besoins plus modestes de l’aquariophilie.

2.1 Mesure et régulation du pH

2.1.1. Mesurer le pH

Le pH-mètre

Le pH-mètre mesure la tension (≈ 400 mV) aux bornes des électrodes de très haute impédance (10⁷ à 10⁹ Ω), l’amplifie sans pertes, convertit le signal analogique en numérique, compense la température et les dérives d’étalonnage, réduit les bruits électroniques parasites pour afficher la valeur du pH, le tout dans une atmosphère saline et à proximité d’autres équipements électriques perturbateurs (ozoniseur…). Autant dire qu’un pH-mètre est un organe de haute qualité électronique, sensible à son environnement. Sa précision est au niveau de son coût.

L’aquariophile exploite plusieurs types d’équipements :

• Stylo pH (pen-type) : l’électrode intégrée au boitier de mesure n’est pas toujours remplaçable. Ce sont des modèles économiques, pratiques pour mesurer ponctuellement et rapidement l’eau de plusieurs aquariums, un changement d’eau, l’impact d’une intervention… Leur précision est moyenne : ± 0,1 à ± 0,2 pH. Ils sont étalonnables en 1 point, parfois 2 points. Certains stylo pouvant détecter automatiquement la valeur de la solution d’étalonnage. Du fait des nombreuses manipulations le bulbe s’assèche fréquemment à l’air libre, générant des dérives et une usure prématurée. Ce qui impose des calibrations fréquentes. Leur stabilité moyenne les exclut de l’aquariophilie récifale.
• Boitier de mesure pH : son coût est très variable selon la précision et la fiabilité attendues.
  • Boitier portable : permet des mesures ponctuelles avec une meilleure précision que les stylos. Suffisant pour usage courant à condition d’être bien entretenu. Cependant il ne permet pas de mesure continue en temps réel.
  • Boitier fixe : l’équipement dédié à un poste fixe permet des mesures sans inerties, représentatives du milieu. Utilisés en continu 24/7 dans une ambiance humide et parfois saline, ils nécessitent une excellente qualité électronique et une alimentation secteur. L’immersion constante de la sonde l’expose au contact de l’eau de mer agressive, voire très agressive dans un réacteur à calcaire ou au contact de lait de chaux.
• pH-mètre de paillasse : destiné à être posé sur une table de laboratoire, ce n’est pas un type utilisé dans notre hobby.

Compensation de la température

Le signal de la sonde évolue selon la température. La compensation automatique de la température (ATC) a pour effet de corriger par le calcul, la pente théorique Nernstienne de l’électrode. En aquariophilie certains testeurs portables, disposent de l’ATC avec un capteur de température indépendant ou intégré dans la sonde. D’autres équipements se basent sur une température fixe (25 °C). Ce n’est pas un réel inconvénient quand la température réelle ne diffère pas de plus de 10 °C et si l’on accepte une erreur de mesure ≈ 0,05 pH.

Modèles de pH-mètres

2.1.2. Réguler par le pH

Le régulateur de pH

Un système asservi au pH utilise un régulateur de pH (contrôleur pH). Ce dernier automatise la régulation, prenant en compte rapidement les dérives liées aux impacts externes sur le pH (pression de gaz, température, vitesse de dissolution de calcaire…) réduisant ainsi le risque de dérive de fonctionnement. Le coût plus élevé se justifie par la fiabilité nécessaire au pilotage de fonctions parfois critiques.
La régulation est cependant binaire avec une certaine inertie. Elle oscille donc dans une certaine plage (ex. pH interne d’un RAC). La sensibilité et la fiabilité de l’équipement conditionnent alors l’étendue des dérives. Des modèles plus élaborés proposent des options telles que l’enregistrement des mesures, des alertes, le paramétrage et le suivi via Wifi…).

Le régulateur de pH associe plusieurs éléments :

• La mesure du pH : un pH-mètre et sa sonde externe décrits ci-dessus.
• La régulation du pH : le dépassement d’une valeur de pH (consigne) commande un organe (électrovanne, pompe doseuse, ventilation…). C’est le cas de la régulation des injections de CO₂ pour la croissance des plantes d’eau douce, celle de CO2 dans un réacteur à calcaire ou au contact d’eau de chaux pour la supplémentation en carbonates et calcium d’un aquarium récifal.
  Des ordinateurs de gestion d’aquarium intégrant mesure et régulation peuvent accomplir la mission : Apex neptune, GHL – ProfiLux.
• Câble de connexion à l’organe commandé (EV, pompe…) dont la tension de fonctionnement et la broche correspondent aux spécifications du fabricant.
• Alimentation en courant : indispensable puisque ces appareils mesurent et pilotent automatiquement en continu selon le pH.

Modèles de régulateurs de pH

Choix d’un mesureur ou régulateur de pH

L’équipement doit répondre à des critères selon l’utilisation envisagée (tableau 1) : qualité électronique ; exactitude ; résolution de l’affichage ; fiabilité dans une ambiance parfois saline, déclenchement haut ou bas pH, réglage de l’hystérésis (déclenchement au-delà de la consigne).

2.1.3. Exactitude et résolution du pH-mètre

Ces deux caractéristiques ont parfois les mêmes valeurs mais pas la même importance.

• Résolution : il ne s’agit que des décimales affichées. Une résolution 0,01 pH affiche deux chiffres après la virgule. Se méfier d’une notice annonçant une résolution 0,01 pH qui oublierait de signaler une exactitude 0,1 pH.
• Exactitude (E) : parfois injustement nommée précision, elle s’exprime par l’incertitude de mesure ou erreur maximale tolérée (EMT). Par exemple pour une EMT ± 0,02 pH, la valeur lue étant 8,00, la valeur réelle se situe entre 7.98 et 8.02 pH.
  L’exactitude s’exprime parfois par EMT ± (A + B%), A étant une erreur fixe (liée à l’offset, au bruit, à la résolution…) et B une erreur (liée au gain, à l’amplification). Cette dernière est fréquemment un nombre de digit (dernier chiffre affiché) ou parfois proportionnelle, soit à la valeur lue, soit à la pleine échelle pleine (full scale FS). Par exemple, pour un pH-mètre dont la résolution est 0,02 pH :
  – Digit : 8,20 ± (0,1 pH + 2 digit) = 8,20 ± (0,10 + 2 x 0,02) = 8,20 ± (0,10 + 0,04) = 8,20 ± 0,14, soit 8,06 à 8,34 pH
  – Valeur %: 8,20 ± (0,1 pH + 1 % ) = 8,20 ± (0,1 + 0,082) = 8,20 ± 0,182 soit 8,02 à 8,38 pH

  Noter que l’exactitude est la combinaison de la justesse (proximité des valeurs mesurées et vraies) et de la fidélité (dispersion des valeurs mesurées). Cette dernière dépend de la répétabilité (même opérateur, appareil, conditions, court intervalle) et de la reproductibilité (opérateur, jour… différents), elle peut être grandement affectée par une évolution des conditions de mesure dans l’aquarium (usure, courant, parasitages…). D’où l’importance de procéder à des étalonnages réguliers et crédibles comme on va le voir.

2.2. La sonde de mesure pH

2.2.1 Caractéristiques de la sonde pH

La sonde pH est un capteur électrochimique extrêmement sensible dont la fiabilité dépend étroitement de sa qualité, de son entretien, de l’environnement électrique, électronique et chimique de l’aquarium où coexistent pompes, chauffages, éclairages et autres capteurs immergés. Les mesures peuvent devenir instables, bruitées ou trompeuses si certaines précautions ne sont pas respectées. C’est l’organe essentiel qui conditionne la fiabilité de la mesure à sa source : le pH-mètre le plus précis n’exploitera pas ses excellentes caractéristiques avec une sonde de mauvaise qualité.

Concrètement, sa qualité dépend principalement des critères :

• Stabilité électrochimique : capacité des électrodes à maintenir un potentiel stable dans le temps, sans recalibrages intempestifs. Elle dépend de la qualité du verre, des électrodes, de l’électrolyte de référence, de la jonction.
• Cinétique de réponse : c’est la vitesse à laquelle la sonde atteint sa valeur stable après un changement de pH. Elle dépend des matériaux choisis pour les électrolytes. Une sonde standard d’aquarium atteint 95 % de la valeur finale en 20 à 40 secondes et stable en moins de 2 minutes, 95 % en 10 à 20 s pour des sondes performantes. Une sonde dégradée se manifeste par une réponse lente, au-delà de 60 secondes elle est probablement hors service.
• Résistance au colmatage : on évoque ici l’usure des jonctions liée au choix des matériaux, leur environnement et à la maintenance de la sonde.

2.2.2. Éléments de la sonde pH

La sonde pH, en verre ou en matériau composite, combine aujourd’hui deux électrodes (sonde combinée), l’une pour la mesure et l’autre comme référence de mesure, toutes deux baignant dans un électrolyte adapté au milieu. L’ensemble comporte plusieurs éléments (schéma) :

• Compartiment de mesure : il contient l’électrode de mesure en argent/chlorure d’argent Ag/AgCl baignant dans une solution tamponnée avec HCl, à pH acide constant. Son rôle est de générer un potentiel électrochimique. Á sa base le bulbe en verre spécial alcalino-silicaté constitue une membrane sélective formant une barrière au liquide à mesurer mais laissant passer ses ions H⁺. Il n’est pas conducteur à sec, une sonde sèche ne mesure pas. En présence d’eau, une couche hydratée gélifiée de quelques dizaines de nanomètres se forme à la surface dans laquelle l’échange ionique est possible.
• Compartiment de référence : une électrode Ag/AgCl baigne dans un électrolyte, en général du chlorure de potassium KCl saturé en AgCl, assurant un potentiel de référence stable. Cet électrolyte se présente sous forme liquide, parfois rechargeable, stable et durable, ou sous forme de gel à durée de vie plus courte mais sans maintenance particulière.
• Compartiment intermédiaire : cette zone tampon isole les deux compartiments précédents des milieux agressifs afin de protéger la référence interne en limitant la diffusion des contaminants tout en maintenant une continuité ionique. On parle alors de sonde à double jonctions. Il ne contient qu’un électrolyte, parfois différent de celui du compartiment de référence.
• Jonctions : les compartiments communiquent entre eux par une interface, la jonction, qui assure le contact ionique entre l’électrolyte interne et le milieu extérieur.
  • Jonction extérieure : c’est un élément critique qui s’use, se colmate et conditionne la durée de vie de la sonde. En aquarium les particules fines, les précipités (CaCO₃), les biofilms bactériens, les matières organiques peuvent obstruer la jonction. Ce colmatage est source de bruits de mesure, d’une augmentation de l’erreur de mesure et du temps de réponse. Généralement en matériau céramique, en milieu industriel agressif la jonction peut être en PTFE ou en élastomère, plus résistante au colmatage, voire sans jonction avec un orifice.
  • Jonction interne : une jonction supplémentaire se situe à l’interface des compartiments intermédiaire et de référence. La sonde double jonction est conseillée en milieu agressif et très ionique, chargé en fines de calcium de carbonates et en CO₂ tel que dans un réacteur à calcaire ou en présence d’eau de chaux.
• Connexion au contrôleur pH, en général avec une prise BNC
• Câble de longueur adaptée, en général 1,5 m, 3 m, voire plus. Une attention particulière doit se porter sur l’étanchéité entre fil et capuchon de la sonde, parfois source d’infiltration d’eau.
• Capteur de température : certaines sondes dites 3-en-1 intègrent un capteur de température pour compenser le calcul dans les situations de variations importantes.

2.2.3. Utilisation de la sonde pH

La sondes pH est un dispositif sensible dont la durée de vie en aquariophilie est limitée à environ 12 mois au-delà desquels le temps de réponse devient lent, le signal incohérent. Toute électrode vieillit en raison de la chimie du verre, même lorsqu’elle n’est pas utilisée. Des résidus sur la membrane en verre ou des réactions du système de référence peuvent simplement perturber les échanges.

Quelques précautions d’emploi permettent de doubler la durée de vie :

Manipulations

• Avant la première utilisation, immerger 8 heures dans solution de conservation (KCl à 3 mol/L).
• A l’achat Éviter les chocs mécaniques et thermiques.
• Ne jamais essuyer le bulbe avec un papier qui pourrait rayer et endommager la membrane en retirant la couche de gel et en créant une charge électrostatique source de dysfonctionnements.
• Eviter la contamination : nettoyage et rinçages périodiques avec un solvant approprié.

Mesures dans l’eau à tester

• Rincer rapidement la sonde à l’eau pure : distillée, déminéralisée, déionisée.
• Immerger la sonde (bulbe et jonction extérieure) dans un becher rempli d’eau à tester.
• Remuer doucement, sans agiter.
• Laisser le temps à la sonde de se stabiliser 1 à 3 minutes selon l’usure, avant lecture.
• Rincer entre deux mesures dans des liquides différents.

Implantation d’une sonde pH fixe

La sonde pH sera ménagée en respectant quelques consignes :

• Fixer à un support d’électrode pour conserver la position et éviter la chute dans l’eau.
• Position verticale, voire légèrement inclinée d’un angle < 45° pour assurer un contact électrolytique optimal
• Non totalement immergée : immerger au minimum jusqu’au niveau indiqué par le fabricant sans noyer le capuchon. En effet, sauf certifiées IP68, le câble scellé dans la résine du capuchon n’est pas conçu pour une immersion totale prolongée. Pour cette raison il est recommandé de placer la sonde dans un compartiment de niveau constant, non submergé en cas d’arrêt de pompe de remontée et hors zones fortement exposées à des projections d’eau saline pouvant s’infiltrer par capilarité entre capuchon et câble.
• Éviter les flux directs tels que rejet de pompe, d’écumeur.
• Eviter les bulles d’air (écumeur).
• Éviter la proximité d’organes électriques chauffages, pompes à coutant alternatif, ozoniseur.
• Espacer les organes électroniques : une sonde redox peut interférer électriquement notamment en eau de mer, si les câbles sont mal blindés et les mesures issues d’appareils différents.
• Positionner la sonde dans un flux constamment renouvelé.
• Éviter les zones de turbulence extrême (entrée de cuve technique, proximité de chicanes…). Privilégier les zones à débit modéré et constant.
• Utilisation continue : les sondes utilisées sont prévues pour une utilisation continue 24/7 avec les régulateurs.

Nettoyage, restauration

Lorsque la jonction ou la membrane en verre semblent contaminées, quand la réponse est lente ou l’étalonnage difficile.

1. Détacher les particules solides qui se déposent sur le bulbe en agitant légèrement l’électrode dans l’eau.
2. Tremper la sonde (bulbe et jonction) dans une solution de nettoyage durant 15 à 30 mn selon le niveau d’encrassement. La solution de nettoyage d’acide chlorhydrique (HCl) dilué à ≈ 0,1 à 0,5 M, pour dissoudre carbonates, hydroxydes, dépôts minéraux légers, est parfois complétée de pepsine pour éliminer les dépôts protéiques et le biofilm.
   Ne pas tremper de manière prolongée dans la solution acide.
3. Rincer rapidement à l’eau distillée ou osmosée.
4. Après nettoyage, reconditionner la sonde 15 à 30 min dans la solution de conservation (KCl 3 M).
5. Étalonner la sonde après nettoyage. En effet, la solution de nettoyage diffusée dans la jonction peut provoquer des potentiels de diffusion : les ions H⁺, K⁺, Cl⁻ diffusent à des vitesses inégales générant une différence de potentiel électrique non réaliste.

Il est possible de restaurer la couche de gel (10–100 nm) d’un bulbe desséché par une réhydratation de 12 à 24 heures, voire plusieurs jours pour un bulbe séché durant une longue période, dans une solution de stockage standard (KCl 3 mol/L). Etalonner pour vérifier l’efficacité du traitement.

Stockage

La couche hydratée disparaissant, le verre perd sa sensibilité. La réponse devient lente réduisant sa durée de vie. Le défaut peut être irréversible. De simples précautions limitent l’usure :

• Toujours humide : une sonde pH ne doit jamais être à sec, ne serait-ce que quelques minutes.
• Eau douce interdite : ne jamais stocker la sonde dans de l’eau déminéralisée, osmosée, qui provoquerait un lessivage des ions la rendant inopérante.
• Stockage à court terme : entre les mesures ou lorsque l’électrode n’est pas utilisée pendant de courtes périodes, il est préférable de conserver la sonde (bulbe et jonction) dans son récipient contenant la solution de conservation composée de chlorure de potassium (KCl à 3 mol/L). S’assurer de l’immersion totale du bulbe.
• Stockage long terme : quand la couche hydratée se formant sur le bulbe sèche, elle se contracte, les sites Si–OH se réorganisent la réponse devient lente ou erratique. Aussi, la sonde se stocke dans son capuchon protecteur fourni à l’achat, rempli de solution de conservation (KCl à 3 mol/L). Le bulbe et la jonction doivent être immergés. S’assurer de l’étanchéité à la fermeture sous peine d’évaporation de la solution entraînant la formation de cristaux au niveau de la jonction, voire même à l’intérieur de l’électrode. Ainsi la sonde pourra être utilisée immédiatement avec un temps de réponse court.

Sondes pH

Problèmes fréquents, remèdes.

Cet article a mis en avant des problèmes pouvant survenir durant l’utilisation d’un pH-mètre ou régulateur pH. Le tableau 2 répertorie quelques cas et les actions correspondantes.

3. Étalonner le pH-mètre avec sa sonde

3.1. Principes d’étalonnage

Le pH-mètre et la sonde forment un couple indissociable, ainsi l’étalonnage se réalise toujours pour chaque ensemble appareil + sonde. Une nouvelle sonde implique un nouvel étalonnage. L’étalonnage s’effectue environ tous les mois, et plus fréquemment quand la sonde vieillit. Respecter la fréquence est essentiel quand il s’agit de piloter des fonctions critiques de la maintenance (supplémentation en KH et Ca…).

La relation entre le pH et la tension délivrée par la sonde étant linéaire, l’étalonnage s’effectue en deux points qui caractérisent le point zéro de la droite (offset) et sa pente (inclinaison) (figure 1). Les deux solutions tampons d’étalonnage sont choisies en fonction de la précision souhaitée et de la plage de mesure.

1. Etalonnage du point zéro : avec une solution tampon pH 7, l’électrode pH devant alors délivrer une tension de 0 mV. Toujours réaliser l’étalonnage avec le tampon pH7 en premier.
2. Etalonnage de la pente : la seconde solution tampon doit avoir une valeur de pH proche de la valeur de mesure, avec un écart d’au moins 2 pH, soit en général pH 4,01 pour l’eau douce et pH 918 (ou pH 10,01) pour l’eau de mer.

3.2. Solutions tampon

• Certification : En usage aquariophile il n’est pas essentiel d’utiliser des solutions tampon certifiées. Une solution tampon standard devrait avoir une précision de ± 0,02 unités de pH
• Pouvoir tampon : les solutions d’étalonnage couramment utilisées (phosphate monopotassique et disodique, borax ou carbonate de sodium) se distinguent par leur capacité tampon élevée et leur stabilité à long terme. Elles présentent l’avantage de ne pas se laisser facilement contaminer par d’autres liquides. Pour autant toute précaution doit être prise pour éviter les contaminations lors des manipulations croisées.
• Durée de vie : correctement stockée la solution se conserve environ 1 an.
• Utilisation : limiter l’exposition au dioxyde de carbone de l’air, ne pas agiter fortement.

Les valeurs des solutions tampons résultent de mélanges acide/base normalisés NIST. Plus ou moins sensibles à la température, elles sont établies pour une température de référence 25 °C (tableau 3).

3.3. Mode opératoire d’étalonnage

1. Nettoyer la sonde comme expliqué ci-dessus.
2. Rincer rapidement dans de l’eau déminéralisée ou osmosée puis égoutter avant chaque étalonnage.
3. Essuyer la sonde avec un papier absorbant en évitant tout contact avec le bulbe. Ne pas souffler sur le bulbe, ce qui le sècherait.
4. Tremper dans la solution pH 7 de 1 à 3 mn selon la réactivité de la sonde, le temps nécessaire pour que tampon et électrode soient à la même température. Valider la valeur sur le pH-mètre quand elle est stable.
5. Rincer de nouveau et égoutter entre chaque mesure.
6. Tremper dans la solution pH 9 (ou pH 4) de 1 à 3 mn et valider, dans les conditions identiques à pH 7.
7. Réitérer les opérations depuis l’étape 2 jusqu’à ce que le pH-mètre indique des valeurs proches (écart ≈ 0,02 pH) sans besoin de réétalonner. Chaque ajustement corrige une partie de l’erreur jusqu’à obtenir une valeur représentative, crédible.
   • Valeurs correctes après1 à 2 itérations : sonde correcte, la pente réelle est > 95 % de la pente théorique.
   • Nécessité de répéter 3 à 4 itérations : sonde colmatée ou usée (vieillissement du verre, hydratation incomplète, dépôts sur le bulbe. La pente réelle peut être > 90 % de la pente théorique. Retenter un nettoyage plus poussé.
   • Impossibilité de retrouver les valeurs correctes : sonde hors d’usage, pente < 90 % de la pente théorique.

En savoir plus

• The theory and practice of pH applications: a guide to pH measurement Mettler-Toledo GmbH 2023

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1. Pourquoi utiliser un RAH

Le réacteur à hydroxyde de calcium (RAH) délivre une solution saturée d’hydroxyde de calcium, très basique (pH ~12). Il s’utilise dans deux principaux cas :

1. Supplémenter les apports en calcium et en carbonates quotidiennement.
2. Compenser la baisse de pH nocturne induite pas l’arrêt de la photosynthèse alors que la respiration des organismes se poursuit. Il peut agir en complément d’autres apports, notamment celui d’un réacteur à calcaire (RAC) parfois lui-même la cause d’un pH bas quand son fonctionnement n’est pas optimisé.

2. Principe de pilotage par plages horaires

2.1. Objectifs

Une approche simple et efficace consiste à programmer l’injection de l’hydroxyde de calcium en fonction du temps, à l’aide d’une pompe péristaltique. La distribution est alors lente en courtes périodes répétées la nuit, selon les besoins du bac. Pour ce, le système doit répondre à des objectifs :

• Période d’injection ciblée, le plus souvent nocturne après l’arrêt de la photosynthèse, par exemple de 20 h à 8 h.
• Quantité injectée modulable, par petites doses évitant la précipitation locale. Elle dépend des paramètres suivants :
  • Débit lent de la pompe péristaltique (20 à 100 ml/mn), parfois modulable sur certaines pompes.
  • Durée des injections (ex. 5 à 30 secondes) : de petites quantités limitent le risque de hausse brutale du pH et la précipitation du calcium et des carbonates.
  • Fréquence des injections (ex. 2 à 30 fois par heure). Des injections régulières stabilisent le pH de manière douce.
• Sécurité : pour éviter les risques d’élévation excessive du pH au-delà de 8,5 il est recommandé de limiter le débit ou la concentration de l’hydroxyde, voire de coupler le système à un contrôleur pH qui stoppera les injections.

2.2. Avantages et inconvénients

Avantages :

• Stabilité du pH nocturne améliorée.
• Apport en calcium et alcalinité, en complément d’un éventuel réacteur à calcaire ou Balling.
• Simplicité de mise en œuvre, sans nécessité de sonde pH ni de régulation en boucle fermée.
• Pas de risque d’injecter trop d’eau de nature à modifier la salinité.
• Peu de risque de dérèglements quand les réglages sont optimisés. Des aquariums de grands volumes utilisent ce système de régulation de pH sans problème durant des années.
• Faible coût.

Inconvénients :

• Nécessité de recharger régulièrement le réacteur en hydroxyde de Ca tous les 2 à 7 jours selon la concentration et l’usage.
• Irrégularité dans le cadre du maintien du pH : on utilise du lait de chaux, une dilution fortement concentrée au-delà de la limite de solubilité de l’hydroxyde de calcium. Cependant la concentration interne diminue à chaque injection j’usqu’à atteindre une solution tout saturée, assez limpide, l’eau de chaux.
• Les injections introduisent aussi de l’eau dont le volume quotidien doit rester inférieur à l’évaporation.
  • La suplémentation de Ca et KH souvent avec de l’eau de chaux, une solution limpide saturée en hydroxyde, trouve alors sa limite en présence d’une forte densité d’animaux calcificateurs.
  • Le maintien du pH nocturne impose souvent d’utiliser du lait de chaux, une dilution blanchâtre sursaturée de poudre.

3. Quelle quantité d’hydroxyde de calcium injecter

Toute supplémentation, quelle qu’elle soit, se détermine selon la consommation du ou des éléments consommés quotidiennement.

L’hydroxyde de calcium permet d’obtenir du calcium et des carbonates Ca(OH)₂ → Ca²⁺ + 2OH₂ dans un ratio fixe. Le calcium est immédiatement disponible tandis que les ions OH_– réagissent avec le CO₂ dissous pour former des carbonates (nécessité de gaz carbonique dissous dans l’eau).

Les coraux qui fabriquent principalement du carbonate de calcium CaCO₃ sous forme aragonite consomment du calcium et des carbonates selon un ratio stable, avec une stœchiométrie proche de 1:1 en mole. Le récifaliste connaissant la consommation quotidienne de carbonates via la mesure facile du KH ou le tableau ci-contre, peut facilement en déduire la quantité d’hydroxyde de calcium : 1 dKH consommé = 20 × 0,357 ≈ 7,1 mg de Ca(OH)₂ par litre d’eau. Ainsi, un aquarium de volume V consommant X dKH par jour, nécessite :

Masse journalière Ca(OH)₂ (g) = 0,0071 x X (dKH) x V (l)

Exemple : un aquarium de 1000 l consommant 1,5 dKH/j nécessite 0,0071 × 1,5 × 1000 = 10,650 g de Ca(OH)₂ par jour, soit 11 g (une cuillère à soupe bombée ≈ 12 g).

Dans la pratique la consommation dépend de l’ensemble des organismes calcificateurs (coraux, mollusques tels que les bénitiers…). Les paramétrages ne sont validés qu’après essais et sont réajustés selon l’évolution.

3. Réalisation DIY de pilotage du RAH

3.1. Composants

Le choix des composants a ici pour objectif une réalisation accessible à un bricoleur non expert. Elle fait appel à deux modules électroniques l’un pour la minuterie (horloge journalière) et l’autre pour les séquences de distributions (timer), le tout pour un coût modique d’environ 35 €.

	Module minuterie (3 €) : il s’agit du module XH-M196 12 VCC, 50 mA. Il permet de programmer 3 plages d’heures quotidiennes à la minute près. Toute période débutant avant minuit et finissant après minuit nécessite deux plages horaires (ex. 20h00 – 23h59 puis 0h00 – 8h00). Une batterie permet de conserver l’heure en cas de coupure de courant. La notice Horloge XH-M196 détaille le paramétrage.
	Module timer (2 €): le module relais temporisé XY-J104 12 VCC, 50 mA. Il permet plusieurs configurations de successions ON/OFF avec une précision de 0,1 s, 1 s ou 1 mn selon le cas, pour piloter un relais. La notice Relais temporisé XY-J102, J104 détaille le paramétrage. Dans notre cas (programme P1.3) une succession d’états marche/arrêt, débutant par une séquence ON, paramétrables de 1 s à 999 mn, se succèdent durant la la plage horaire.
	Pompe péristaltique (5 – 12 €): une pompe 12 VCC, 500 mA de débit 20 à 100 ml/mn (ex. Kamoer KPHM100-HEB10 de 90 ml/mn) avec tube PBT.
	2 connecteurs (1 €) prise Jack femelle de montage sur panneau 5.5 x 2.1 mm, l’un pour l’alimentation 12 V et la pompe 12 V interne au RAH.
	Interrupteur à bascule (0,5 €) 3 broches, dia 15 mm, pour commuter l’appareil en marche auto et forcée si besoin.
	Alimentation (3 €) 12 VCC, 3A.
	Boitier (6 €) ABS couvercle transparent 120 x 120 x 90 mm
	Pompe interne RAH (10 €) : j’ai profité de l’occasion pour changer la pompe initiale 230 V par une pompe très basse tension compatible avec les composants modèle brushless JT750, 12 V, 17 W, 1400 mA , 700 l/h, IP68. L’usage dira s’il faut s’orienter vers un axe en céramique plus fiable.
	Accessoires : fil 0,3 mm2 ; soudure, fixation…

3.2. Assemblage électrique

3.3 Montage des composants

Dans l’urgence le montage ci-dessous utilise un modèle provisoire de pompe péristaltique et de boitier.

3.4 Fonctionnement du programme

Dans la vidéo, à 15h53 le démarrage de la pompe se produit après 15 s, puis s’arrête à 10 s. Ce n’est pas la configuration finale dans laquelle la séquence ON (démarrage) a lieu en premier.

Pour mon aquarium de 1000 l moyennement peuplé, j’ai injecté du lait de chaux durant 10 secondes toutes les 3 minutes entre 20h et 8h.

Assemblage et fonctionnement

3.5 Assemblage avec le réacteur

J’utilise ici un vieux réacteur à hydroxyde Ratz qui m’a rendu de loyaux services à mes débuts. J’ai simplement changé la pompe de mélangeage pour un modèle très basse tension 12 VCC dont la connexion passe au travers du couvercle pour un remplacement éventuel.

4. Conclusion

Mon utilisation destinée à réguler le pH nocturne d’un aquarium de 1000 l moyennement peuplé a nécessité l’ajout de 2 cuillères à soupe d’hydroxyde de calcium tous les 2 jours, stabilisant le pH globalement entre 8,0 et 8,4. Cette solution ne me permettant pas de réguler le pH de manière autonome lors d’absences prolongées, je l’ai abandonnée.

La programmation temporelle des injections d’hydroxyde de calcium reste une solution accessible et efficace pour stabiliser le pH d’un aquarium récifal. Elle demande une attention régulière et un bon ajustement des volumes injectés pour éviter les déséquilibres, mais s’avère une méthode fiable pour maintenir la chimie de l’eau.

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1. Concept du géocooling

La géothermie profonde, exploite la chaleur des couches souterraines à grande profondeur (chaleur résiduelle et issue des réactions internes), pour produire de l’énergie. Le géocooling, ou refroidissement géothermique passif, utilise simplement la fraîcheur naturelle des couches superficielles du sol, à faible profondeur, pour abaisser la température d’un local ou d’un fluide. En effet, à l’état naturel le sous-sol conserve une température relativement constante à partir d’une dizaine de mètres, de l’ordre de 10 à 14 °C en Europe occidentale. Elle varie selon les régions et les caractéristiques géologiques locales. Dans une région tempérée, en été on peut espérer une température d’environ 15 °C dès un mètre de profondeur et 16 à 19 °C à 50 cm (figure 1). Ce concept est depuis longtemps utilisé dans les puits canadiens (puit provençal) (figure 2) pour rafraichir l’air ambiant. Il retrouve un intérêt dans la production des pompes à chaleur géothermiques. Dans ce cas la terre préchauffe l’eau. (figure 3).

L’influence de la température extérieure augmente rapidement dans les faibles profondeurs. Dans la pratique on enfouit les installations à une profondeur hors gel : 30 à 50 cm dans le sud de la France, 50 à 80 cm au centre et 80 cm à 1 m dans le nord, voire plus dans les zones montagneuses.

2. Le contexte

2.1. La région

L’aquarium est situé dans le Sud-ouest de la France, à Montauban, en bordure de la grande plaine formée par la Garonne. Une situation géographique à l’abri des influences océaniques directes, avec un sol argileux et sec en été, emmagasinant la chaleur durant la journée. La température estivale atteint des niveaux importants avec quelques épisodes annuels de canicules (température > 30°C, plus de 3 jours, sans rafraichissement nocturne). Le dernier record en 2023 a enregistré à Toulouse une température de 42,4 °C, plusieurs jours, avec un pic nocturne exceptionnel à 34 °C. Chauds les animaux !

2.2. L’aquarium

Il s’agit d’un bac récifal de 1000 litres, abritant une population composée essentiellement de coraux durs (SPS et LPS), d’autres invertébrés variés (anémones, étoiles de mer, ophiures, escargots, holothuries) et quelques poissons tropicaux. Le bac est situé dans une pièce légèrement climatisée, orientée sud-est, proche d’une baie vitrée. La chaleur qui se dégage de la rampe d’éclairage LED de 600 W et des équipements immergés (pompes, écumeur, brassage) entraîne une élévation naturelle de la température ayant déjà dépassé 30 °C en période estivale.

2.3. L’expérience du passé

J’ai maintenu ce type d’aquarium durant 20 ans dans la même région, dans une maison ancienne, fraiche mais mal isolée, avec malheureusement quelques sueurs estivales pour les occupants. L’éclairage HQI aidant, au-delà de 3 jours à plus de 30 °C les coraux montraient des signes de faiblesse. Les bactéries se développaient à vive allure et, avec l’affaiblissement des coraux, les pathogènes prenaient le dessus se traduisant par des nécroses (STN et RTN) à répétitions. Un groupe froid de 650 W assurait (difficilement lors des canicules) la régulation au prix d’un fonctionnement de 15 heures par jour, de début juin à fin septembre, avec son lot d’inconvénients : le bruit, la température dégagée et la douloureuse note d’électricité.

J’ai déjà eu recours à des ventilateurs qui ont vite montré leurs limites. Un premier test de pseudo géothermie avec un tuyau installé dans un vide sanitaire trop tempéré, s’est révélé totalement inefficace avec un gain de 0,2 °C. Insuffisant pour compenser les sources de chaleur.

2.4. Les expérimentations

Fort de ces constats, l’opportunité de la construction de ma nouvelle maison, m’a permis de mieux envisager la géothermie. Cependant, je ne souhaitais pas refroidir directement l’eau de l’aquarium, craignant une action bactérienne au sein du tuyau enterré quelque peu hypoxique. La durée du passage est de l’ordre de 1,5 mn.

Avec l’option d’un échangeur et pour anticiper les besoins, j’ai tenté le calcul du bilan des échanges thermodynamiques : air ambiant / verre, propagation au sein verre, au contact verre / eau, l’inertie dans l’eau du bac, au contact eau / échangeur, dans le tuyau de rafraichissement enterré et contact tuyau / terre, en incluant les apports caloriques des pompes, de l’éclairage… et je me suis perdu. J’ai donc tenté l’expérimentation.

Dans un premier temps, j’ai opté pour un échangeur géothermie/bac, à placer dans la cuve technique. A l’heure où l’on fait la chasse aux microgrammes par litre de métaux dissous, il est difficile de trouver des matériaux suffisamment conducteurs et non oxydants dans l’eau de mer.
J’ai d’abord opté pour un tuyau PET d’adduction d’eau. Mauvais conducteur mais de faible épaisseur… pourquoi pas ? Après modélisation 3D, et quelques pièces imprimées il conservait sa forme en serpentin (figures 4 à 6). Échec, le gain s’est limité à 0,8°C !
J’ai donc tenté le serpentin en métal. Le titane étant trop cher pour un résultat incertain, j’ai opté pour de l’inox. L’inox 304 L (A2) s’oxyde dans l’eau de mer. Pour éviter son contact direct avec l’eau, j’ai réussi à le passer tant bien que mal dans un tuyau souple PVC cristal (figure 7). Le bilan n’a pas été meilleur.

Un récifaliste adepte depuis longtemps de la géothermie a levé mes craintes liées à une action bactérienne. J’ai donc abandonné l’idée de l’échangeur. Tout devenait plus simple et prometteur.

3. Réalisation du refroidissement géothermique

3.1. Enfouissement du circuit

L’enfouissement sous le vide sanitaire durant la construction de la maison a facilité l’opération. Pour autant il suffit de quelques saignées dans le sol sans besoin de creuser large et profond à la pelle mécanique. Cela peut se généraliser à de nombreuses situations.

J’ai profité du week-end précédant le montage du vide sanitaire et le coulage de la dalle pour entamer les saignées (figures 8 et 9). Je souhaitais réaliser deux saignées de profondeur 80 cm déportées l’une à côté de l’autre. La grippe et la fatigue du moment en ont décidé autrement : les deux enroulements du tuyau (50 m de tuyau alimentation PE dia. 32) seront superposés à 50 et 60 cm de profondeur. J’ai espéré que le circuit étant enterré sous le vide sanitaire, il serait moins soumis à la température extérieure.

Les deux bouts sont réservés dans le futur local technique (figure 10).

3.2. Dispositif dans l’aquarium

• Circulation : Des tuyaux PVC souple alimentaire sont emmanchés aux deux extremités du tuyau PE diamètre 32 mm. L’un vers la pompe de circulation 800 l/h de 15W, placée dans le compartiment arrivé en en aval du micron filtre. L’autre vers une canne de reflux à l’opposé de ce même compartiment, vers le débordement.
• Régulation de température : elle est confiée à un régulateur W3230 avec sonde thermistance NTC10K avec câble de 3 mètres. Il commute la prise d’alimentation (figure 11). La sonde en inox semble relativement sensible à l’eau de mer. Je la change dès que le régulateur donne des valeurs incohérentes. Privilégier un modèle tout plastique, ou alors l’isoler, incluse dans un tube fin en plastique contenant de la colle silicone.

3.3. Arrêt, mise en route

Arrêt et mise en route sont finalement plus rapide qu’avec le groupe froid.

Á l’arrêt :

1. Déconnecter le circuit de la cuve technique.
2. Introduire la pompe dans un seau d’eau douce (20 litres) jusqu’à évacuer l’eau de mer.
3. Laisser circuler environ 30 mn en circuit fermé dans un seau d’eau douce contenant un peu d’eau de javel.
4. Laisser le tuyau plein, en l’état pour l’hiver.

Á la remise en route :

• Remplacer le contenu d’eau douce traitée par de l’eau douce du réseau.
• Laisser rincer en circuit fermé 30 mn.
• Injecter de l’eau de mer issue de l’aquarium jusqu’à ce que le densimètre a aiguille indique l’absence d’eau douce.
• Immerger la pompe dans la cuve technique et positionner le rejet en aval de celle-ci.
• La sonde de température est placée entre entrée et sortie de géocooling, de telle sorte que les ajustements de température soient progressifs, sans délai.

3.4. Efficacité

Le système s’avère d’une redoutable efficacité depuis 3 ans de fonctionnement. Il a passé sans encombre les épisodes caniculaires, sans besoin de l’appui du groupe froid conservé en secours éventuel. Par exemple à température extérieure 40 °C (à l’ombre) et température intérieure 28 °C, la température du bac est maintenue à 26 °C avec une température de sortie de géocooling à 19°C, soit un gain de 7 °C. Le tout avec 18 W de consommation, sans bruit, sans surchauffe, sans encombrement… et plus écologiquement si ce n’est ma maigre contribution au réchauffement de la terre. Désolé !

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1. Identifier quels organismes ?

Le microcosme est un outil essentiel pour observer le microcosme peu ou invisible à l’œil nu, ou identifier des organismes plus précisémment dans le cadre d’une résolution de problème. Les organismes en question reviennent de manière récurrente. On peut citer :

• Les dinoflagellés : souvent le premier achat fait suite à l’apparition de dinoflagellés. En effet la lutte contre cet envahisseur impose une parfaite identification du genre avant d’engager des actions appropriées. Leur taille est de l’ordre de 5 à 40 µm pour les plus fréquents.
• Les diatomées : parfois confondues avec les dinoflagellés, une identification permettra là encore d’engager des actions appropriées.
• Les protozoaires : ils sont souvent impliqués dans les stress des coraux pouvant conduire à des nécroses, voire des nécroses rapides tissulaires (RTN) comme c’est le cas avec Philaster lucinda. Mais celles-ci peuvent également être dues à d’autres causes. Le microscope détermine si le plan d’action sera biologique ou chimique.
• Le zooplancton : tel que les copépodes, les rotifères, et la méiofaune composée de mysis, amphipodes et quantité de larves (vers…).
• Le phytoplancton : pour en vérifier l’espèce et la densité des cultures.
• Les algues : un léger grossissement permet de mieux identifier certaines espèces.

Le microscope amateur ne permettra malheureusement pas d’identifier les bactéries à l’origine d’infections conduisant à des maladies des coraux telles que la gelée brune ou les nécroses lentes des tissus (STN).

2. Les caractéristiques du microscope

Optique ou numérique.

• Optique : Le grossissement optique exploite les propriétés physiques des lentilles en verre. La qualité de l’image perçue dépend de celles de l’optique et de la géométrie de la lentille. Il trouve sa limite avec les grossissement très importants qui nécessitent des jeux de lentilles épaisses absorbant la lumière et fournissent des images moins nettes, peu contrastées.
• Numérique : Sa précision augmente avec sa résolution (la densité des pixels) captés par une caméra. Ce faisant il crée des pixels intermédiaires restitués à l’écran. La qualité de l’image finale dépend donc aussi du calculateur intégré. Un équipement bas de gamme amplifie tous les défauts d’origine et propose une image certes grossie mais médiocre. Tandis qu’un équipement performant, plus cher, créera des pixels selon ceux environnants pour proposer une image améliorée.
• Les stéréo microscopes numériques, font ressortir les reliefs. Ne permettant pas des grossissements importants ils ne sont pas adaptés à notre usage.

L’amplification numérique d’un signal optique médiocre à la base restera décevante. L’aquariophile qui préfère dépenser son argent dans la maintenance de son aquarium trouvera satisfaction avec des modèle moins onéreux, optiques, répondant pour l’essentiel à ses besoins.

Ce qui suit ne concerne donc que les modèles optiques.

Support : le grossissement au-delà de 250X impose une stabilité que permet les microscopes à cadre métallique, rigide. Eviter les modèles en plastique.

Monoculaire ou binoculaire : les deux sont possibles pour nos usages. Le binoculaire est toutefois plus confortable pour des observations de longues durées.

Grossissement : les organismes les plus gros utilisent environ 40X. Les plus petits, de l’ordre 100X à 500X. L’observation de dinoflagellés entre 5 à 50 µm se réalise entre 100X et 400X. Des observations plus détaillées nécessiteront 600X. Une gamme de 40X à 1000X convient à notre usage. Il ne faut cependant pas attendre de la précision au delà de 800X avec des appareils premiers prix dont les optiques absorbent vite la lumière.

Fixation : les valets (clips de maintien) suffisent pour observer des organismes immobiles. Un chariot de déplacement devient indispensable pour observer à plus de 200X des organismes mobiles.

Eclairage, la lumière ambiante, réfléchie par un miroir ne suffit pas pour obtenir un contraste nécessaire. Quoique souvent insuffisante à fort grossissement.des sources de lumière additionnelles, en général LED, sont indispensables. L’une éclaire par le dessus, une autre par dessous, via un verre dépoli qui améliore la détection de nos microrganismes. Pour ceux qui observent souvent et souhaitent des images plus distinctes, un condenseur de lumière, parfois réglable, apporte un gain appréciable de luminosité, plus homogène, sans défaut dans la surface et le plan de l’objet.

Optiques : les kits proposent en général un jeu d’oculaires 10X et 25X, un intercalaire 2X et des objectifs 4X, 10X et 40X qui répond aux besoins. Le marché propose parfois des objectifs 100X à immersion dans l’huile, inadaptés aux organismes vivants. Les grossissement s’échelonnent alors de 40 à 2000X (40X, 80X, 100X, 200X, 250X, 400X, 500X, 800X, 1000X et  2000X) étant entendu que la netteté manque au-delà de 800X avec des microscopes de début de gamme.

Captures d’images et vidéo : Il est indispensable de pouvoir figer des images à partager, et conserver des vidéos notamment pour l’identification d’organismes mobiles tels que les dinoflagellés.

• Le support de Smartphone répond à un usage occasionnel. Éviter cependant les modèles à ventouse, peu fiables au profit des supports à pinces.
• La caméra USB de résolution 3 Mégapixels, connectée à un PC, répond au besoin pour des observations plus régulières. Pour à peine plus cher, pourquoi ne pas envisager 5 MP. Les logiciels étalonnables présentent l’avantage de pouvoir mesurer et comparer les observations.

Mise au point : elle est facilitée avec les deux modes : rapide et micrométrique. Et de préférence une mise au point ambidextre, de chaque côté du microscope.

Diaphragme : à disque 6 trous avec filtres de couleurs, apporte quelques possibilités supplémentaires mais ne s’avère pas indispensable.

3. Les modèles

Tarifs

Il existe de nombreux modèles, de quelques dizaines à quelques milliers d’euros. Concentrons nous sur ceux qui répondront aux besoins de l’aquariophile, à moindre coût

Un modèle scolaire à moins de 100 €, suffit pourvu qu’il ait une netteté acceptable dans des grossissement jusqu’à 500X. Pour un peu plus de 100 €, on dispose déjà d’options qui facilitent les observations et la réalisation de vidéos. A partir de 300 € on bénéficie d’une optique un peu plus performante sans toutefois atteindre celle de modèles beaucoup plus couteux.

Quelques exemples

Ces exemples ne sont donnés qu’à titre indicatif. De nombreux fournisseurs fournissent des modèles aux caractéristiques similaires. Indépendamment des performances du microscope, l’offre pourra se démarquer avec un SAV, des accessoires, une malette bien pratique etc.

Modèles de microscopes premiers prix

4. Comment prélever et observer un échantillon

En général on souhaite observer des organismes occupant les supports (pierres, sable, algues, vitres…).

Par exemple pour prélever dinoflagellés et diatomées :

• Prélever des amas ou dépôts, à la pipette, en divers endroits (vitre, sable, PV, pompes…) et les déposer dans un petit contenant.
• Agiter légèrement pour dissocier les amas d’algues des organismes, de manière à favoriser la pénétration de la lumière.
• Laisser reposer un peu, les organismes se concentreront au fond.
• Prélever au fond, à la pipette.
• Déposer quelques gouttes sur une lame porte-objet propre.
• L’observation peut se réaliser ainsi.
  On peut aussi recouvrir le prélèvement d’une lamelle couvre-objet, de manière à fixer les sujets et régulariser la couche de fluide. Alors, faire basculer la lamelle propre, en laissant échapper l’air, mais sans trop comprimer pour laisser de la mobilité aux organismes.
• Localiser à faible grossissement (40X, 100X) le lieu de visée, puis l’augmenter progressivement jusqu’à obtenir celui qui convient.
• Nettoyer lame et lamelle en fin d’observation.

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1. La réfraction

1.1. Physiquement

C’est, appliqué à notre domaine, la déviation des rayons lumineux à l’interface entre l’eau et des matériaux aux vitesses de phase différentes. Plus concrètement, la lumière, une onde, se déplace dans une direction à une certaine vitesse. Au contact d’un autre matériau, elle subit un changement d’orientation et de vitesse du fait des caractéristiques propres du matériau. Ainsi un bâton plongé partiellement dans l’eau présente une apparente  fracture à la surface du liquide, d’où le terme « réfraction ». La lumière est réfractée. Le changement de vitesse (de phase) dans le matériau définit son indice de réfraction n.

1.2. Indice de réfraction

L’indice de réfraction dépend de la composition du matériau, de sa densité, température etc. Il est le résultat de phénomènes complexes d’interactions entre les champs et les atomes de la matière.
Pour deux milieux d’indices respectifs n1 et n2 avec n1 > n2 (figure 2), lorsqu’un rayon lumineux, dit incident, atteint l’eau sous un angle θ1, la déviation est telle qu’il se divise. Une partie se réfléchit à la surface selon le même angle θ1, l’autre se réfracte dans l’eau, selon un angle θ2 avec la relation :

n1.sin(θ1) = n2.sin(θ2) [Equation 1]

si 1 = air : indice de réfraction n2 = sin(θ1) / sin(θ2) [Equation 2] 

Cette équation sinus révèle une situation particulière, sur laquelle repose le réfractomètre, où l’angle θ1, rasant la surface, atteint la valeur limite θlim = arcsin (n2/n1). C’est l’angle limite ou angle critique. Au-delà de cet angle critique, la lumière n’est plus réfractée, seulement réfléchie. N’étant plus réfractée elle n’est plus visible sous la surface. On ne peut voir cette partie du faisceau qui apparait sombre dans un réfractomètre.

On exprime le plus souvent l’indice de réfraction comme le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide, et la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu. Dans la pratique, on utilise comme référence la vitesse dans l’air, sans impact sur nos mesures. C’est un ratio de deux vitesse, une valeur sans dimension, toujours supérieure à 1.

L’indice de réfraction dépendant de la longueur d’onde d’émission, on compare avec une radiation monochromatique de référence de longueur d’onde 587,6 nm, proche de la moyenne du spectre visible (tableau ci-joint). On peut déjà noter ici la différence d’indice entre l’eau de mer et une eau salée avec seulement du chlorure de sodium NaCl.

1.3. Réfraction et salinité

La réfraction d’une eau salée avec (avec NaCl dans la figure 3) est linéairement proportionnelle à la concentration en sels. Notre réfractomètre exploite cette relation simple. L’indice est d’autant plus important que l’eau est salée.

Mais la réfraction dépend aussi de la nature du matériau et, concernant plus particulièrement l’eau salée, elle dépend de la nature du soluté. Ainsi la réfraction ne sera pas identique pour une eau chargée de sels différents et d’autres constituants.
L’eau de mer contient plusieurs sels chlorure de sodium (NaCl), chlorure de magnésium MgCl₂6H₂O, sulfate de magnésium MgSO₄7H₂O, c’est pourquoi, à salinité égale, la réfraction de l’eau de mer est différente d’une eau simplement salée avec du chlorure de sodium NaCl (ableau 1). Par conséquent, lorsqu’on mesure la salinité d’une eau de mer avec un réfractomètre prévu pour l’eau salée au NaCl, il faut retrancher 1,5 à 1,7 à la valeur lue pour obtenir la vraie salinité de notre eau de mer.

Salinité eau de mer = salinité réfractomètre NaCl – 1.5

Que mesurent les réfractomètres du commerce ?

La salinité mesurée est elle obtenue avec l’eau de mer et tous ses sels, ou bien avec une dilution de sel NaCl ? Cette question mériterait des réponses précises de la part des fabricants. Bien souvent ils n’indiquent pas ce qu’ils mesurent. L’indication est parfois ambigüe, même de la part des spécialistes : Hanna HI96822 mesure le NaCl dans l’eau de mer, comment comprendre cette information ?

1.4. Réfraction et température

La salinité est indépendante de la température. Cependant l’indice de réfraction change beaucoup avec la température (figure 3). Un aspect à intégrer lors des mesures comme on le verra.

2. Le réfractomètre portatif

La salinité de l’eau de mer, milieu n2 (figure 2), dépend de la réfraction de l’angle θ1 d’inclinaison du faisceau lumineux dans l’air (milieu n1). Selon l’équation 1, il est ainsi possible de déduire l’indice de réfraction du milieu n2, et donc sa salinité, par la mesure de l’angle limite θ1lim. C’est exactement ce que réalise notre réfractomètre.

2.1. Principe de fonctionnement des réfractomètres

Le réfractomètre utilise la particularité d’un rayon lumineux à ne plus être réfracté au-delà d’un certain angle limite. Il reproduit cet angle limite, sous lumière rasante (diffraction d’incidence rasante), représentatif de l’indice de réfraction lié à la composition du matériau, en l’occurence son taux de sel, sa salinité.

Pour ce, le réfractomètre doit essentiellement :

• Reproduire la configuration d’apparition du stade limite pour détecter le niveau de cette particularité. C’est le rôle de la première partie de l’instrument : la plaque d’illumination, qui contribue à scinder le faisceau et le prisme qui le redirige vers le système de mesure.
• Exploiter l’information visuelle reçue avec un jeu de lentilles optiques pour le quantifier, soit visuellement sur un réticule gradué ou électroniquement par un système optronique.

2.2 Principe du réfractomètre portatif

C’est celui que nous connaissons le mieux. Il comporte  :

• Une plaque d’illumination destinée à fixer l’échantillon et à reproduire la lumière rasante proche de l’angle critique.
• Un prisme qui réoriente le faisceau lumineux
• Le télescope avec ses lentilles qui concentre les rayons lumineux vers la visée
• Le réticule gradué.
• Une mise au point focale
• Un système de calibrage et de correction de température

La plaque d’illumination

Elle est en verre et pour les modèles premiers prix, en plastique. On lui doit plusieurs fonctions :

• Maintenir en place les gouttes, échantillon d’eau à analyser
• Canaliser la lumière vers l’échantillon : la plaque dispose souvent d’un biseau qui récupère la lumière la plus rasante, provenant de l’axe du réfractomètre.
• Réduire la lumière parasite : l’indice de réfraction de la plaque d’illumination doit impérativement être supérieur à celui du liquide, sinon la lumière pénètrerait verticalement. La plaque est donc diffuse sur sa partie inférieure, satinée par grattage ou moulage, afin de limiter la pénétration des rayons verticaux qui ne répondent pas à l’exigence de lumière rasante.
• Générer une lumière rasante : en plus de ce qui précède, la plaque génère et maintien un film d’eau très fin, indispensable pour obtenir une lumière rasante. La lumière incidente traverse ce film de manière très tangentielle. C’est la condition pour s’approcher de l’angle critique.

De cette petite plaque, apparemment anodine, dépend la qualité à la source, du faisceau réfractant. À ce stade, seule la lumière réfractée pénètre dans le réfractomètre créant deux zones distinctes : claire et sombre. C’est la raison pour laquelle un œil placé devant la visée du réfractomètre perçoit toute la lumière réfractée dans une zone claire, délimitée par une frontière au-delà de laquelle tout est subitement plus sombre. Dans la pratique, un peu de lumière diffuse dans la zone sombre permettant de lire l’échelle.
Il est évident que des plaques en verre permettent une meilleure lecture que les plaques en plastique. Ces dernières répondent toutefois au besoin des aquariophiles.

Le prisme

Le prisme d’un réfractomètre portatif est en mode "transmission". C’est à dire que la lumiere passe au travers du prisme.

Le prisme doit :

• Capter les rayons lumineux sans distorsion, sans le rendre diffus. Idéalement le rayon doit sortir en un seul rayon. La surface de contact avec l’échantillon, le dioptre, est en matériau dur, totalement plan, sans aucun défaut géométrique ni aspérité.
• Orienter et transmettre les rayons vers l’organe de lecture. Pour ce on utilise des matériaux très transparents tels que le verre, verre au baryum, silice, saphir etc.

Lentille

Une ou plusieurs lentilles en verre, intercalée entre le prisme et le système de mesure, forment l’objectif qui concentre les rayons sur le réticule de mesure de façon à obtenir une image nette.

Oculaire, réticule, mesures et mise au point

Les rayons lumineux sont concentrés sur un réticule : un verre gravé d’une ou plusieurs échelles graduées avec des lignes, des chiffres. Chaque réfractomètre est conçu pour un usage dans une gamme restreinte d’indices de réfraction. Selon le produit testé l’échelle est graduée en degrés Brix, en pourcentage d’alcool, en pourcentage de glycol, en salinité exprimée en ‰ "parties pour mille", ou mg/l, ou PPT "part per thousand"), densité etc. Il suffit d’établir une relation, dans les conditions spéciques des ptiques, entre cet angle et la salinité de l’eau de mer
pour en déduire la salinité.

Pour mémoire la salinité n’a plus d’unité depuis belle lurette.

Pour le confort visuel de l’opérateur, une lentille à l’entrée de l’oculaire grossit l’échelle de mesure et une bague permet d’ajuster la distance focale exactement sur le graticule.

La lecture ne peut se faire sans erreur que si la frontière est bien définie. La netteté du tracé dépend :

• De l’épaisseur parfois trop fine du film d’eau. La plaque doit donc être sans déformation pour appuyer suffisamment et régulièrement sur toute la surface.
• A contrario une épaisseur trop importante génère des interférences qui floutent la frontière. la théorie dit que pour un prisme de 30 mm, l’épaisseur devrait se situer vers 0,038 mm. Ce n’est évidemment pas le cas pour les réfractomètres numériques dont l’échantillon consiste en une goutte déposée sur le prisme.
• L’eau de mer ne doit pas être colorée ou trouble au risque de modifier le comportement des rayonnements et de perdre du contraste.
• Prisme avec impuretés.
• De l’angle d’inclinaison du réfractomètre.

2.3. Température et compensation

Nous avons vu que, si la salinité ne dépend pas de la température, sa mesure par réfraction en dépend fortement. En effet, le fluide étant moins dense la lumière passe plus facilement, sa trajectoire dévie moins et l’indice de réfraction diminue. Un réfractomètre est prévu pour une température donnée et l’échelle de mesure est graduée en fonction de cette température.

Les réfractomètres actuels disposent d’une compensation automatique de la température (ATC), mais efficace dans une certaine plage de mesure. De plus, l’indice de réfraction n’évolue pas de manière strictement linéaire selon la température. Il convient de ne pas s’écarter de la température prévue par le constructeur (environ 10°C à 30°C).

Le système qui équipe les réfractomètres portatifs consiste en un bilame. Il s’agit de deux lames de métaux différents, intimement plaquées l’une contre l’autre. Leurs coefficients de dilatation étant différents, le bilame se courbe plus ou moins selon la température. La position du réticule, ou d’un composant optique intermédiaire, solidaire du bilame s’ajuste en fonction des variations. Ce dispositif est entaché d’une erreur pour la raison évoquée plus haut, mais elle reste très acceptable pour notre hobby.

Soyons clairs, l’ATC n’ajuste pas la lecture d’un réfractomètre à la température de l’aquarium, comment le pourrait-il ? On considère que les deux gouttes déposées sur le prisme sont très rapidement à la température de l’appareil. C’est acceptable, mais à condition que l’appareil lui-même ait été entreposé à bonne température avant utilisation. En effet, la figure 2 montre qu’un écart de 5 °C induit une variation non négligeable de la salinité de 2 à 3 unités.

2.4. Mesure avec un réfractomètre portatif

Simple d’utilisation, la prise de mesure impose quelques précautions :

1. Entreposer le réfractomètre avant utilisation à une température proche de la température prescrite par le constructeur.
2. Procéder si besoin au calibrage du zéro et à l’étalonnage comme indiqué plus loin.
3. Ouvrir le clapet de l’illuminateur relié par une petite charnière.
4. Nettoyer le prisme en verre et le clapet avec de l’eau distillée/osmosée, sécher au chiffon doux.
5. Rincer plusieurs fois la pipette avec l’eau à tester.
6. Déposer 2 gouttes sur la surface du prisme.
7. Fermer le rabat, parallèle et au contact intime du prisme de verre. Le rabat transparent doit être complètement mouillé après la fermeture.
8. Positionner le réfractomètre horizontalement dans la direction d’une source de lumière suffisante, sans excès (lumière du jour, lampe d’appoint).
9. Si besoin, ajuster la bague de mise au point.
10. Si la frontière entre les zones claire et sombre est floue, revoir l’épaisseur du prélèvement. Si l’échelle est trop claire, l’indice de réfraction du liquide est supérieur à la capacité du réfractomètre.
11. S’assurer que le réfractomètre est prévu pour l’eau de mer. S’il est prévu pour de l’eau salée avec NaCl (cas fréquent), il faudra soustraire 1.5 points à la valeur lue pour obtenir la vraie salinité eau de mer.
12. Lire directement la salinité sur le réticule, souvent échelle de droite identifiée en ‰ ou ppt.
13. Après usage, rincer le prisme et le rabat à l’eau osmosée, essuyer avec un chiffon propre et doux pour ne pas générer d’erreur ni endommager le prisme.

Interprétation de la mesure

Le réfractomètre portatif est accablé de tous les maux, et parfois celui "d’avoir fait perdre tous les coraux". Plus sérieusement, n’importe quel instrument de mesure mal interprété peut conduire à des désillusions. Voyons où se situent les risques pour l’aquarium récifal.

Erreurs fréquentes de mesure

• Erreur de conversion : La première erreur provient de vouloir exprimer le résultat en densité, sans tenir compte de la petite notation à côté de l’échelle de mesure. La mention telle que d20/20. Pour mémoire, d20/4 signifie que la densité de l’appareil est le ratio entre une eau à 20°C par rapport à l’eau de référence à 4°C). Dans le cas d20/20 l’appareil se réferre à une eau douce à 20 °C, alors que l’eau de référence est à 4°C.
  Exemple : l’aquariophile lit 1,026 et salinité S=35. En réalité, toutes conversions faites aux conditions 25/4, la densité est 1,023 et la salinité réelle S=34
  À celà s’ajoute l’ambiguïté des informations (quand elles existent) de la part des vendeurs et celle de gravures sur les graticules, parfois incohérentes.

Difficile de décrypter la densité sur les réfractomètres.

• Erreur de température : l’aquariophile a consciencieusement laissé reposer son réfractomètre à température ambiante. Il décide de lire directement la salinité et mesure S=35. C’est la période estivale, la température du local monte à 30 °C. La compensation automatique de température est-elle efficace à ce stade ? Toutes conversions effectuées, la salinité est potentiellement S=30. Un bel écart !
• Erreur de choix d’équipement : ce même aquariophile a quand même déjà désigné le réfractomètre comme le grand fautif de la perte de couleur et des nécroses qu’il voit augmenter. Il n’est malheureusement pas au bout de ses peines. En effet son réfractomètre est prévu pour mesurer la salinité d’une eau salée seulement avec du chlorure de sodium NaCl. Rappelons-nous, la réfraction dépend de la nature du produit et l’eau de mer contient beaucoup plus que ce sel.
  Son réfractomètre n’est pas adapté. Dans une telle situation il devrait retirer de 1,5 à 1,7 à la salinité mesurée. Sa salinité réelle est donc S=28,5.

Alors, à qui la faute ? Et nous n’avons pas encore abordé le chapitre de l’étalonnage ! On s’aperçoit bien souvent que, sauf équipements hors service et non vérifiés par l’opérateur, les dérives sont le fait d’une succession d’écarts et toutes du fait de l’aquariophile. Mais comment mesurer et interpréter ?

Comment mesurer et interpréter les résultats

• Entreposer l’appareil à une température proche de son étalonnage.
• Ne pas s’attarder avec les valeurs de densité (specific gravity), et n’utiliser que la salinité.
• Utiliser un réfractomètre prévu pour l’eau de mer, sinon retirer S1.5 à la valeur lue.
• Réaliser les conversions à 25°C en suivant ce Calculateur Salinité, sauf si le réfractomètre est étalonné pour 25°C.

3. Autres réfractomètres

 Modes transmission et réflexion

Le réfractomètre portatif évoqué à ce stade est dit "à mode de transmission" puisque la lumière est transmise à travers l’échantillon. Il existe cependant un autre mode de fonctionnement, également basé sur l’angle critique, appelé mode de réflexion comme par exemple le modèle Hanna ci-contre. La lumière ne traverse pas l’échantillon d’eau, elle vient simplement se réfléchir à l’interface eau/prisme

Ce principe offre plusieurs avantages :

• Utilisation et nettoyage rapides.
• Lecture directe, plus facile, sans risque d’erreur opérateur.
• Précision améliorée, même sous plus faible illumination.
• L’épaisseur du film n’est pas importante : on dépose les gouttes dans le réceptacle, sur le prisme. Il n’y a pas nécessité de plaquer et d’écraser un film de liquide. Il permet de tester des matériaux visqueux.
• La lumière, émise par l’appareil ne traverse pas la goutte mais est réfléchie vers l’unité de mesure. Ce mode est plus adapté à des matériaux fortement colorés ou troubles.
• Prismes de petite taille : ce mode ne nécessite pas des prismes importants et peut fonctionner avec seulement une petite zone éclairée. C’est un aspect important avec des matériaux coûteux tels que le saphir synthétique.
• Source lumineuse intégrée : moins sensible à l’environnement extérieur, de puissance juste adaptée, moins consommatrice d’énergie et qui chauffe moins pour des appareils automatiques portables.
• Régulation de la température plus fiable quand ils sont équipés d’une régulation avec un élément Peltier.

Et un petit inconvénient : La frontière est moins bien définie pour une détection visuelle. Un inconvénient mineur avec un système de détection optoélectronique.

Il existe des systèmes plus élaborés tant dans la détection du faisceau lumineux que de la maitrise des températures. Ils débordent du cadre de notre hobby.

4. Vérification du réfractomètre

Les réfractomètres de marques, portables ou de paillasse, sont en principe calibrés et étalonnés d’usine. Le réfractomètre est un équipement apparemment rustique mais les lignes qui précèdent nous dévoilent une optique sensible, ajustée pour détecter des angles au dixième de degré. Il n’échappe pas aux risques de déréglages : un désalignement de lentille, une échelle décalée, un bilame qui ne réagit plus correctement, un verre optique déplacé ou brisé…

Tout instrument de mesure non certifié (avec garantie d’étalonnage) doit être vérifié dès son acquisition et du rant sa vie. La vérification consiste à vérifier un certain nombre d’aspects, ajuster le zéro et étalonner.

4.1. Précautions, entretien

Les opérations qui suivent nécessite toutes les mêmes précautions :

• Entreposer l’appareil quelques heures à température proche de celle prescrite par le constructeur pour l’étalonnage (souvent 20°C à 25°C).
• Avant et après chaque utilisation, nettoyer la plaque et le prisme à l’eau osmosée (déminéralisée), essuyer avec un chiffon doux.
• Lors des mesures, s’assurer que l’ensemble du champ de mesure est mouillé après la fermeture du clapet.
• Ranger dans un lieu protégé, sec, exempt d’humidité et d’ambiance saline.
• Ne jamais plonger le réfractomètre dans l’eau.
• En présence d’humidité à l’intérieur sécher sans produit chimique abrasif ou corrosif.

4.2. Vérifier

• L’état des optiques : absence de rayure, corps étrangers… sur la plaque et le prisme.
• La bonne rotation de la plaque d’illumination sur son axe qui peut s’oxyder dans une ambiance saline. La rotation doit être facile tout en conservant son appui durant la lecture.

4.3. Ajuster le zéro

Réglage du zéro.

• Respecter les mesures de précaution ci-dessus.
• Rincer l’intérieur de la pipette plusieurs fois avec de l’eau osmosée, ensuite rejetée.
• Déposer une ou deux gouttes d’eau osmosée sur le prisme en verre, laisser reposer au moins 15 secondes pour se mettre à la température du réfractomètre
• Tourner la vis de mise à zéro avec un petit tournevis jusqu’à ce que la frontière entre zone claire et sombre soit à la salinité S=0.
• Procéder à l’étalonnage ou à une mesure.

4.4. Etalonner

L’étalonnage consiste à vérifier l’exactitude de l’appareil, c’est à dire :

• Justesse : l’écart entre sa moyenne et une solution étalon certifiée,
• Fidélité : la reproductibilité des mesures.

4.4.1. Justesse

La réfraction est en relation linéaire (une ligne droite) avec la salinité (figure 2). Une fois effectuée la mise à zéro, il convient de s’assurer que la ligne n’est pas décalée angulairement. Pour ce, il faut vérifier un autre point. Ce point est choisi selon l’usage normal du réfractomètre. Dans notre cas, un étalon de salinité S35. La justesse est l’écart entre la valeur lue et la valeur étalon.

Choix de l’étalon

L’étalon, doit correspondre au fluide auquel l’appareil est destiné : étalon S35 eau de mer pour un réfractomètre "eau de mer", étalon S35 eau salée NaCl pour un réfractomètre "eau salée NaCl". On trouve très difficilement des étalons "S35 eau de mer". Il est surprenant que des sociétés réputées telles que RedSea, Hanna, H2Ocean… proposent des réfractomètres spécifiquement adaptés à l’eau de mer, mais pas d’étalon pour leur appareil. Parmi les étalons on peut citer : AccuraSea, un étalon S35 eau de mer ; étalon S35 25°C Tridacna comme son intiyulé l’indique, pour l’eau salée NaCl.

L’utilisation d’un étalon non adapté engendre des erreurs. Cela peut s’envisager à condition d’en tenir compte pour l’étalonnage et les mesures ultérieures :

• Lecture sur un réfractomètre NaCl avec "étalon eau de mer" : soustraire S1,5 à la valeur lue.
• Lecture sur un réfractomètre "eau de mer" avec "étalon NaCl" : ajouter S1,5 à la valeur lue.

Etalon eau de mer à réaliser soi-même

Randy Holmes-Farley propose de réaliser une solution avec 3.65 % en poids de sel de table qui contient 97 % de chlorure de sodium NaCl. Cette solution de salinité S36,5 possède un indice de réfraction 1,3394 identique à celui de l’eau de mer S35. Le NaCl pur n’est pas très hygroscopique dans une ambiance à taux d’humidité normal (attention, ce n’est pas le cas de nos sels synthétiques marins). Il le devient beaucoup plus au-delà de 75 % HR. Contenant moins de 3 % de substances autres que NaCl (MgCl₂, CaCl₂,…) en mesure d’absorber de l’humidité, cela représente finalement peu s’il est stocké dans de bonnes conditions. Son séchage n’est alors pas essentiel.

Préparation :

• Si besoin, sécher du sel de cuisine 45 mn à 140 °C et laisser refroidir dans un récipient étanche.
• Peser 3,65 g de ce sel avec une balance à la précision 0,01 g.
• Peser 96,35 g d’eau déminéralisée ou osmosée. Une balance à 0.1 g peut convenir pour la précsion.
• Dissoudre le sel dans l’eau.

Interprétation des résultats :

• Ecart réfractomètre-étalon = 0 : appareil valide.
• Ecart réfractomètre-étalon = &#xB1 1 point : appareil admissible, il faut en tenir compte lors des mesures ultérieures.
  Il est possible d’ajuster le niveau de la frontière à la valeur de l’étalon S35, avec la vis de réglage. Cela permet de lire des valeurs autours de la valeur étalon S35. Mais on ne doit plus ajuster le zéro ni lire une valeur d’eau douce.
• Ecart réfractomètre-étalon > 1 point : un élément s’est déréglé, il peut en annoncer d’autres. Remplacer l’appareil.

4.4.2. Fidélité

Vérifier la reproductibilité de 3 mesures successives dans les mêmes conditions. Ce test permet de s’assurer à la fois de la reproductibilité de l’appareil et de l’opérateur. Une mauvaise reproductibilité est peu probablement due à cet appareil, l’opérateur peut améliorer son protocole de mesure.

En souhaitant avoir un peu levé le voile sur cet équipement digne d’intérêt.

En savoir plus

• Refractometry Handbook – Principles and Best Practices – Bellingham + Stanley, a Xylem brand
• Refractometers and Salinity Measurement  – Randy Holmes Farley – Reefkeeping 12/2006
• Mesure de la salinité des eaux naturelles en hydrologie et en hydrobiologie. Essai pour une standardisation de l'expression des résultats – Persée

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]]> Il existe de nombreuses méthodes pour caractériser la salinité de l’eau de mer. L’une d’entre-elles consiste à mesure le total des solides dissous dans l’eau, une notion un peu mystérieuse au regard des aquariophiles qui se demandent comment leur petit boitier magique peut bien détecter des solides, aussi dissous soient-ils, et ce qui se cache derrière ce sigle.       

1. Le TDS

La méthode chimique classique pour déterminer le TDS consiste à évaporer à 180 °C le volume d’un échantillon sous conditions strictes jusqu’à dessèchement complet,. Le poids du résidu détermine le TDS. C’est la meilleure méthode, mais le procédé est très long. En aquariophilie on lui préfère une mesure de conductivité : l’électroconductivité (EC), ou bien le TDS (Total dissolved solids) un indicateur d’impureté. Le TDS est la concentration en ppm (parties par million) ou mg/l des particules minérales (non organiques) dissoutes dans l’eau. Il s’agit des sels, minéraux, dissous dans l’eau, bref à peu près tout ce qui n’est pas de l’eau H₂O.

2. Mesure du TDS par conductivité

2.1. Principe de mesure

L’essentiel des solides contenus dans l’eau douce sont issus de la pluie, des fontes glacières, du ruissellement et du lessivage des sols. On y trouve des éléments naturels et des résidus de pollutions de tous ordres. Parmi les constituants chimiques courants on trouve : calcium, phosphates, nitrates, sodium, potassium, chlorure… Des molécules constituées d’atomes chargés électriquement : des ions. Les cations sont chargés positivement et les anions négativement.
Si on crée une différence de potentiel (tension électrique) entre deux électrodes, les ions s’y déplaceront, les cations dans un sens et les anions dans l’autre, en créant un champ électrique dont on peut mesure la conductivité. Ce principe est celui de n’importe quel conductimètre, mais qu’est ce qui les différencie ?

2.2. TDSmètre ou conductimètre ?

Le TDSmètre mesure une conductivité, c’est une alternative plus rapide et plus facile que l’analyse chimique. Il transpose cette valeur en TDS. Cet appareil se démarque du conductimètre par une électronique moins sophistiquée. La contrepartie de cette simplification est que son utilisation n’est possible que dans des conditions strictes, moins étendues que celle d’un conductimètre :

• La conductivité ne doit être due qu’à une majorité de solides dissous,
• La nature des composants ioniques doit être celle pour lequel le capteur, avec ses caractéristiques propres, a été prévu.
• Le TDS étant une électroconductivité, il varie selon la température qui doit être prise en compte.

Alors, le TDSmètre peut estimer correctement une concentration d’impuretés suivant une courbe préétablie. Cela vaut pour l’eau douce naturelle ou traitée si la composition des échantillons ne varie que très légèrement. Par contre le TDSmètre n’est pas adapté à l’eau de mer.

On le comprend, le TDSmètre a l’avantage du coût contre moins de précision et de latitude.

2.3. Relation électroconductivité – TDS

Dans son étendue de mesure le TDS est lié à l’électroconductivité (EC) par un facteur de conversion k :

TDS (ppm) = EC (µS/cm) x k.

Ce facteur k varie selon la nature des ions (NaCl, KCl…) et de la charge ionique (quantité d’ions). Il augmente avec l’impureté de l’eau. Contrairement aux TDSmètres premiers prix, prévus pour une marge étroite de situations, les meilleurs TDSmètre corrigent ce facteur selon la valeur mesurée. Le facteur k oscille de 0,9 pour une eau très chargée ioniquement, à 0,64 pour une eau du réseau domestique et 0,5 pour une eau très pure telle que l’eau osmosée.

Pour l’eau osmosée : TDS (ppm) = EC (µS/cm) / 2.

2.4. TDS en aquariophilie récifale

Le TDSmètre est essentiellement utilisé pour mesurer un certain niveau de qualité de l’eau osmosée et de l’eau douce. La mesure de la salinité d’un aquarium marin est possible, mais elle est plus approximative que l’électroconductivité compte tenu de son imprécision en présence de nombreux ions, surtout quand l’équilibre ionique dévie de celui de l’eau de mer.

Tableau 1 : Correspondance TDS – EC avec NaCl à 25°C

Paramétrage d’une légende (plusieurs lignes possibles) sous un tableau (impossibilité de créer une classe qui serait exploitable par « caption »)

	Eau osmosée		Eau de ville	Eau de mer
Salinité	0		1	30	35	40
EC	0,5 µS/cm	5 µS/cm	32 – 250 µS/cm	46,3 mS/cm	53,1 mS/cm	59,7 mS/cm
k (NaCl)	0,5		0,64	0,9
TDS ppm (k:NaCl)	1	10	50 – 390	51000	59000	66000

3. Le TDSmètre

3.1. Équipement

Le TDSmètre est, de par sa volontaire rusticité, destiné aux mesures sur terrain, en l’absence d’une grande exigence. Il peut lire des concentrations jusqu’à 1000 ppm avec une résolution de 1 ppm. Mais la relation n’étant  linéaire que pour les plus faibles valeurs, le coefficient k nécessite d’être ajusté selon l’eau testée au risque de générer une erreur supérieure à la mesure elle-même, jusqu’à 15 %. Un TDSmètre élaboré pour un grand spectre de valeurs intègre cette correction automatique du facteur k qui varie déjà entre une eau pure et ultra pure.

Les TDSmètres bon marché habituellement proposés pour l’aquariophilie sont certes destinés à vérifier des eaux douces et notamment l’efficacité de l’osmoseur. Mais ils ne disposent ni de correction du coefficient k, ni de compensation de température. Ce type de TDSmètre, s’il est prévu pour l’eau de consommation, affiche d’emblée une erreur de mesure lorsqu’il est plongé dans une eau osmosée, même après étalonnage. On le comprend, leur niveau d’exactitude est bien inférieur à celui d’un conductimètre 10 fois plus cher. Les exigences de l’aquariophile décideront seules s’il faut privilégier le conductimètre au TDSmètre.

Le TDSmètre est utilisé en aquariophilie récifale pour évaluer très grossièrement un niveau global de pureté de l’eau osmosée. Nous sommes d’accord, la valeur est entachée d’erreurs dues à l’imprécision de l’appareil et à sa dérive. Sachant qu’une membrane laisse passer de 2 à 5 % de polluants, soit 50000 µg/l de composants dont certains potentiellement toxiques, et que nous ne savons pas ce que retient la résine déionisante, le TDSmètre ne permet pas de détecter le niveau exact de pollution comme le fait un spectromètre type ICP.

Equipe d’une sonde pour vérifier l’eau en sortie de traitement, il peut en comporter une seconde à positionner entre la membrane et la résine. Cela permet de suivre à la foi la dérive due au colmatage de la membrane et celle due à la saturation de la résine. Le raccordement en ligne via deux tés à raccord rapide permet de laisser les sondes en place pour une lecture rapide.

Le TDSmètre dispose parfois d’une double gamme de mesure : de 0-9990 ppm avec une résolution de 10 ppm ou de 0 à 999 ppm avec une résolution de 1 ppm avec une précision de l’ordre de 2 % de la valeur mesurée.

3.2. Utilisation du TDSmètre

Dans le cadre d’une utilisation au contact d’eau pure, il n’y a pas a craindre de détérioration majeure. Plus généralement :

TDSmètre portatif

• Ne pas pas tremper l’appareil dans une eau chaude > 80 °C trop longtemps.
• Ne pas toucher les électrodes avec les doigts.
• Immerger les électrodes totalement dans la solution.
• Tapoter légèrement sur l’appareil afin d’éliminer les bulles d’air.
• Attendre 10 secondes que l’affichage se stabilise.
• Lire la mesure et procéder, si besoin, à la correction selon la notice d’emploi.
• Après usage, éteindre l’appareil et nettoyer les électrodes à l’eau osmosée.

TDSmètre en ligne

• Immerger les électrodes en l’absence d’air (sortie du système de filtration).

3.3. Étalonnage du TDSmètre

Certains TDSmètres sont étalonnés d’usine (autour de 340 ppm), peuvent être considérés fiable leur première année d’une utilisation régulière, seulement si cet étalonnage est cohérent avec le fluide testé. Tout comme les conductimètres, les TDSmètres peuvent dériver et donner de fausses valeurs, ils doivent être étalonnés quand l’écart est supérieur à 2 % de la valeur.

Ils s’ajustent avec une solution étalon TDS correspondant au facteur de conversion de l’appareil, sinon rectifier la conversion (TDS 342 ppm NaCl = TDS 362 ppm KCl = 700 µS/cm). En général, pour notre usage, il s’agit de chlorure de sodium NaCl. L’étalonnage doit se faire au plus proche de la valeur normalement mesurée et, pour certains appareils, en deux points.

• Pour une eau de ville de TDS 200 à 600 ppm, un étalon à 200 – 500 ppm permet d’obtenir une droite pour un ajustement réaliste.
• Pour l’eau osmosée de TDS 0 à 10 ppm. Utiliser un étalon proche de 50 ppm. Cette valeur ne garantit pas cependant une mesure juste proche de zéro ppm.
  • Choisir un étalon 50 ppm (ex. Solution étalon 50 ppm 21 °C Neo3plus), plus économique qu’un étalon 15 ppm de laboratoire.
  • Utiliser un étalon pour conductivité. Il suffit d’établir la relation TDS = EC x k (tableau 1).
    Le commerce propose des étalons de laboratoire autour de 84 µS/cm ou beaucoup plus économique un étalon en VPC d’origine asiatique (figure) 84 µS/cm à 25 °C, équivalent à TDS = EC x k = 84 x 0,64 = 54 ppm.

L’ajustement s’obtient avec une vis de réglage ou automatiquement quand l’équipement reconnait la solution. Procéder selon la notice de l’appareil. la durée de vie d’un flacon ouvert est d’environ 1 an

En savoir plus

• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

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]]> Si l’évaluation de la salinité de l’eau de mer a longtemps été confiée à la mesure de sa densité, le diagromètre Rousseau de 1875 a bien évolué pour aboutir aux conductimètres permettant de mesurer une autre de ses caractéristiques physiques : la conductivité.          

1. Electroconductivité (EC) de l’eau de mer

1.1. Ce qu’est la conductivité

La conductivité électrique, ou électroconductivité (EC) de l’eau est son aptitude à laisser passer le courant électrique. Elle mesure le mouvement des charges électriques qu’elle contient : les électrons, peu liés à leurs atomes, chargés d’ions positifs et négatifs. La migration des ions est d’autant plus facile que les charges sont libres, c’est le cas des solutions, et la conductivité est d’autant plus importante que l’eau est chargée de composants conducteurs comme les sels.

Elle augmente avec la température ce qui impose une compensation pour évaluer la valeur à la température dite normale de 25 °C.

1.1. Conductivité des eaux de mer et douce

La conductivité dépend de la concentration et des propriétés électrochimiques des substances dissoutes. Elle donne une bonne indication du degré de minéralisation de l’eau. Les sels minéraux sont de bons conducteurs, ce n’est pas le cas des matières organiques. Elle n’est donc pas significative pour des eaux usées, polluées mais reflète bien la teneur globale en sels de l’eau de mer, environ 3,5 % pour les eaux de l’océan indopacifique Elle permet tout autant de mesurer la salinité d’un aquarium et la pureté d’une eau osmosée.

1.2. Mesure de la conductivité

La conductivité est déduite de son inverse : la résistivité. Un circuit électrique délivre une tension V et un courant I appliqué entre deux électrodes métalliques pour en calculer la résistance R suivant la loi d’Ohm R = V/I, puis la conductance, inverse de la résistance. La conductivité représente la conductance d’une colonne d’eau comprise entre des électrodes de surface 1 m², séparées l’une de l’autre de 1 cm. Dans le traitement de l’eau on l’exprime en microsiemens par cm (µS/cm ou µS.cm^-1).

La conductivité dépend fortement de la température. Quand elle augmente, la viscosité de l’eau diminue, facilitant la mobilité des ions, cela même à concentration d’ions constante. A fin de comparaison, les valeurs définissent toujours par rapport à une température de référence généralement 25 °C, parfois 20 °C

1.3. Relation entre salinité et conductivité

La salinité de l’eau de mer provient de ses composants : sels et minéraux, parmi lesquels des cations : sodium (Na+), magnésium (Mg²⁺), calcium (Ca²⁺), potassium (K⁺), et des anions : chlorures (Cl^–), sulfates (SO₄^2-), hydrogénocarbonates (HCO₃^–)… soit environ 3.5 % qui représente la salinité S=35. Ces ions constituant l’essentiel de la conductivité de l’eau, la relation avec la salinité est logique, et linéaire comme le montre la figure 1.

Le calcul utilise le facteur K, rapport entre la conductivité mesurée et la conductivité d’une solution de chlorure de potassium (KCl) à 32,4356 g/kg, à 15 °C et pression atmosphérique. Une valeur de K égale à 1 correspond par définition à une salinité pratique égale à 35. 

La salinité pratique (S) est déduite de K selon la formule : 

Rappelons que cette formule vaut pour des eaux non trop polluées par des éléments organiques. Le résultat ne serait alors pas représentatif de la salinité. Cette situation nécessiterait une analyse chimique de l’extrait sec.

1.4. Objectifs de conductivité

Le tableau 2 définit les conductivités attendues selon les situations.

Tableau 2 : Valeurs indicatives de conductivité.

1 ppm = 1 mg/l. * indicatif pour comparaison.

	Conductivité		TDS (KCl)
	normale	admise récifal	normal	admis récifal
Eau de mer à S 35	53 mS/cm	32 à 60 mS/cm	34 000 ppm *
Eau saumâtre	< 7.8 mS/cm	—	< 5000 ppm	—
Eau de ville	100 à 900 µS/cm	—	50 à 550 ppm	—
Eau de pluie	20 à 30µS/cm	—	10 à 400 ppm	—
Eau osmosée	0,05 à 30 µS/cm	< 10 µS/cm	0 à 15 ppm	< 5 ppm

1.4.1. Conductivité de l’eau récifale

La composition des sels est demeurée inchangée depuis plus de 1.5 milliard d’années et s’avère la même pour toutes les mers de la planète. Mesurer un élément permet donc d’en déduire les autres. Pour autant la conductivité permet-elle de garantir la composition de l’eau d’un aquarium ? Non, bien évidemment, notre microcosme subit des dérives indétectables avec cet instrument. Il permet une évaluation totale, sans discernement, ce qui est déjà très bien pour les métabolismes des habitants de l’aquarium et leur bien-être.

Le tableau 3 définit les objectifs de conductivité selon la salinité souhaitée dans des conditions tropicales : température 25 °C et pression atmosphérique.

Tableau 3 : Correspondance salinité, conductivité et densité à 25°C et pression atm.

Salinité	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
Densité	1.0222	1.0226	1.023	1.0241	1.0252	1.0261	1.0269	1.0276	1.0283<	1.0291	1.0299
Conductivité (mS/cm)	46,25	47,62	48,99	50,36	51,71	53,07	54,41	55,75	57,08	58,41	59,73

Les poissons supportent des conductivités importantes, jusqu’à 300 mS/cm, les effets indésirables apparaissant vers 500 mS/cm. En aquarium récifal, les poissons ne devraient jamais être inquiétés. Les invertébrés dont les coraux sont plus sensibles aux variations de salinité d’où la plage conseillée au tableau 2.

1.4.2. Conductivité de l’eau osmosée

Le conductimètre permet de s’assurer de la présence de polluants, c’est un bon indicateur de la qualité de l’eau et surtout de la dérive des éléments du traitement amont de l’eau, notamment la membrane de l’osmoseur et de la résine dé ionisante. Il est adapté au besoin des aquariophiles récifalistes qui recherchent une eau pure dans les limites des performances de l’osmoseur qui laisse passer de 2 à 5 % de polluants.

2. Conductimètre

3.1. L’appareil de mesure

Pour l’essentiel, une cellule de mesure de conductivité est constituée d’une paire d’électrodes, les pôles, entre lesquelles une tension est appliquée. Le conductimètre mesure le courant circulant et calcule la conductivité. Un courant continu appliqué aux électrodes, les ions positifs (cations) migrent vers l’électrode négative (cathode). Parallèlement, les ions chargés négatifs (anions) se déplacent en sens inverse vers l’électrode positive (anode). Delà conduit à une électrolyse : accumulation d’ions à proximité de la surface de l’électrode et à des réactions chimiques qui influent sur la composition de la solution et par conséquent aussi sur la conductivité. Ces réactions d’électrolyse indésirables sont en grande partie éliminées par l’utilisation d’un courant alternatif.

La conductivité dépendant de la température, un conductimètre dispose d’une seconde sonde de température associée à celle de conductivité. L’appareil mesure la conductivité à la température puis la convertit pour fournir la valeur à la température de référence, en général 20 °C ou 25 °C.

Un conductimètre
adapté à l’eau de mer doit couvrir une plage jusqu’à
60 mS/cm. Le conductimètre prévu pour l’eau douce ou l’eau osmosée
sera plus sensible et mesurera jusqu’à 2000 µS/cm. De nombreux conductimètres couvrent de larges plages de mesures avec les compensation de température et du facteur k. Ils sont en mesure de délivrer par le calcul la salinité et, dans une certaine plage, le TDS.

L’exactitude est de d’orle de ± 2 % pour les modèles portatifs à ± 0.5 % pour les modèles plus élaborés et de laboratoire. Le conductimetre Tunze pour aquariophilie mesure à ± 0,1 µS/cm. Le domaine d’application se situe entre quelques µS/cm et 500 000  µS/cm.

Ainsi expliqué, tout parait simple. Pour autant, la correction de température constitue un défi dans l’eau pure pour des raisons techniques et chimiques. Le conductimètre embarque une électronique sophistiquée qui en explique le coût.

3.2. Mesures de conductivité

Précautions d’utilisation :

• Lors de la première utilisation (ou après un stockage prolongé), tremper la sonde dans l’eau à mesurer durant environ 5 heures puis la rincer à l’eau distillée. Essuyer avec un chiffon doux.
• Immerger l’électrode à moitié, câble et raccordements sans contact avec l’eau.
• Ne pas le plier le câble ni l’utiliser pour le maintien de l’électrode.
• Si possible, monter l’électrode en un endroit sombre.
• Prévoir une espace de 2 à 3 cm entre la sonde et les parois alentour.
• En même temps que les composés solides et liquides, des gaz se dissolvent dans l’échantillon pour former des ions ayant une incidence sur le résultat. Par exemple le dioxyde de carbone (CO₂) de l’air ambiant dissous forme de l’acide carbonique (H₂CO₃) qui se dissocie en hydrogénocarbonate (HCO₃^2-) puis en carbonate (CO₂^–). Le dioxyde de carbone peut augmenter la mesure de la conductivité d’environ 1 µS/cm.
• De même une petite bulle d’air adhérant à la surface de l’électrode augmente la résistance de l’échantillon à l’intérieur de la cellule et abaisse la mesure de conductivité. Avant chaque mesure (et chaque étalonnage), il convient d’éliminer les bulles en tapotant sur le capteur pour les chasser.
• Des solides non dissous ou précipitant lentement peuvent former une couche sur les électrodes de la cellule de conductivité. Celle-ci peut fausser la réponse de la cellule et entraîner des mesures erronées. C’est aussi le cas lors du bio encrassement de d’une sonde longtemps immergée. Un nettoyage approprié évite ce genre de problème
• La mesure peut dériver dans les solutions stagnantes. En cas de forte conductivité il est préférable de mesurer dans un récipient sous légère agitation. Pour une faible conductivité telle que celle de l’eau osmosée, une agitation peut accroître l’exposition à l’air et la contamination par le CO₂.

3.3. Entretien de l’électrode

Il y a toujours accumulation d’algues et de dépôts minéraux ou recouvrant les électrodes, qui diminuent la mobilité des ions et perturbent considérablement les mesures.

• Rincer l’électrode à l’eau déionisée après chaque mesure dans de l’eau.
• Nettoyer une sonde immergée tous les 3 mois.
• Éliminer délicatement les incrustations entre les électrodes à l’aide d’un coton-tige imbibé de détergent puis rincer.
• Ne jamais nettoyer une sonde sale  mécaniquement entre les électrodes.
• Nettoyer en laissant tremper dans une solution de nettoyage durant 10 min. puis rincer   .
• Essuyer à l’aide d’un chiffon très doux.
• Conserver sans précaution particulière. Bien entretenue, sans détérioration des capteurs, une électrode a une durée de vie sans limite.

3.4. Etalonnage du conductimètre

Comme tout matériel de mesure le conductimètre n’échappe pas à un étalonnage avant la première utilisation et régulièrement ensuite. L’étalonnage, ne peut se réaliser que sur une sonde parfaitement
propre, en suivant les précédentes consignes
L’étalonnage nécessite des solutions étalon adaptées à l’utilisation (à base de chlorure de potassium) : 200 mS/cm pour l’eau de mer, 200 à 600 µS/cm pour une eau douce et 50 à 100  µS/cm pour une eau osmosée. Le commerce aquriophile propose malheureusement rarement des solutions étalon pour l’eau osmosée. La VPC asiatique propose cependant une solution étalon EC 84 µS/cm à 25°C qui répond à notre besoin.

Mode opératoire :

• Conservez les flacons d’étalons bouchés à l’abri des rayons solaires.
• Une solution étalon peut être utilisée 1 à 3 fois suivant l’état de propreté de l’électrode. Les solutions sont très sensibles à la contamination et se dégradant d’autant plus que leur valeur est faible.
• Rincer le récipient plusieurs fois à l’eau osmosée, déionisée. Secouer pour faire tomber les gouttelettes résiduelles.
• Rincer le capteur et le récipient avec une petite quantité de la solution étalon qu’il faut ensuite jeter
• Immerger la sonde dans la solution.
• Éliminer toutes les bulles d’air en tapotant sur l’électrode ou en l’agitant
• Après 3 minutes, sans agitation pour une mesure d’eau osmosée, procéder à l’ajustement de la vis de réglage, suivant le manuel d’utilisation.
• Suivre si besoin, dans ce manuel, les préconisations pour l’ajustement de la constante du capteur.
• Éliminer la solution usagée.
• Rincer capteur et récipient comme précédemment.

 

En savoir plus

• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science
• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

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]]> Pourquoi traiter l’eau introduite dans un aquarium récifal ? Pourquoi choisir le traitement par osmose plutôt qu’une autre méthode ? Quel matériel choisir ? Comment l’installer, le mettre en œuvre et le maintenir ? Autant de questions auxquelles cet article tente de répondre …

1. Pourquoi traiter l’eau introduite dans un aquarium récifal ?

Quand on ne peut, ni ne souhaite, introduire de l’eau de mer naturelle dans un aquarium marin, ou pour compenser l’évaporation, l’aquariophile récifaliste doit à différentes étapes de sa maintenance utiliser de l’eau douce complétée de sels synthétiques. Une eau douce, mais laquelle ? Aucune eau douce n’est suffisamment fiable, que ce soit chimiquement ou biologiquement, pour être régulièrement introduite. Connait-on toutes les caractéristiques chimiques de l’eau douce embouteillée. Celle du réseau a-telle tous les oligoéléments requis ? L’eau du puit ou celle de pluie est-elle exempte de bactéries pathogènes ? N’a-t-elle ni couleur, ni odeur ? Utiliser une eau de composition inconnue c’est prendre le risque d’un déséquilibre chimique dans l’aquarium.

Soucieux de proposer une eau salée la plus proche de l’eau de mer naturelle, le récifaliste préfère préparer son eau à partir d’une eau non seulement douce, mais la plus pure possible. Ce choix permet de connaitre la composition de l’eau salée à partir du sel synthétique choisi. Ce faisant, il élimine de facto quelques causes potentielles de dysfonctionnements. La résolution d’un problème est plus ciblée..

Parmi les systèmes d’épuration possibles, l’osmose inverse est la plus utilisée avec succès en aquariophilie récifale.

2. Les filtrations membranaires

Il existe de nombreuses méthodes de filtrations. Peu sont aussi efficaces et faciles à mettre en œuvre à un coût modéré. L’osmose inverse en fait partie. Elle a été mise au point et est toujours utilisée par la NASA pour recycler l’urine des cosmonautes en eau buvable. Les particuliers aquariophiles ont accès à cette technologie depuis 1967. Mais pourquoi choisir ce système de filtration parmi d’autres ?

L’aquariophile a le choix entre quatre techniques de filtration : microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF), osmose inverse (RO) pour reverse osmosis, classées dans le tableau 1 selon la taille décroissante des particules traitées.

Tableau 1 : Comparaison des types de filtrations

Technologie	Taille des pores	Mode d’action	Particularités
Microfiltration (MF)	0,1 à 1 µ	Barrière moléculaire	Matériau du filtre : fluorure de polyvinylidène (PVDF). La séparation agit sur des molécules. Plusieurs microorganismes sont enlevés, mais les virus restent dans l’eau. La MF est utilisée comme une étape de pré-traitement pour d’autres processus de séparation tels que l’ultrafiltration.
Ultrafiltration (UF)	0.001 à 0.1 µ	Barrière moléculaire	Matériau du filtre : polyéthersulfone (PES) ou de polysulfone (PS). Principalement utilisé après la MF ou d’autres pré-filtrations pour concentrer des macromolécules (protéines…). Ni la microfiltration ni l’ultrafiltration ne peuvent enlever les substances dissoutes sauf si elles sont adsorbés en amont (avec du charbon actif) ou par des résine échangeur d’ions.
Nanofiltration (NF)	0.001 à 0.0001 µ	Diffusion de matières dissoutes (peut être affectée par le pH et la charge chimique au niveau de la membrane)	Les membranes organiques sont produites par application d’un film mince (polypipérazine) sur un substrat en polyéthersulfone (PES) ou en polysulfone (PS). Principalement utilisée après l’UF ou d’autre préfiltrations pour concentrer des macromolécules et la déminéralisation. La NF enlève la majorité des molécules organiques, presque tous les virus, une variété de sels ainsi que les ions divalents qui rendent l’eau dure, d’où son utilisation pour adoucir l’eau dure.
Osmose inverse (RO : reverse osmosis) ou Hyper filtration	< 0.0001 µ	Diffusion de matières dissoutes	Élimine toutes les molécules organiques et virus, la plupart des minéraux présent dans l’eau. Enlève les ions monovalents. Utilisé pour purifier, déminéraliser, dessaler l’eau, réutiliser les eaux usées…

La figure 1 définit les matières filtrées. Il apparait clairement l’avantage de l’osmose qui est ici la seule méthode permettant d’éliminer presque tout et ne conserver quasiment que la molécule d’eau H2O. C’est la méthode de désalinisation ayant le meilleur ratio efficacité/coût pour traiter des eaux salées de 0,1 à 50 g/l de sel.

 

Une membrane rejette d’autant mieux les contaminants que leur taille est grande (haut poids moléculaire) et que leur charge ionique est importante. L’osmose inverse permet d’éliminer les sels dissous (ions), les virus, les bactéries, les particules, les colloïdes, les matières organiques, solides dissous, algues… … Plus concrètement elle élimine les substances dissoutes suivantes :

• Les polluants organiques issus de l’agriculture, de l’élevage, des activités ménagères et industrielles : insecticides à 97 % ; herbicides à 97 % ; détergents ; glyphosate ; phénols ; bisphénol A ; phtalates ; amiante ; radium ; benzène ; PCN (polychlorobiphényle) ; perturbateurs endocriniens…
• Les bactérie à 99 % ;
• Les substances médicamenteuses : œstrogènes ; hormones de croissances, antibiotiques, vasodilatateurs.
• Les sels dissous : aluminium à 97-98 % ; ammonium à 85-95 % ; argent à 85-97 %  ; baryum ; bicarbonates à 94 % ; borate à 40-70  ; bore à 60-70 % ; bromure à 93-96 % ; calcium à 95-98 % ; carbonates ; hydrogénocarbonate ; chromate à 90-96 % ; cyanure à 90-95 % ; fer à 97-98 % ; fluor à 90 % ; fluorures à 93-95 % ; hydroxydes ;  iodures ; ions radioactifs à 95-98 % ; lithium ; magnésium ; manganèse à 97-98 % ; nitrates à 94-96 %. orthophosphates à 98-99 % ; peroxydes ; polyphosphates à 98-99 % ; phosphates à 97-98 % ; potassium à 92-97 % ; silicate à 94-96 % ; sodium à 92-98 % ; strontium ; sulfates à 97-98 % ; sulfures ; thiosulfates à 97-98 %  ; zinc à 97-99 %.
• Dont les métaux lourds : plomb à 96-98 % ; antimoine ; cadmium à 97-98 % ; chrome à 92 % ; cuivre à 97-98 % ; étain ; nickel à 97-98 %  ; mercure à 95-97 % et arsenic.
• Le chlore à 90-95 % et les dérivés chlorés : chlorures ; dichlorométhanes, THMs (trihalométhanes) , tétrachlorure de carbone…

Parmi les contaminants non éliminés, la mesure du TDS ou de l’électroconductivié ne détecte pas ceux à charge ionique neutre. C’est le cas de certaines formes de silices détectées à l’ICP alors que le TDS = 0 ppm.

3. Principe de l’osmose et osmose inverse

Une osmose se produit en présence de deux solutions liquides, de concentrations différentes. Concernant l’eau du réseau urbain il s’agit d’une concentration de composés divers (le soluté) : minéraux, matières organiques, polluants…, dissous dans l’eau (le solvant). Quand la concentration du soluté est plus importante dans l’une des solutions, la pression y est supérieure. En contact, leurs pressions ont tendance à s’équilibrer. Il y a alors une diffusion de la solution la plus diluée vers la plus concentrée jusqu’à l’équilibre (figure 2B).

Si on inverse artificiellement cette différence de pression, par exemple avec la pression du réseau de distribution ou au moyen d’une pompe, on effectue une osmose inverse (figure 2C). Alors le transfert se fait à l’inverse, dans l’autre sens : de la solution la plus concentrée (l’eau du réseau) vers la plus diluée (l’eau purifiée). C’est l’osmose inverse.

4. Système de filtration

Un système de filtration par osmose se décompose en plusieurs étapes (tableau 2). Dans une configuration simple, le système d’osmose pour aquarium marin se compose de 3 étapes. Dans une configuration plus élaborée pour aquarium récifal hébergeant des animaux sensibles, il se compose généralement de 5 étapes.

Tableau 2 : Systèmes de filtrations

Étape	Phase de Filtration	Mode d’action	Moyen de filtration	Config. 3 étapes	Config. 5 étapes
Étape 1	Préfiltration	Physique par absorption	Filtre 5 µ	x	x
Etape 2		Chimique par adsorption	Charbon actif	x	x
Étape 3		Physique par absorption	Filtre 1 µ		x
Étape 4	Osmose	Physico chimique par osmose	Membrane	x	x
Étape 5	Post filtration	Chimique par déionisation	Résine ionique		x

 

Les modules sont reliés en série par du tubing au moyen de connecteurs rapides 1/4". Ils se disposent dans un ordre permettant de filtrer les éléments des plus grossiers (particules solides) jusqu’aux plus fins (les ions) afin d’assurer une meilleure efficacité de chaque élément et d’augmenter la longévité des filtres en aval.

 

Préfiltration, osmose, post filtration… passons en revue les différentes phases en commençant par le cœur du système : l’osmoseur.

5. L’osmoseur

Principe de fonctionnement

L’osmoseur met en présence les deux solutions mais séparées d’une membrane semi-perméable. Cette dernière permet au solvant : l’eau, de passer à travers pour obtenir une eau purifiée (perméat). Elle retient les impuretés dans une eau concentrée, le rejet (concentrat). Relié au réseau de distribution sous pression, il s’y produit une osmose inverse avec production d’eau purifiée de 95 à 99 %. Les contaminants se concentrent en amont de la membrane (figure 1C).

95 à 99%… c’est à dire que l’eau osmosée contient de 1 à 5 % des impuretés présentes initialement dans l’eau de conduite. Sauf à l’analyser, on ne connait ni la nature ni la concentration des impuretés qui passent au travers. Ces 5% peuvent être constitués de zinc, de cuivre ou de métaux lourds, toxiques par accumulation. L’eau osmosée est purifiée, elle n’est donc pas pure. Des tests ICP pourront évaluer de combien. Quand elles ne sont pas évacuées ou métabolisées, ces impuretés s’accumulent dans l’aquarium jusqu’à un taux qui peut devenir problématique pour des invertébrés fragiles. Les tests ICP de l’eau du bac pourront évaluer le niveau de risque atteint. Il convient d’assurer une bonne maintenance et de surveiller la situation pour limiter les risques.

Le rejet est inévitable. Un osmoseur fonctionne à un certain taux de conversion (Tc). Tc = débit production / débit alimentation (fig. 5). Ce taux est régulé par un restricteur positionné en sortie de rejet. Le Tc de nos osmoseurs est de l’ordre de 1/5 (20%) soit 80% de rejet, et peut aller jusqu’à 3/5 (60 %) soit 40% de rejet pour économiser l’eau, mais au détriment de la vie de la membrane. Ce taux varie aussi selon les paramètres physiques (pression, température).

Relativisons : si l’évaporation d’une installation récifale représente 7% par semaine, l’osmoseur d’un aquarium de 500 litres devra produire 35 litres d’eau purifiée par semaine. Si son TC est de 20%, le rejet de 80% représentera 140 litres d’eau par semaine soit 7,3 m3 annuel et, selon le fournisseur de la commune, une facture annuelle d’environ 10 €. Le rejet peut utilement servir à l’arrosage des végétaux, aux sanitaires ou tout autre usage écologique.

 

L’osmoseur, contrairement à un filtre mécanique traditionnel, ne se sature que très peu en impureté et bien moins rapidement. L’eau concentrée en impuretés circule tangentiellement à la membrane, le colmatage est moindre, puis elle est rejetée continuellement ce qui en facilite la maintenance (figure 6).

Membrane

La membrane (fig. 7) se présente sous la forme d’une cartouche de format relativement standard jusqu’à un certain débit, interchangeable entre fabricants. Elle se compose de filtres en film, d’un tube central d’évacuation et de joints d’étanchéité. Cœur du dispositif, elle est constituée de plusieurs couches de films minces (TFC : Thin Film Composite ). Il existe aussi les membranes TLC (Thin Layer Composite), de marque Paintair aux caractéristiques légèrement différentes.

On y trouve intercalés (fig. 8) : une toile de polypropylène à larges mailles permettant d’acheminer l’eau à traiter au contact de la membrane, un tissu microporeux souvent en polyamide (PA) ou en polysulfone/polyethersulfone (PS/PES), filtrant l’eau épurée (perméat). Puis un tissu destiné à transporter le condensat rejeté. Les tissus sont liés entre eux puis roulés en spirale autour d’un tube d’évacuation en plastique perforé traversé par le perméat. Le concentrat  s’écoule à l’extérieur du tube.
Le matériau de la membrane, semi-perméable, permet aux molécules d’eau de la traverser, tout en bloquant les solides dissous (contaminants chimiques, minéraux, bactéries). Ce procédé physique ne stocke pas les contaminants, à l’inverse des filtres classiques. Assez résistant à un grand nombre de produits chimiques, il se dégrade au contact du chlore, aussi la membrane doit être protégée en amont par du charbon actif.

 

Il suffit de regarder les vidéos de fabrications de cartouches d’osmose sur l’Internet pour constater que les process sont bien différents. Certains, de grandes séries industrielles, en Asie comme ailleurs, sont totalement automatisées et fiables quand d’autres, essentiellement manuels, ne semblent pas garantir les principes de qualité et de reproductibilité. Il en est de la fabrication des membranes comme de celles des tissus utilisés. On ne doit pas être surpris des performances moyennes obtenues avec des membranes, plus ou moins exotiques, disponibles à bas prix. En l’occurence, s’agissant du coeur de notre système de filtration, il est préférable de s’en tenir à des marques reconnues.

Les fiches techniques, quand elles existent, expriment la capacité de production d’eau en GPD (1 gallon US per day = 3.8 litres) à une pression moyenne d’alimentation du réseau (souvent 3,4 bar). Cette caractéristique est déterminante en fonction du besoin quotidien pour l’osmolation et pour les changements d’eau occasionnels. La performance de la  membrane est donnée par son taux de rejet qui s’exprime, par convention, en rejet de chlorure de sodium (NaCl). Il est de 90 à 98 %, voire 99 % dans certaines conditions.

Tableau 3 : Liste non exhaustive de membranes commerciales

Moèle	Référence	Type	GPD à 3.4b	Pression	Taux sel
DOW	Filmtec BW30 50, BW30 100	TFC Humide	50, 100	3.4 b moy.	98 %
DOW	Filmtec BW60 1812 75	TFC sèche	75	3.4 b moy.	96 à 98%
DOW	Fimtec TW30-1812-100HR	TFC sèche	100	3.4 b moy.	98 %
Pentair	TLC 50, TLC 75,  TLC 100	TLC sèche	50, 75, 100	1.4 – 6.9b	96 à 98%

Les fabricants recommandent quelques conseils d’utilisation :

• Conserver les membranes dans leur emballage étanche avant utilisation. Les membranes TFC ou TLC vendues sèches, se conservent plus longuement.
• Lors de la première utilisation laisser couler l’eau environ 1 heure ( 24 h selon DOW) avant utilisation ;
• Utilisation : 25 à 45°C max. ;
• Pression d’alimentation : de 0,14 à 0,5 MPa (1.4 à 5 bar) min selon fabricants, se renseigner ;
• pH : entre 2 et 11 ;
• Débit d’eau d’alimentation : < à 7,6 et < 11 l/mn selon fabricants
• Jeter la quantité de perméat correspondant au volume d’une cartouche
• Les cartouches doivent être conservées humides après démontage et en cas d’arrêt prolongé, dans une solution de conservation pour éviter un développement bactérien. Il faut la rincer ensuite avant utilisation.
• Taux de chlore < 0.1 ppm : la membrane offre une certaine résistance à faible taux de chlore mais se détériore en contact continu et elle doit être protégée par un préfiltre charbon.

Facteurs influents sur la performance d’une membrane

Le premier facteur important est la qualité de la membrane elle-même. Toutes les membranes sur le marché ne se valent pas, même à caractéristiques prétendues identiques. Certaines produisent réellement plus que d’autres, ont de meilleurs taux de rejet, une meilleure résistance à l’abrasion chimique pour une plus longue durée de vie.

Les caractéristiques essentielles mesurant la performance d’une membrane sont le débit moyen d’eau osmosée produite (perméat) et le taux de polluants rejetés (soluté) reflet de la qualité du perméat. Celles-ci dépendent des paramètres de fonctionnement tels que la pression d’alimentation, la concentration des polluants, la température… dont les effets sont exposés dans le tableau 4. L’utilitaire d’HerVé permet de calculer le taux de rétention (ou taux de rejet) en fonction de ces ces paramètres.

Tableau 4 : Facteurs d’influence sur la production d’une membrane

Eau alimentation	Débit d’eau osmosée (perméat)	Soluté (polluants rejetés)	Commentaires
Pression			Paramètre essentiel, pour un bon fonctionnement la pression doit être au minimum de 2,5 bar et plus selon la référence. Le débit nominal d’une membrane est toujours donné par le fabricant à une pression test de référence, souvent 3,5 bar mais parfois plus. Alimenter à plus faible pression c’est diminuer notablement les performances. Ce point est important et mérite d’être vérifié dans la fiche technique et comparé à la pression réseau. Une pompe booster peut s’avérer indispensable. Le débit du perméat (eau osmosée) est proportionnel à la pression d’alimentation mais le taux de polluants traversant la membrane reste constant.  En conséquence, le débit du perméat et la quantité de polluants rejetés  augmentent. Pour autant, la qualité d’eau n’est pas améliorée comme expliqué ci-dessous.
Débit			À faible débit, la polarisation s’accentue. En conséquence, la concentration à la surface de la membrane augmente ainsi que la pression osmotique (osmose) qui s’oppose à la pression du réseau (osmose inverse). La situation s’inverse quand le débit augmente : le débit de production d’eau osmosée et le taux de rejet augmentent avec le débit d’alimentation.
Température			La viscosité de l’eau augmente quand la température baisse, traversant plus difficilement la membrane. La variation du débit du perméat augmente avec la température, de l’ordre de 3% par °C. Le taux de soluté augmente avec la température plus que le débit du perméat.
Taux de polluants (TDS)			La concentration de polluants augmente la pression osmotique (osmose) laquelle s’oppose à la pression du réseau (osmose inverse). Elle diminue donc le débit d’eau osmosée. Dans un premier temps, le taux de rejet augmente avec la concentration de polluants jusqu’à un maximum de 300 à 500 mg/l puis il diminue ensuite du fait de la perte de charge sur la membrane. Le TDS de l’eau du réseau étant en général inférieur à 400 mg/l, le débit d’eau osmosée diminue quand le taux de polluants dans l’alimentation augmente quelque peu.

Effets chiffrés de la pression : La figure ci-dessous permet de visualiser les effets de la pression dans une installation d’osmose inverse traitant un débit de 200 l/h d’une solution de CaCl2 à 0,05 moles/l d’eau.  La pression de fonctionnement  se situe généralement entre 3 bar avec l’alimentation du réseau et 6 bar avec l’adjonction d’une pompe booster. Cette installation permet de produire 190 gpd à 3 bar.

Comme on peut s’y attendre le débit de production (tracé bleu) augmente linéairement avec la pression. En effet le taux de conversion passe de 15 % à 3 bar à 35 % à 6 bar. Noter que celui-ci peut être également augmenté avec une membrane de plus grande surface (75, 100, 200, 400 gpd).
On remarque l’importance de ne pas descendre en dessous d’une valeur de pression (ici 3 bar) à laquelle le taux de rétention (rejet) chute rapidement (courbe verte), la membrane devenant inefficace. Au-delà ce taux s’améliore mais relativement peu, en effet le gain est ici inférieur à 1% en évoluant de 98,5 % à 3 bar à 99,4 % à 6 bar.
Dans le même temps la concentration de matières dissoutes (dont les solides TDS) dans le perméat (courbe orange) diminue. La courbe représente la concentration par rapport à l’eau du réseau traitée alimentant la membrane, et non dans l’eau osmosée. Elle passe de 1,5 % à 3 bar à 1,0 % à 6 bar. Telle que définie ici en fonction du volume total d’eau traitée en entrée cela semble logique du fait de l’augmentation du débit du perméat dans le même temps. Mais on voit que cette courbe devient progressivement horizontale. Constate-t-on une amélioration de la pureté de cette eau ?   Toutes conversions faites (avec l’incertitude liée au tracé),  le taux de matières dissoutes dans l’eau osmosée correspond  à 2.5 ppm à 3 bar contre 3.5 ppm à 6 bar. L’eau osmosée n’a pas gagné en pureté, bien au contraire.

Conservation

On ne peut stocker une membrane dans une eau non stérile, une prolifération bactérienne peut s’installer, le débit de production serait affecté ainsi que le taux de rejet. Il faut la conserver dans une solution désinfectante. Pour autant, tout produit de conservation a un impact sur l’état de surface de la membrane dès lors que l’on s’écarte de pH 7, et destructif vers pH 3.

Sans pour autant procéder à des désinfections toutes les 24 heures comme cela se fait dans le monde industriel, la méthode proposée ici permet de préserver la membrane sur une longue durée, un an sans infection bactérienne.

1. Démonter et laisser s’égoutter la membrane durant 30 minutes.
2. Dans un récipient d’eau osmosée ou déminéralisée peser et diluer 2 % de bisulfite de sodium NaHSO₃ plus 20 % glycérine. Le bisulfite de sodium étant vendu sous forme diluée, il convient de recalculer la dose à incorporer : pour obtenir 2 % de bisulfite de sodium pur il faut 2 / 40 x 100 = 5 % de bisulfite de sodium à 40 %. Des solutions désinfectantes prêtes à l’emploi sont proposées dans le commerce.
3. Laisser tremper la membrane dans la solution durant 30 minutes.
4. Égoutter et sceller, sous vide si possible, la membrane dans un sac en plastique étanche.
5. Avant réutilisation, rincer la membrane à l’eau puis procéder au rinçage préconisé pour une membrane neuve.

Une autre méthode utilisant une solution à 5 % de peroxyde d’hydrogène dans de l’eau osmosée ou distillée permet d’éliminer bactéries et virus. Dans ce cas, stocker la membrane dans la solution à l’intérieur d’un récipient chimiquement résistant, en polyéthylène, à l’abri de la lumière. Les solutions faiblement concentrées de peroxyde d’hydrogène n’étant pas stables, ce procédé ne permet de conserver la membrane que sur une courte période de l’ordre d’un à deux mois.

Remplacement

Tous les 3 à 4 ans, voire 5 ans selon la qualité de l’eau d’alimentation (NO3, alcalinité…). En aquariophilie marine on a l’habitude de procéder au changement quand l’une des deux condition est remplie le total des solides dissous (TDS) ou l’électro conductivité (EC):

• TDS (ou EV) sortie) > 10% TDS (ou EV) entrée;
• TDS > 40 ppm (EV > 80 µS/cm) en présence d’animaux non sensibles (FO, bac mixte coraux durs et mous)
  TDS > 15 ppm (EV > 30 µS/cm) en présence d’invertébrés sensibles (coraux LPS, SPS…).

Porte membrane

La membrane se loge dans un support étanche en plastique (fig. 9), son joint à lèvre en caoutchouc orienté du côté de l’ouverture du porte membrane. L’arrivée d’eau s’effectue par le couvercle. A l’opposé l’évacuation d’eau purifiée se trouve au centre, celle du rejet étant excentrée.

Restricteur

Le restricteur (fig.10) est un élément incontournable. Il sert avant tout à générer une contre pression, en amont de la membrane, indispensable au bon déroulement de l’osmose inverse. Il s’agit d’un tube avec orifice calibré. Il se fixe sur le tube de rejet au moyen de raccords rapides 1/4″, positionné dans le sens de circulation de l’eau indiqué par une flèche. Il est dimensionné pour assurer un débit précis, également indiqué en ml/mn, spécifique à chaque membrane. Ce faisant, il régule celui de l’eau osmosée, c’est lui qui assure le taux de conversion de la membrane. Plus rarement, dans les kits d’osmose commercialisés, un restricteur complémentaire de petite taille est inséré dans le tube de rejet, difficile à localiser.

Il existe des restricteurs 150, 200, 300, 350, 420, 525, 550, 800, , 850, 1000, 1200, 1500 ml/mn… Comment définir le restricteur adapté ? Le débit d’une membrane étant exprimé en gallon US par jour (GPD), un restricteur étant calibré en millilitre par minute (ml/mn), 1 GPD valant 2,629 ml/mn. Si le taux de conversion souhaité est de 1/5 = eau osmosée / eau alimentation, soit 1 d’eau osmosée pour 4 de rejet. Alors : Débit restricteur en ml/mn = Débit osmoseur GPD x 4 x 2,629. le tableau 5 définit le restricteur à utiliser selon la membrane.

Tableau 5 : choix du restricteur selon le débit de la membrane

Modèle membrane (Débit eau osmosée)	Tc = 1/5 Perméat (eau osmosée) : 20 % Concentrat (rejet) = 80 %		Tc = 1/4 Perméat (eau osmosée) : 25 % Concentrat (rejet) = 75%		Tc = 1/3 Perméat (eau osmosée) : 33 % Concentrat (rejet) = 66 %
	Débit rejet	Restricteur	Débit rejet	Restricteur	Débit rejet	Restricteur
50 GPD – 189 l/j	200 GPD = 525 ml/mn	500	150 GPD = 394 ml/mn	420	100 GPD = 263 ml/mn	300
75 GPD – 283 l/j	300 GPD = 788 ml/mn	750	225 GPD = 591 ml/mn	550	150 GPD = 394ml/mn	420
100 GPD – 378 l/j	400 GPD = 1051 ml/mn	1000	300 GPD = 788 ml/mn	750	200 GPD = 525 ml/mn	500
150 GPD – 567 l/j	600 GPD = 1577 ml/mn	1200	450 GPD = 1183 ml/mn	1200	300 GPD = 788 ml/mn	750

Dans certains cas le restricteur ne répond pas aux attentes. En effet, il est calibré pour un certain débit, mais il ne tient pas compte des fluctuations liées par exemple à la pression du réseau. Ou bien le débit obtenu ne permet pas d’obtenir le taux de solides dissous (TDS) souhaité. Il est possible d’ajuster le débit à une autre valeur en remplaçant le restricteur par une vanne à débit réglable.

Remplacement :  le restricteur n’est pas un organe qui s’use rapidement. Il s’entartre parfois, limitant le débit de sortie, à vérifier et nettoyer occasionnellement uniquement dans une solution très légèrement acide (vinaigre) et surtout, ne pas tenter de le déboucher avec un objet contondant. Il est recommandé de le remplacer en même temps que la membrane pour conserver un fonctionnement optimal.

6. Préfiltration : filtres à sédiments 5µ et 1µ

Les filtres se déclinent en modules jetables (porte filtres avec filtres intégrés scellés) ou en cartouches interchangeables (fig. 11) à placer dans des portes-filtres. Les porte-filtres transparents permettent mieux de visualiser l’état d’encrassement.  Les cartouches se déclinent en plusieurs longueurs 5", 10", 20" et plus, les cartouches de 10" étant les plus utilisés en aquariophilie récifale.

Le filtre à sédiments est constitué d’une couche en polypropylène non tissée, enroulée. Le maillage se réduit du centre vers l’extérieur et retient des polluants de tailles diverses : les sédiments en suspension (boues, sable, poussière, tartre…), les algues, la rouille, présents dans l’eau de réseau. Ce type de filtre absorbe dans sa masse les matières retenues. Il se charge peu à peu jusqu’à devenir inopérant voire augmenter la pression dans le support ainsi que réduire l’efficacité de l’ensemble de filtration.

Le filtre 5 microns se positionne en amont du système pour éliminer les plus grosses particules. Celui de 1 micron capture les mêmes particules, mais de plus petite taille. Il se positionne entre le préfiltre charbon et la membrane de manière à retenir les fines particules de charbon, complétant ainsi la protection de la membrane.

Remplacement : tous les six mois.

7. Préfiltration : sur charbon actif

Le charbon retient quelques microparticules en suspension mais surtout il adsorbe, c’est à dire qu’il fixe sur sa surface importante, sans réaction chimique, du fait de son extrême porosité, certains produits chimiques notamment le chlore, les pesticides, nombre de métaux lourds comme le cuivre, le plomb et des composants organiques volatiles responsables du gout et des odeurs.

La désinfection de l’eau municipale utilise du chlore et parfois des chloramines, difficiles à filtrer du fait de leur faible poids moléculaire, notamment les monochloramines. Les membranes y sont par ailleurs sensibles et se dégradent à leur contact. L’étape charbon actif est indispensable pour améliorer leur conservation.

Les cartouches contiennent du charbon actif en granulés ou sous forme de bloc compact (fig. 12). Les granulés assurent une meilleure élimination du chlore et ses dérivés. Ils sont privilégiés si la concentration en chlore est forte ou en présence de chloramine. Ils contiennent cependant des particules fines susceptibles de colmater la membrane et nécessitent un filtre 1 µm en aval. Le charbon en bloc, aussi appelé CTO, en général à base de coquille de noix de coco associée à un liant, compressé à 5 ou 10 microns, ne génère pas de grande perte de charge, sa structure assure une rétention (rejet) progressive des polluants. Les cartouches contiennent un joint en élastomère (silicone, EPDM, NBR…) destiné à retenir le charbon. Si le silicone ne présente pas de danger, l’EPDM ou le caoutchouc nitrile NBR, selon leur formulation, peuvent ne pas avoir la même innocuité lors des lavages successifs au contact de l’eau.

Remplacement : tous les six mois.

8. Post filtration : déionisation par résine ionique kati-ani

8.1. Les résines

Cette post-filtration utilise un mélange de résines échangeuses d’ions (REI). Il s’agit de billes en polymère, bien souvent du monomère styrène (S = vinylbenzène) aggloméré par agitation sous forme des perles sphériques puis polymérisé avec du divinylbenzène (DVB).

• La forme type gel ou microporeuse est la première obtenue en fin de polymérisation : Elle forme une structure relativement souple, transparente, avec des micropores de 1 à 2 nm.
• Un traitement ultérieur permet d’obtenir une forme type macroporeuse. Des pores sont agrandis pour obtenir une double porosité avec des macropores de 20 à 100 nm. Les échanges sont alors facilités avec les ions de plus grande taille. Son aspect est opaque, la structure finale plus rigide, plus stable.

La constitution des résines cationiques et anioniques peut varier. Elles sont polyvalentes ou au contraire ciblée pour mieux traiter des polluants particuliers.

8.2. Mode de fonctionnement

L’échange d’ions consiste à remplacer dans la solution, des ions indésirables par d’autres en quantité équivalente en faisant percoler l’eau à traiter au travers la masse de résine. Pour celà, les billes sont greffés des groupes fonctionnels :

• Cationiques fortement acides : la résine kati, de couleur marron foncé, est chargée en ion H+. Lorsque l’eau passe au travers, les ions positifs (cations) dissous dans l’eau ( (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, …) sont échangés par des ions H+.
  En sortie de Kati l’eau est très acide (présence d’acide sulfurique H2SO4, acide nitrique HNO3, acide chlorhydrique HCl…) et enrichie en CO₂ sous sa forme H₂CO₃. En milieu très acide les carbonates de l’eau (CO₃^–) se transforment en CO₂ dissous.
• Anioniques fortement basiques : la résine Ani, de couleur claire, est chargée en ions OH^–. Lorsque l’eau passe au travers de l’Ani, les ions négatifs (anions) (OH^–, Cl^–, SO4^2-, …) présents sous forme d’acide faible, tels que les acides carboniques et siliciques, sont échangés par des ions OH^–.

Ainsi, on échange tous les ions qu’ils soient positifs ou négatifs par des ions H⁺ et OH^– qui s’associent pour former de l’eau pure (H₂O).

En enlevant tous les polluants d’une certaine quantité d’eau on se retrouve donc avec exactement la même quantité d’eau mais purifiée.

Il existe des cartouches de déionisation constituées d’un enroulement spiralé de films fins kati et ani successifs telles les membranes d’osmose. Ces dernières n’acceptent que des eaux de faible dureté. Les formes granulaires, en billes, sont utilisées en aquariophilie. Le plus souvent, on n’achète pas deux résine anionique et cationique séparément, mais une seule où les deux types de résines sont mélangés. C’est le principe dit de lit mélangé. C’est à dire que les billes de résine cationiques côtoient celles anioniques formant une multitude de sites d’échanges très efficaces. Cette technique n’est utilisable qu’avec des eaux faiblement minéralisées telles qu’en sortie d’un osmoseur. Elle permet un taux d’extraction supérieur des ions présents, ainsi qu’un meilleur contrôle du pH.

8.3. Présentation, performance des résines

L’eau obtenue est d’une grande pureté en supprimant les anions (chlorures, sulfates…) et cations (sodium, calcium, fer, cuivre, ) encore présents après le passage de la membrane. Elle n’élimine pas les composés organiques, ni les virus ou les bactéries mais elle supprime efficacement nitrates, phosphates et les ions minéraux comme par exemple les silicates responsables du développement des diatomées. L’eau devient ainsi ultrapure et de qualité constante dans un traitement. Le TDS est proche de 0 ppm, une conductivité inférieure à 0,2 μS/cm, un taux de silice inférieur à 10 mg/l et un pH voisin de la neutralité.

Les résines sont vendues sous forme de cartouches étanches ou en vrac destinées à des containers rechargeables de capacités très variables, de quelques centilitres à plusieurs dizaines de litres. L’eau doit percoler lentement au travers de toute la masse de résine. Idéalement elles sont positionnées verticales pour éviter que l’eau passe dans une zone dépourvue de résine, sans chemin préférentiel. Puis on alimente la cartouche par le bas, l’eau remontant la masse de la résine pour assurer une traversée lente, maitrisée, sans effet gravitaire.

Les performances des résines varient selon les ions fixés (sélectivité des éléments traités), la proportion d’anions et de cations, le taux de DVB, la taille (masse volumique), la porosité (surface spécifique), leur présentation (humide, gel), leur innocuité alimentaire, avec indicateur coloré de saturation… une association de caractéristiques, parfois antagonistes, qui influent sur la filtration.

Tableau 6 : Caractéristiques de quelques résines
en lit mélangé
(MB : mixed bed)

Référence	Matrice	Copolymère	Résine cationique	Résine anionique
			% / Type / forme ionique	% / Type / forme ionique
Purolite® MB400	gel	PS – DVB	40 % / C100 fortement acide / H+	60 % / A400 fortement basique / OH-
Dupont Amberlite® MB20 H/OH	gel	PS – DVB	38-44 % / fortement acide /H+	62-56 % /fortement basique / OH-

8.4. Remplacement

Les billes de résine se fêlent ou se cassent au fil de leur utilisation, perdant leur efficacité au-delà d’un taux de fragmentation, elles peuvent aussi s’enrober de matières organiques ou de précipités de sulfate de calcium. Par ailleurs les sites réactifs s’épuisent après échanges d’ions (saturation). La régénération des résines avec acide et soude, à condition de séparer les billes anioniques des cationiques, est une opération complexe qui ne résout malheureusement pas toutes les causes de dégradation. Son changement est préférable.
Les résines ont une durée de vie d’environ 1500 à 2000 litres d’eau osmosée (soit 5000 à 10000 litres d’eau traitée). La mesure du TDS ou de la conductivité permettent de déterminer quand remplacer la résine. Bien entendu on cherche à obtenir le plus faible TDS en sortie, de 0 à 5 ppm selon les exigences de l’aquariophile. De toutes façons le remplacement s’impose quand il n’y a plus d’amélioration entre les valeurs d’entrée et de sortie ou pour celles qui contiennent un indicateur de saturation : quand la résine est colorée.

Méthodes de remplacement : La résine se change quand le taux acceptable ci-dessus est dépassé. Cependant, de l’eau dépassant l’objectif TDS a pu s’écouler depuis la détection de la dérive. Les aquariophiles à la recherche d’une eau la plus pure possible, peuvent utiliser deux filtres en série. Le second palliant la saturation du premier. Ils mesurent le TDS en sortie du  premier puis, dés que la valeur dépasse 0 ppm, placent le second, non saturé, en première position et changent le contenu du second. Cette méthode assure que la postfiltration ionique est toujours efficace, la résine jamais totalement saturée.

Parmi les nombreuses résines proposées il en est d’efficacités très différentes et parfois d’appellations abusivement copiées. Peu de fabricants ou vendeurs sont en mesure de décrire explicitement les caractéristiques de leur produit par ailleurs peut-être performant. Il en est d’autres qui se démarquent par leur transparence. Le tableau 6 cite quelques références parmi celles largement utilisées en aquariophilie récifale.

9. Équipements annexes

Le système peut comporter quelques équipements dont certains s’imposent et d’autre contribuent au confort d’utilisation.

9.1. La pompe booster

Elle permet d’augmenter la pression et ainsi, le débit de production. Elle est indispensable quand la pression du réseau public (3,5 bars en moyenne, mais parfois plus et exceptionnellement moins), est inférieure à la pression minimum donnée par le constructeur pour un fonctionnement optimal : de 1.4 à 4 bars selon le fabricant. Cette nécessité peut s’imposer aussi en présence de membranes de basse qualité, de membranes à fort débit (400 GPD), de puisages simultanés sur le réseau de l’habitation, pour augmenter le débit d’eau osmosée face à un besoin important (grosse installation, besoin immédiat…).
Le débit d’eau pure et d’eau rejetée augmentent, pour autant le taux de polluants rejetés (soluté) n’augmente pas, voire régresse comme l’indique l‘utilitaire d’HerVé. Par exemple, si le taux de polluants rejetés est de 5 % à 3,5 bars, il augmente à 8 % à 6 bars. La pression augmentant, la qualité de l’eau osmosée a tendance à diminuer comme on l’a vu au chapitre précédent traitant des membranes. Par ailleurs, une augmentation de pression au-delà des préconisations diminue sa durée de vie. Il n’est donc pas conseillé d’ajouter une pompe booster quand elle n’est pas indispensable.

9.2. Vanne de rinçage

Au fil du temps il se crée un dépôt (particules, bio-encrassement, tartre) sur la membrane qui en réduit les performances et plus encore, qui peut générer une augmentation de pression susceptible de la détériorer irrémédiablement. La nature et la quantité d’encrassement dépendent de facteurs différents dont la qualité de l’eau d’alimentation et l’efficacité des prétraitements… il est souhaitable de procéder régulièrement à son rinçage afin d’en conserver l’efficacité et d’en retarder l’usure. Cette opération est d’autant plus nécessaire quand il s’agit de redémarrer l’osmoseur après un arrêt prolongé de plusieurs jours durant lesquels la tuyauterie a pu se charger en matières organiques. Cet encrassement se manifeste par TDS plus important durant les premières minutes, qui se stabilise ensuite à son minimum.

La vanne de rinçage (fig. 16) se positionne en sortie de rejet. Une telle vanne manuelle peut également remplir la fonction de restricteur : son ouverture shunte le restricteur interne et l’eau s’évacue à grand débit entrainant les résidus. Dans ce cas le rinçage peut être hebdomadaire. Pour un usage alimentaire, les fabricants recommandent de rincer l’équivalent du volume de la cartouche avant utilisation soit environ 0.3 litre. La durée du rinçage dépend du débit de filtration, c’est à dire approximativement 2mn30 mn pour 50 GPD, 5 mn pour 100 GPD… voire plus en cas d’arrêt prolongé de l’osmoseur. Le rinçage peut être automatisé via un jeu d’électrovannes. Il est alors programmé avant chaque démarrage quotidien. Cette maintenance permet de doubler la durée de vie d’une membrane, elle ne dispense bien évidemment pas de son remplacement.

Vanne shut off

Quand le système de filtration alimente un réservoir tampon le remplissage une simple vanne d’arrêt shut off (fig.17) permet d’automatiser le remplissage. Cet équipement peu couteux et facile à mettre en oeuvre permet, par le simple jeu de différence de pression provoqué par la fermeture d’une vanne à flotteur, de stopper la production d’eau et de bloquer l’évacuation des eaux usées dès que la cuve tampon est pleine. La vanne s’ouvre de nouveau dès que l’on prélève de l’eau osmosée et le cycle de production redémarre. Cette vanne permet de conserver la membrane sous équipression stable, elle évite que la cartouche d’osmose se vide limitant les pertes ainsi que la prolifération bactérienne.

Cette vanne impose d’utiliser une autre vanne de détection de niveau Le circuit d’alimentation se connecte aux connexions basses (les vis étant au-dessus), celui de l’eau osmosée se connectant aux deux connecteurs supérieurs comme l’indique la figure 18.

9.3. Equipement de mesure : TDS-mètre, conductimètre

Les éléments du système de filtration (préfiltres, membrane, joints…) s’usent, s’encrassent. Leur fonctionnement évolue et leur durée de vie a ses limites. La maintenance peut être préventive et se caler sur des périodes prédéfinies de changement. Elle peut aussi être prévisionnelle, se basant sur la mesure de l’évolution des performances.
En aquariophilie, le niveau de pureté se vérifie avec deux appareils : le TDS-mètre qui mesure le taux de solides dissous en parties par million (ppm) autrement dit en milligrammes par litres (mg/l), et le conductimètre qui mesure la conductivité exprimée en microSiemens (µS/cm) ou en milliSiemens par cm (mS/cm).
Ces deux équipements mesurent le déplacement de charges électriques dans l’eau sous une différence de potentiel appliquée entre deux électrodes. Ils déterminent ainsi le taux d’ions des composants dissous. Notons qu’ils ne mesurent pas les charges neutres ou peu ionisées. Ainsi le TDS peut mesurer 0 ppm quand l’ICP détecte des composants (ex. silice). La différence entre eux tient au fait que le conductimètre, plus précis, prend en compte différents composants ioniques alors que le TDS se limite aux principaux. Ainsi, si l’on ne peut établir de relations en présence d’eaux chargées, on peut appliquer un facteur de conversion Kc quand l’eau est douce. TDS et électroconductivité sont alors reliés par la relation :

TDS (ppm) = EC (µS/cm) x Kc
Pour l’eau osmosée Kc = 0,5 et TDS (ppm) = EC/2 (µS/cm)

Le conductimètre doté d’une électronique élaborée est plus précis et permet en outre de mesurer la salinité d’une eau de mer. Le TDS-mètre, plus simple et meilleur marché se limite à l’eau douce du réseau d’alimentation, en sortie de membrane et en sortie de déionisation. Le marché propose des modèles à double mesure (Dual inline TDS-meter) (fig. 19) ou triple mesure (Triple inline TDS-meter),  de mesurer le TDS de l’eau d’alimentation puis en sortie de la membrane et de la résine ionique.
Les deux équipements s’étalonnent avec des solutions choisies proches de la gamme de mesure. Pour l’eau osmosée on choisira une solution étalon  de conductivité environ 80µS/cm ou de TDS de 50 à 200 ppm

Les objectifs de pureté à atteindre varient notablement selon le biotope reproduit et le mode de maintenance. Le tableau 7 définit quelques valeurs usuelles.

Tableau 7 : Valeurs indicatives de tds et conductivité

	TDS		Conductivité
Eau de mer S35	–		53 mS/cm
Eau potable réseau	150 à 400 ppm		150 à 600 µS/cm
Sortie de	Membrane	Déionisation	Membrane	Déionisation
Aquarium récifal LPS	< 40 ppm	< 10 ppm	<80 µS/cm	< 20 µS/cm
Aquarium récifal SPS	< 15 ppm	1 à 5 ppm	< 30 µS/cm	2 à 10 µS/cm

 

La qualité de l’eau d’alimentation conditionne en grande partie celle produite. Sa mesure en entrée permet de connaitre la situation du réseau local de façon à adapter les étapes de filtration en conséquence, ou de détecter une dérive saisonnière durant laquelle on peut reporter la production d’eau osmosée.  La mesure à l’entrée et en sortie d’un filtre (osmoseur, résine ionique) permet d’en déduire son efficacité. L’objectif étant bien entendu une diminution de la valeur en sortie. La valeur en sortie permet d’évaluer le niveau de dégradation ou d’usure et de procéder aux remplacements nécessaires.

Le TDS-mètre, comme le conductimètre se recalibrent régulièrement avec des solutions de NaCl pour étalonnage.

Filtre réseau

Dans la mesure ou le système est coupé ou moyen d’une électrovanne, il est nécessaire de la protéger avec un filtre anti particule (fig. 20) en amont de ligne.

Manomètre

Les performances de l’osmoseur dépendant pour une bonne part de la pression du réseau, il est indispensable de la connaitre, les surprises ne sont pas rares. Il est d’usage d’installer un manomètre (fig. 20) de capacité 10 bars. Ses filetages en entrée et sortie, adaptés aux connexions 1/4", permettent de le fixer en tête du porte membrane et d’y relier un tuyau d’osmose. Il peut être à bain d’huile, pour un fonctionnement plus fin.

Clapet anti retour

Dans certaines installations, il peut être utile de positionner un clapet anti retour. Un tel clapet est parfois inséré d’origine dans un coude 1/4" de telle sorte qu’il ne le voit pas de l’extérieur et qu’on ne se doute pas de son effet sur le fonctionnement général.

10. Installation du système d’osmose

Le commerce propose des systèmes de filtration prêts à l’emploi, plus ou moins complexes, répondant aux besoins généraux. Il propose également tous les accessoires permettant d’étendre un système existant ou le compléter selon ses propres exigences.

Quel que soit le système choisi, l’usage a mis en évidence certains principes d’utilisation :

Mise en route d’un système

• Utiliser un manomètre et un TDS-mètre (ou conductimètre).
• Avant utilisation rincer individuellement les filtres et porte filtres : sédiment, charbon, ainsi que la membrane, à l’eau douce.
• Faire fonctionner successivement chaque filtre connecté au filtre amont avant sa connexion au filtre aval jusqu’à obtenir une eau claire et environ 5 mn concernant la membrane ;
• Produire de l’eau osmosée, non utilisée, jusqu’à stabilisation du TDS au niveau minimum (DOW recommande 24h)

En utilisation normale

• La membrane d’osmose doit toujours rester en eau entre deux usages.
• Ne pas produire directement de l’eau osmosée dans l’aquarium sans surveillance. Utiliser une cuve tampon.
• Faire couler à vide l’équivalent du volume du porte membrane avant chaque utilisation ou jusqu’à stabilisation du TDS min.
• Rincer environ 5 litres par semaine
• Changer les filtres comme spécifié.

11. Automatisation

Automatiser l’installation de production d’eau osmosée, c’est s’assurer de toujours avoir une réserve d’eau suffisante, c’est fiabiliser le système, éviter les innondations, c’est aussi pouvoir s’absenter sans crainte. Les possibilités d’automatisation sont nombreuses, jusqu’à l’ordinateur de gestion ou l’automate réalisé soi-même. Quelques précautions doivent cependant être prises, indépendamment des dispositifs de sécurité, détections, alertes… mis en place par ailleurs.

• La réserve d’eau osmosée permettant d’assurer l’osmolation ne devrait pas dépasser le volume correspondant à 24 à 48 heures d’évaporation, Pour limiter la dérive de salinité suite à un dysfonctionnement.
• La production d’eau osmosée devrait être limitée dans la durée juste nécessaire pour remplir la réserve d’eau osmosée afin de limiter une fuite éventuelle du système d’osmose.
• Rincer 2 mn avant chaque utilisation quotidienne, éventuellement avecun relai temporisé.
• Une électrovanne d’arrêt placée en début de circuit doit être protégée par un filtre à particules placé en amont.

Voici un exemple d’automatisation réalisable par un non électronicien, pour une cinquantaine d’euros hors TDS-mètre, cartouches et filtres.

Ce montage fait appel à :

• 1 Alimentation 230VAC – 12VCC 3A ;
• 1 Programmateur 12VCC 16A 80mA : plusieurs programmes M/A par jour ;
• 1 Module relais temporisé 12VCC 10A 50mA : se déclenche à la mise sous tension durant la durée paramétrée (0 s à 999 h) ;
• 2 Détecteurs de niveau à flotteur ;
• 1 Raccord 3/4"F 1/4" ;
• 1 Vanne 1/4" ;
• 1 Filtre à particules 1/4" 100µ : pour non détérioration de l’éléctrovanne ;
• 3 Electrovannes 12VCC 400mA ;
• 3 T 1/4" ;
• 1 Manomètre 10b 1/4" ;
• 1 Raccord 3/8"F 1/4" : arrivée eau de ville ;
• 1 Restricteur ;
• 1 Selle dia 40-1/4" : évacuation vers une canalisation existante.
• 1 Raccord droit 1/4"M 1/4" avec joint : manomètre.
• 1 testeur TDS triple mesure ex. HM Digital TRM-1 Triple Inline TDS Monitor

 

Souhaitons que ces quelques lignes permettront de mieux maitriser la production d’eau osmosée.

 

Michel LABBÉ, Denis TOURNASSAT

Article publié sur Cap récifal le 18 mars 2020 avec l’aimable autorisation des auteurs.

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Devenu parfait petit récifaliste hydraulicien dans la seconde partie de cet article, on a pu déterminer toutes les dimensions de la canalisation. Mais le système de circulation d’un aquarium, ne se résume pas à obtenir le seul écoulement de l’eau depuis, et vers une cuve technique. Quid du choix des pompes, des tubes, de la réalisation du déversoir, de la réduction du bruit… ? C’est l’objet de cette troisième partie.

1 : Données de calcul – 2 : Dimensionnement – 3 : Réalisation

La canalisation a été immaginée dans sa globalité, ses dimensions ont été calculées et validées au moyen des deux calculateurs de Cap récifal :

Le calculateur Calcul d’alimentation en eau d’aquarium, destiné à chiffrer la hauteur manométrique de la pompe en présence des coudes qui ne manquent pas de freiner notablement l’écoulement sous pression.

Le calculateur Calcul d’évacuation d’aquarium, pour évaluer le débit possible dans un diamètre et pour un taux de remplissage connus, ou pour déterminer le taux de remplissage pour un débit imposé et un diamètre choisi.

Il est temps d’en fixer les détails. Plusieurs questions se posent alors :

• Quelle pompe choisir ?
• Quel volume de nappe d’eau la cuve technique devra-t-elle réceptionner après arrêt de la pompe de remontée ?
• Comment dimensionner la grille et le déversoir pour assurer l’écoulement, même en présence de corps étrangers ?
• Comment évacuer les corps gras ?
• Comment régler le niveau d’eau de l’aquarium et assurer la sécurité contre les inondations ?
• Comment réduire les bruits parasites générés par les écoulements ?

 

Nous passerons donc en revue les différentes fonctions d’un système de circulation avec, autant que possible, des solutions.

1. Éléments du circuit d’alimentation

1.1. La (moto)pompe de remontée

Bernouilli n’a plus de secret pour personne : pour que l’eau circule de la cuve technique vers l’aquarium placé à un niveau supérieur, il faut en élever la charge à l’entrée de la canalisation. C’est le rôle de la pompe de remontée ou de reprise, laquelle assurera aussi le débit circulant. Cette motopompe, nommée pompe, est en effet constituée d’un moteur couplé à une pompe, le tout formant un ensemble homogène, plus ou moins compact.

1.1.1. Le moteur

Synchrone, asynchrone, brushless, induction, électronique… des termes utilisés par les fournisseurs de pompes d’aquariums. Ce chapitre se limitera à y voir un peu plus clair dans la terminologie et les modèles qui nous sont proposés.

Un moteur électrique est constitué essentiellement de deux parties : un stator fixe et un rotor mobile, espacés par l’entrefer. Nous devrions parler de moteurs électromagnétiques, puisqu’ils transforment une énergie électrique en énergie mécanique cinétique (rotation du rotor) au moyen de forces magnétiques. Ainsi, la partie fixe entraine l’autre, mobile, à l’image de deux aimants dont les deux pôles positifs se repoussent. Ceci impose qu’il y ait formation d’un champ magnétique promoteur du mouvement, c’est le rôle de l’inducteur (en général au niveau du stator), et un organe (l’induit) subissant ce champ, ou s’y opposant sous la forme d’un second champ. La manière dont les phénomènes magnétiques interagissent, définit plusieurs technologies d’entrainement :

1.1.1.1. Moteur asynchrone

Le principe de fonctionnement repose sur la création d’un courant induit (loi de Faraday) dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force du champ magnétique généré par l’inducteur (dans le stator), d’où le nom de moteur à induction. L’action combinée de ce courant induit et du champ magnétique, crée une force motrice sur le rotor avec un certain décalage : il est asynchrone.

Le rotor peut être constitué de plusieurs barreaux métalliques (en cage d’écureuil). Chaque barreau, parcouru du courant induit, est repoussé successivement par la force électromagnétique. Il peut, moins fréquemment, être bobiné Il est alors parcouru par un courant alternatif transmis au moyen de balais (charbons) au collecteur du rotor.
L’inducteur dont les bobines sont alimentées en décalage par un courant alternatif (asynchrone triphasé ou asynchrone monophasé), produit un champ tournant qui entretient le mouvement. Ce type de moteur, simple, robuste est d’autant plus utilisé que des électroniques viennent aujourd’hui pallier à son point faible : la faible puissance au démarrage. La cage, quand elle est noyée dans le rotor, offre une solution étanche pour nos applications. On en trouve dans une gamme de puissance de 30 à 1000 W sur des pompes de relevage d’aquarium ou de bassin débitant de 3000 à 40000 l/h.

1.1.1.2. Moteur synchrone

Le stator est alimenté comme pour le moteur asynchrone, par un courant alternatif. Le rotor tourne, synchronisé avec le champ tournant. Mais contrairement à ce dernier, le flux magnétique du rotor est obtenu soit par un courant continu extérieur parcourant un enroulement, soit par un aimant permanent Ce type de moteur se caractérise par un faible encombrement, une vitesse constante quelle que soit la charge (jusqu’à un certain niveau de décrochage), il est moins sujet aux variations de tension et il peut fonctionner sous des tensions très différentes.

Les moteurs diffèrent notablement selon leur rotor :

Moteur synchrone à rotor bobiné

Le rotor dispose d’enroulements électriques. Alimenté en courant alternatif, il tourne selon la fréquence du secteur, ou un sous-multiple selon le nombre de bobines, à vitesse constante, indépendante de la charge. La présence de balais impose un usage externe.

Moteur synchrone brushless

Le rotor est composé d’un aimant permanent, constitué de poudres de terres rares frittées et polarisées sous le champ intense d’un électroaimant. Nul besoin de lui fournir du courant. Sans balai pour l’alimenter, il est dit brushless. C’est le cas de nombreuses pompes de relevage aquariophiles dont le rotor baigne dans l’eau.

Ce type de moteur a des difficultés pour démarrer. Pour les très petites puissances, comme celles des pompes d’aquarium, les fabricants utilisent des aimants hélicoïdaux leur permettant d’accrocher plus facilement au champ tournant.

Mieux encore, l’inducteur est pourvu d’une électronique de puissance (fig. 4), interne ou externe, permettant de monter progressivement la fréquence et de caler le champ tournant sur le rotor (en fonction de sa position angulaire et de son couple). Le moteur s’adapte donc à la charge pour le meilleur rendement. Plusieurs méthodes permettent de mesurer en continu l’angle entre le champ et la position magnétique du rotor :

• Résolveur optique : grande précision ; très grande vitesse ; insensible aux perturbations magnétiques ; commande sinus facile à mettre en place, mais assez coûteux.
• Résolveur magnétique : bon rapport qualité prix ; assez précis ; commande sinus facile à mettre en place mais sensible aux perturbations magnétiques du moteur.
• 3 capteurs effet hall : très faible coût, mais faible résolution (dépend du nb de pôles) ; pilotage difficile en mode sinus, plus adapté au pilotage avec commandes trapèze (sauf moteurs à régime constant et estimation de la position du rotor).
• Back-EMF (force contre électromotrice) : méthode de relecture de la tension sur les phases, puis filtrage, pour connaître la position du rotor. Efficace avec des vitesses non nulles. Mais difficulté de démarrage à fort couple et complexité de filtrage du signal (mise au point).

D’une manière générale les moteurs brushless ont des rendements élevés moyennant une électronique complexe. Le choix des composants conditionne la durée de vie du moteur. Le marché propose une large gamme de modèles, de 6 V DC à 300 V AC. Ils sont alimentés en courant alternatif, l’alternance de l’activation des bobines est celle du secteur, ou à courant continu, dits BLDC (Brushless direct current), l’alternance est alors réglée électroniquement. Les pompes aquariophile exploitant ce principe s’échelonnent dans une large gamme de puissances 2,5 à 200 W allant de 150 à plus de 12000 l/h. De plus, certains modèles de "pompes électroniques" permettent de varier leur débit (fig. 5) et sont même parfois programmables ou pilotables, à l’instar des pompes de brassage.

1.1.1.3. Autres types de moteurs

Les moteurs électriques utilisent d’autres systèmes d’entrainement rappelés ici à titre indicatif puisqu’ils ne présentent pas d’intérêt pour notre hobby :

• Moteur à courant continu. Utilisé surtout pour les petites puissances. Le stator (inducteur) peut être formé soit par des aimants en ferrite, soit par des bobines inductrices en série. Le circuit induit est composé de conducteurs logés dans des encoches, dans le rotor. Cela nécessite de le relier à un circuit électrique extérieur au moyen d’un collecteur associé à des balais. Cette technologie, source de pannes et de dysfonctionnements est supplantée par les développements du moteur brushless.
• Moteur universel. Moteur à courant continu à excitation série (l’inducteur est en série avec l’induit). Ce système présente peu d’intérêt depuis l’apparition des moteurs brushless.

Le tableau 1 compare les différentes technologies d’entrainement des moteurs électriques. Les lignes vertes correspondent à celles proposées par les constructeurs de pompes de relevage pour l’aquariophilie.

Tableau 1 : Technologies d’entrainement des moteurs électriques

Différents modes d’entrainements des moteurs électriques. Les lignes vertes regroupent les modèles aquariophiles ; les développements dans les commandes électroniques ont relancé l’interêt des modèles brushless qui cumulent de nombreux avantages.

Technologie	Particularités	Inducteur		Induit
Asynchrone triphasé (Induction)	Champ magnétique tournant "Moteur à induction". Robuste, simple, démarrage en charge difficile, faible coût.	Stator	AC	Rotor à cage	–
				Rotor bobiné	AC
Asynchrone monophasé (Induction)	Petites puissances, encombrant. Condensateur. Sans balais. Associé à une électronique. Possibilités : rotor immergeable.	Stator	AC	Rotor à cage	–
Courant continu	Petites puissances, variation de vitesse, très basse tension,  balais, technologie dépassée.	Stator	CC ou aimants	Rotor	CC polyphasé
Synchrone (balais)	Vitesse fixe, indépendante du couple. Pompes aquario. externes.	Stator	CC	Rotor	CC
Synchrone (brushless)	Vélocité, faible inertie, fiabilité, rendement, insonorité, souplesse, sans balais. Possibilités : très basse tension, vitesses variables, pilotables, rotor immergeable.	Stator	CC polyphasé	Rotor	Aimant
Universel	La vitesse diminue fortement avec la charge. Maintenance, inertie, échauffements. Petits appareils <1 kW.	Stator	AC ou CC	Rotor	AC ou CC

 

1.1.2. La pompe

La pompe, accolée au moteur, convertit l’énergie mécanique (rotation du rotor) en énergie hydraulique, principalement sous forme de pression.

Les pompes utilisées pour le relevage de l’eau d’aquarium sont des pompes centrifuges. Elles sont constituées :

• D’un ensemble fixe : le corps de pompe (fig. 6) composé de la tubulure d’aspiration, de la volute et de la tubulure de refoulement.
• D’une partie mobile : le rotor (fig. 7) constitué d’un impulseur (roue à aube) et de l’axe.

Le fluide entrant par la tubulure d’aspiration est mis en rotation au moyen du rotor tournant à grande vitesse, de quelques centaines à quelques milliers de tours par minute. L’impulseur (roue à aube), de forme radiale adaptée pour monter en pression, tourne dans le collecteur (la volute), en principe décentré par rapport à l’axe. Il augmente la vitesse radiale centrifuge, crée une dépression qui aspire le fluide axialement et le repousse tangentiellement en créant une pression dans la tubulure de refoulement.

Ce système de pompage a l’avantage d’être simple, rustique et peu couteux ; il fonctionne sans à-coup et permet d’obtenir des débits élevés à des pressions moyennes et avec des fluides peu visqueux comme l’eau douce ou salée, même chargés de particules solides. il est donc bien adapté à l’aquariophilie, par contre son rendement est faible.

Les impulseurs peuvent prendre des formes plus ou moins évoluées. Nos pompes aquariophiles sont pourvues de roues à aubes à simples pales (fig. 8a) ou de roues à aubes incurvées, ouvertes (fig. 8b), qui augmentent la vitesse de l’eau et améliorent le rendement. Ces dernières sont parfois semi fermées, fixées sur un flasque arrière (fig. 8c) laissant passer les corps étrangers. Certains modèles fermés entre deux flasques, créent une striction en sortie (fig. 8d) qui augmente la pression en sortie,  avec cependant un risque d’obstruction plus grand.

 

1.1.3. Critères de choix d’une pompe

Plusieurs critères conduisent au choix d’une pompe. Le premier étant de sélectionner les modèles en mesure d’assurer le débit souhaité.

1.1.3.1. Débit : courbe de fonctionnement

Comme nous l’avons vu précédemment, la pression interne apportée par la pompe, pousse une colonne d’eau dans le conduit, dont la masse augmente avec la hauteur. Cette pression diminue proportionnellement avec la hauteur et le débit s’en trouve réduit, ceci pour une même vitesse de rotation du rotor. Cette relation entre le débit volumétrique Q_v, et la hauteur manométrique H_m,, est définie par la courbe de fonctionnement, ou courbe caractéristique (fig. 9 ), déterminée par le fabricant. Le débit est maximum à hauteur nulle et devient nul à la hauteur maximale.

Il appartient donc à l’aquariophile de vérifier que la pompe est en mesure de fournir le débit souhaité en sortie de canalisation. De la même manière que le fabricant définit la courbe caractéristique de la pompe, nous avons expliqué dans la partie précédente de cet article, comment tracer la courbe réseau (H_m en fonction de Q_v) propre à la canalisation avec ses pertes de charges. Le point de fonctionnement se situe à l’intersection des deux courbes. En l’absence d’intersection, la pompe est inadaptée. Il est préférable que le point de fonctionnement se situe hors des extrêmes de la courbe. Le blog rudyv.be propose un logiciel Hervé Reef Tools téléchargeable, permettant de choisir une pompe parmi une sélection de modèles du commerce.

Le plus souvent, les pompes sont vendues sans possibilité d’ajuster le débit. Il est, dès lors, peu probable de trouver le modèle qui fournira exactement le débit souhaité à la hauteur de déversement (fig. 9 ). Une petite différence n’est en général pas rédhibitoire, il suffit d’intégrer le débit réel pour recalculer éventuellement la canalisation.
Si besoin, il suffit d’apporter quelques modifications (diamètre, vanne…) pour en faire varier la charge et faire correspondre le débit réel au débit souhaité. À cet effet, certains modèles acceptent plusieurs diamètres de sortie, adaptables.
Par exemple : soit
une canalisation dont la hauteur H à remonter est 2,20 m. Compte tenu des coudes et de la longueur du conduit, pour obtenir le débit souhaité de 6000 l/h, le Calculateur d’alimentation en eau d’aquarium donne une hauteur manométrique H_m = 3,00 m. D’après la courbe caractéristique du constructeur, à cette hauteur la pompe ATK MP10041 (fig. 10) débitera à 6200 l/h. Après un nouveau calcul de la canalisation, à ce débit le calculateur donne un taux de remplissage légèrement augmenté, mais il reste acceptable.

Le marché propose maintenant des pompes pour aquarium, à débit ajustable par variation électronique de la vitesse de rotation. Pour réduire le débit, il est également possible de placer une vanne sur le circuit ; une légère fermeture augmentera la perte de charge. Cette dernière sera placée sur le circuit de refoulement de la pompe et non à l’admission pour éviter qu’elle cavite. La vanne sera fermée sans excès sous peine de générer un échauffement du moteur. On peut aussi intégrer une dérivation en sortie de pompe, éventuellement équipée d’une vanne, qui recyclera le débit excessif vers la cuve technique.

Associations de pompes : sans rentrer dans les détails et à quelques approximations près, la hauteur manométrique de deux pompes montées en série est la somme de leurs hauteurs manométriques. Le débit de deux pompes en parallèle augmente sans jamais être la somme de leurs débits respectifs.

1.1.3.2. Variation de débit

Il n’est pas fréquent de faire varier la tension d’alimentation électrique des moteurs asynchrones. La régulation n’est pas très stable et cette méthode est réservée aux petites puissances sous peine de générer un échauffement du bobinage. On pourra trouver chez les vendeurs d’accessoires de bassin, des variateurs destinés à des pompes de 300 W maximum, même si on annonce des puissances bien plus importantes.

Les pompes dotées de moteurs synchrones brushless qui disposent d’une électronique associée sont parfois dotées de variateurs plus évolués qui agissent sur la fréquence du courant.

1.1.3.3. Protection électrique

Les protections électriques doivent être aux normes CE.

– Classe d’isolation : utiliser des pompes de classe 2 à double isolation, représentée par deux carrés superposés. Sinon, le branchement doit être relié à la terre. Le circuit d’alimentation des modèles fonctionnant sous réseau basse tension (230 à 400 V) doit, bien entendu, être équipé d’un disjoncteur différentiel 30 mA.
– Indice de protection : Une pompe non immergée doit avoir un indice de protection minimum IPX5 (protégé contre les jets d’eau de toutes directions à la lance). Une pompe de relevage immergée doit être au minimum IPX8 (matériel submersible en immersion prolongée). La plaque d’identification de la pompe précise la limite de profondeur pour laquelle la protection s’applique.

Pompes basse tension : Les fabricants proposent aujourd’hui des modèles électroniques fonctionnant sous basse tension 10 à 24 V. Outre l’absence de risque d’électrocution, ces dernières peuvent fonctionner à l’aide de n’importe quelle source de courant continu (batterie, cellules photovoltaïques). Un système, tel le Safety Connector de Tunze, permet une utilisation normale avec l’alimentation secteur et enclenche la source de courant continu (batterie) en cas de défaut de l’alimentation secteur.

1.1.3.4. Protection thermique

L’acier inoxydable… s’oxyde toujours !

La résistance à la corrosion des aciers inox est obtenue par l’adjonction de chrome (Cr) et de molybdène (Mo). L’inox, mis à nu par une rayure ou pire, au contact continu d’une eau chlorurée, s’oxyde en présence de l’oxygène de l’eau. Pour mémoire, l’eau de mer contient 35 g/l de chlorures (NaCl, MgCl₂, CaCl₂, KCl) ! Cr et Mo migrent alors vers la surface, par échanges d’électrons, pour constituer un film passif, protecteur, invisible, d’oxyde de chrome et de molybdène. Ainsi, le film se régénère constamment, libérant dans l’eau Cr et Mo. Durant les échanges électrolytiques, d’autres composants migrent. Pour mémoire, l’inox A4 ou 316L dit inox marine, contient : 17 % de chrome, 12 % de nickel, 2 % de molybdène, 2 % de manganèse, autant de métaux potentiellement toxiques pour certains invertébrés, que l’on préfère ne pas voir polluer notre eau récifale.

Et le titane ?

La même passivation s’observe avec le titane, sauf que la couche oxydée est plus épaisse, plus stable chimiquement, plus étanche et plus résistante, moins sujette à l’érosion dans un courant d’eau. Malgré la présence éventuelle d’additifs potentiellement toxiques (Ni, , Cr, Mo, Pt, Pd…), la couche superficielle est constituée de dioxyde de titane, dans un état de cristallisation innoffensif. Métal biocompatible, le risque d’intoxication des animaux semble nul.

De nombreux modèles électroniques disposent d’une protection thermique. L’alimentation secteur est alors protégée en cas de court-circuit et de surcharge thermique, per exemple en cas d’insuffisance d’eau (fonctionnement à sec).

1.1.3.5. Innocuité

Les composants ne doivent pas présenter de risque de libéreration de constituants toxiques (huile de lubrification, chrome, molybdène…) pour les animaux hébergés (voir l’encadré).
Le Décret n°73-138 du 12 février 1973 définit les règles concernant les matériaux et objets au contact des denrées, produits et boissons destinés à l’alimentation de l’homme et des animaux. Les textes incluent l’eau ingérée (celle de l’aquarium est ingérée par nos poissons). Le règlement UE n° 10/2011
du 14 janvier 2011 précise les modalités (contenu, méthodes de tests et taux limites) pour les plastiques (carters, pièces…). Certains constituants sont régis par les pays concernés… il reste à savoir si les fabricants s’y conforment.

1.1.3.6. Fiabilité

Les pompes de relevage d’aquarium fonctionnent 24 h / 24 h ; il convient de sélectionner un matériel fiable, même s’il est plus couteux. La fiabilité dépend de la fabrication mais aussi d’un bon usage, c’est à dire d’une utilisation correspondant au meilleur niveau de performance. Rappelons qu’il ne faut pas brider et encore moins obturer la sortie d’une pompe. C’est sans danger si la situation est de courte durée mais à la longue, en l’absence de circulation d’eau, la chaleur ne s’évacue plus et le moteur s’échauffe.

1.1.3.7. Rendement et consommation électrique

Le rendement est le rapport entre la puissance restituée et la puissance fournie. Il est constitué d’une part électrique, mécanique et hydraulique. Celui des pompes centrifuges est relativement bas, surtout pour celles dont le rotor est noyé (inférieur à 0,5). Il est préférable de faire fonctionner la pompe dans la plage de son meilleur rendement. En l’absence d’indication, et puisque nos pompes fonctionnent dans les mêmes conditions de débit et de température, on peut choisir celles dont le point de fonctionnement se situe vers le milieu de la courbe.

La consommation de pompes similaires peut varier notablement. Puisque les concepteurs s’ingénient à proposer des produits moins énergivores, pourquoi ne pas en profiter ! Le moteur de certaines pompes électroniques adapte automatiquement sa vitesse de rotation à la charge de la pompe, cherchant constamment le meilleur point de fonctionnement avec le moins d’énergie consommée possible. Le gain de consommation par rapport aux modèles conventionnels est de l’ordre de 30 %.

1.1.3.8. Résistance au milieu

Bien évidemment, les pompes doivent être prévues pour l’aquariophilie et, si besoin, pour une utilisation en eau de mer. Elles ne doivent présenter aucun risque d’oxydation (axes de rotor en céramique) ni de dégradation (rigidification des fils d’alimentation électrique) susceptible d’en affecter le fonctionnement ou la sécurité.

1.1.3.9. Niveau sonore et insonorisation de la pompe

L’absence de vibration et le faible niveau sonore sont à étudier, surtout si la pompe prend place dans un meuble du salon. Les constructeurs sont plutôt discrets sur le sujet. Les retours d’expérience des aquariophiles sur les forums sont heureusement riches d’enseignements. Il faut considérer que, comme pour tout équipement dynamique, l’usure des premiers jours de fonctionnement tend à diminuer les vibrations.

Les pompes sont équipées d’origine de silentblocs en caoutchouc ou de ventouses. Les aquariophiles savent pousser leur imagination pour trouver des solutions efficaces : plots de colle silicone ou ventouses additionnelles pour éviter les vibrations contre les parois ; pompes posées sur des tapis souples en matériau imputrescible et neutre ; pompe suspendue à une corde.

1.1.3.10. Intégration

Les dimensions externes peuvent être un élément déterminant pour inclure la pompe dans l’espace exigu d’une cuve technique. Une pompe à sorties orientables s’adaptera plus facilement à la configuration de l’installation. Des sorties filetées en 1″ ou 1,5″ pourront accepter des connecteurs fixes ou rapides.

La longueur du fil d’alimentation sera suffisante pour positionner la prise plus haut que la cuve, dans une zone sèche et normalement ventilée, éloignée de toute source de chaleur.

1.1.3.11. Programmation

Le marché propose des pompes électroniques programmables : arrêt manuel durant quelques minutes lors du nourrissage ; évolution du débit selon la journée ; mode silence la nuit… La programmation est même parfois possible à partir d’un smartphone via une connexion Wifi.

1.1.4 Emplacement de la pompe de relevage

Pompes externes ou internes

Le marché propose des pompes  exclusivement internes, à placer dans la cuve, puisque l’étanchéité de leurs connexions hydrauliques n’offre pas une garantie suffisante. D’autres sont exclusivement externes, non étanches, elles sont impérativement placées à l’extérieur de la cuve. Enfin, certaines pompes sont à la fois externes et internes. Ne pas confondre avec les pompes dites pour l’intérieur. Il s’agit en général de pompes de bassin à placer à l’abri des intempéries, qui n’assurent pas une étanchéité électrique suffisante.

Une partie de l’énergie mécanique est dissipée sous forme de chaleur qui se transmet à l’environnement de la pompe. Autant que possible, il est préférable de la mettre à l’extérieur de la cuve technique. Les pompes centrifuges des installations chez les particuliers ne peuvent s’amorcer seules. La pompe est donc positionnée en dessous de la surface de la chambre à niveau variable de la cuve technique, à une profondeur qui ne permet pas l’aspiration d’air par la formation de vortex ou tourbillons à la surface de l’eau. L’amorçage est ainsi obtenu par gravité. Dans nos circuits, l’usage consiste à éviter tout ce qui peut nuire à l’aspiration en amont de la pompe.

1.1.5. Cavitation et NPSH des pompes

Le phénomène de cavitation consiste en la formation de bulles de vapeur d’eau suite à son ébullition du fait d’une diminution importante de la pression. Emportées dans des zones de plus fortes pressions, ces bulles implosent, ce qui peut être néfaste pour l’installation. Le phénomène se traduit parfois par des bulles en sortie, par des bruits, une dégradation des turbines et des performances moindres.

La cavitation apparait avec une pression inférieure à la pression de vapeur saturante (24 cmCE à 20°C) que l’on peut rencontrer à l’aspiration d’une pompe. Les constructeurs de pompes industrielles déterminent la charge (pression) nette à l’aspiration au-dessus de la pression de vapeur saturante : NPSH (Net Positive Suction Head) requise pour éviter le phénomène, sous forme de courbe en fonction du débit. Ce n’est pas le cas des fabicants de pompes de relevage pour aquariums.

En aquariophilie

La cavitation n’est pas limitée aux pompes industrielles tournant à vitesse élevée. Au sein de la pompe la pression diminue encore, avant qu’elle apporte son énergie sous forme de pression par rotation. Ainsi, même si la pression à l’aspiration est supérieure à la pression de vapeur saturante, il est possible que, selon sa géométrie, la pompe cavite. Le phénomène est peu fréquent mais se rencontre parfois. Les fabricants éludent pourtant cet aspect, même pour les modèles les plus performants ou ceux, non immergés, placés à l’extérieur de la cuve, dont le conduit d’aspiration est plus long.

Le cas échéant, on peut remédier au problème en élevant le niveau d’eau au-dessus de la pompe, en éliminant en amont tout accessoire (vanne) inutile, susceptible de générer une perte de charge, en réduisant la longueur du conduit d’aspiration ou en augmentant son diamètre.

1.1.6. Entretien / Démontage des pompes

Les pompes s’encrassent ou s’encombrent de zooglée (films et amas bactériens) et d’organismes calcificateurs (vers à panache…) qui en réduisent le débit (fig. 13). Nettoyer régulièrement la pompe (turbine, volute, rotor et son logement…), au moins 1 fois par an et plus fréquemment en présence de conditions d’utilisation sévères (eau très calcaire, utilisation d’un réacteur à bactéries ou d’apports de carbone pour ces dernières).

De rares fabricants proposent des équipements dont le corps de pompe en plastique transparent permet une observation visuelle aisée (fig. 14). Au démontage, prendre toutes précautions pour ne pas rompre l’axe quand il est en céramique, sensible aux chocs. Si l’entraînement devait être bloqué en raison d’une calcification ou d’impuretés sèches, ne pas forcer. Immerger la pompe ou l’entraînement de pompe durant 24 heures dans une solution à base de vinaigre ou quelques minutes dans de l’acide chlorhydrique très dilué (en prenant toutes les précautions qui s’imposent contre les brûlures). Contrôler la partie interne du bloc-moteur, en particulier le canal de refroidissement s’il en est pourvu. Il doit être propre et sans trace d’usure. Remonter dans l’ordre inverse du démontage. Si le corps de pompe est fixé par des vis, serrer progressivement et successivement chaque vis en opposition.

1.1.7. En cas de panne

Comme pour tout risque potentiel, les dispositions à prendre, préventives ou réactives, dépendent des probabilités d’apparition de la panne (fiabilité de l’équipement et des composants), de la facilité de détection (signes avant-coureurs ou pas) et de la gravité des effets quand le problème survient. Moins critique que le brassage, la circulation d’eau reste néanmoins un élément majeur de l’aquarium. En effet, elle assure la stabilité de la température quand le système de chauffe est placé dans la cuve technique. Elle contribue aussi aux échanges gazeux en amenant l’eau oxygénée par l’écumeur. En cas de panne, les occupants ne subiront pas d’effet immédiat si on peut, dans l’attente, réguler la température interne du bac, surtout si celle environnante atteint des extrêmes. Mais tout doit revenir en ordre dans les jours qui suivent, si le brassage n’a pas failli dans le même temps. Et comme les problèmes ont la fâcheuse habitude de survenir lors de nos absences…. Merci Murphy !

Selon le contexte (système en place, volume, animaux, situation géographique, fiabilité…) l’aquariophile peut choisir sa meilleure stratégie pour gérer l’incident :

• Aucun équipement de rechange. Ce n’est pas un réel problème si on a l’assurance de pouvoir être rapidement dépanné (pompe ou pièces détachées) par un VPCiste particulièrement réactif, un magasin à proximité, le prêt d’un voisin aquariophile ou par une association… La probabilité d’apparition de la panne est diminuée si l’on a opté pour un matériel très fiable en mesure de fonctionner 24h sur 24h, 10 ans, sans faillir. Bien souvent l’aquariophile, attentif aux moindres bruits et vibrations dans son installation, sait quand la pompe est sur son déclin. Le risque est calculé, mais il ne couvre pas les pannes soudaines.
• Des accessoires critiques de rechange. Il est difficile de savoir quelle sera l’origine de la panne, elles sont si diverses. Un rotor et sa turbine de rechange permettent de prolonger la durée de vie de la pompe mais il n’est pas exclu que le problème soit électrique avec un moteur hors d’usage ou un câble sectionné.
• Doubler les pompes en fonctionnement. Le débit de deux pompes identiques en parallèle chutera environ de moitié quand l’une d’elle s’arrêtera. Le traitement partiel de l’eau laisse une bonne semaine pour la réparation. Mais deux équipements, c’est augmenter la probabilité d’apparition du problème, et peut-on faire confiance à un équipement qui, dans le même temps, s’use autant que celui qu’il est sensé suppléer ?
• Une pompe de remplacement. ce choix est d’évidence préférable au précédent, avec la probabilité de ne jamais utiliser cet équipement neuf, dans sa belle boîte.
• Un système d’alerte. L’ampleur des inconvénients en cas de panne peut justifier la mise en place d’un système détectant la la montée (et la baisse) du niveau d’eau dans la cuve technique, informant l’aquariophile, où qu’il soit, de telle sorte qu’il puisse réagir.

1.2. Le conduit du circuit d’alimentation

Les calculs de dimensionnement dans la partie 2 de cet article ont permis de valider la canalisation. Pour autant, concernant le circuit d’alimentation, le but aura peut-être été atteint "en force", pour contrer une perte de charge excessive, par exemple avec un petit diamètre. On peut considérer que le diamètre pour obtenir le débit souhaité, est cohérent si la perte de charge régulière se situe entre 50 à 100 mmCE par mètre de longueur. Une perte de charge régulière inférieure laisse supposer que le diamètre d’alimentation est trop important et qu’il sera source de problèmes annexes (poids et volume d’eau dans la canalisation).

1.3. Singularités : Coudes, jonctions, dérivations…

Du fait de la vitesse d’écoulement supérieure dans le circuit d’alimentation, un même coude engendre une perte de charge plus élevée qu’à l’évacuation. Il est d’autant plus important de réduire le nombre de singularités au strict nécessaire et de privilégier celles qui occasionnent la moindre perte de charge. Les coudes longs (courbes) sont, par exemple, préférables aux courts. En effet, une courbe 90° génère deux fois moins de pertes de charge que deux coudes 45° standards et trois fois moins qu’un coude 90° court. Un tuyau souple renforcé, formant de larges courbes, permet d’éliminer nombre de singularités, surtout quand la pompe est au sous-sol, éloignée de l’aquarium. Le Calculateur d’alimentation en eau d’aquarium permet de comparer les différents choix.

1.4 Anti retour : clapet, prise d’air

1.4.1. Anti retour par clapet anti-retour

Dans certaines conditions, on peut souhaiter éviter que l’eau dans le conduit ne retourne pas dans la cuve technique à l’arrêt de la pompe de remontée. C’est le cas des canalisations longues de gros diamètre, quand la cuve technique n’a pas le volume suffisant pour recueillir l’eau se déversant. Le clapet anti-retour, se fermant sous la simple pression de la colonne d’eau (et éventuellement d’un lestage) est une solution. Parmi les nombreux modèles disponibles en PVC, il faut s’assurer de l’absence de tout élément métallique oxydable en eau de mer (ressort, axe…). La restriction du diamètre interne de ce type d’équipement génère des pertes de charges importantes, même ouvert, qu’il faut inclure dans le calcul. Pour ce, il faut se référer aux catalogues des fabricants. La fiabilité de ces clapets ne fait pas l’unanimité du fait de leur encrassement potentiel et du risque de fuite par des particules étrangères. Assemblés par collage ou vissage, une flèche précise le sens de montage dans celui de l’écoulement, ils peuvent en principe être nettoyés sans démontage. On les positionne en sortie de pompe de remontée, pour un démontage éventuel de cette dernière. Certains modèles transparents, pour piscines, à battant (fig. 15) ou à bille, permettent une surveillance sans démontage.

Il existe des systèmes à battants horizontaux : l’eau soulève un clapet (fig. 16a), l’étanchéité est réalisée par un revêtement élastomère dont il faut vérifier l’innocuité. Dans les systèmes à bille, une boule est surélevée par l’eau (fig. 16b), ils doivent être montés verticaux. Les modèles à piston sont sans aucune partie métallique. Ils disposent d’un piston lesté et noyé dans la masse, pour revenir en place (fig. 16c). Le fonctionnement des clapets de pied (fig. 16d) est similaire au précédent mais en général placés verticaux, immergés, en amont d’une pompe aspirant, pour éviter son désamorçage.

 

1.4.2. Anti retour par prise d’air

Dans la mesure où le reflux de l’eau contenue dans le conduit n’est pas un problème mais que l’on souhaite limiter le déversement de la nappe d’eau, il est d’usage de percer en sortie un trou ou deux, d’environ 4mm, juste sous la surface de l’eau et dirigé vers cette dernière, de telle sorte que le niveau descendant, cette prise d’air désamorce le siphonage de la nappe d’eau (fig. 17c et 17d).

1.5. Sortie d’eau d’alimentation

La sortie de la canalisation est une source de perte de charges. Comme pour toute singularité, le calcul des pertes de charges doit en tenir compte. Cette sortie peut répondre à plusieurs impératifs :

• Éviter des projections d’eau : en plaçant l’orifice sous la surface de l’eau.
• Limiter le reflux de la nappe d’eau vers la cuve technique : la sortie placée au plus près de la surface selon la figure 16a est rapidement désamorcée dès que le niveau d’eau descend ; elle le sera plus encore dans la configuration de la figure 16b, avec un coude sous la surface. Si la sortie est sous la surface (fig. 16c) ou au fond de la cuve (fig. 16d), un trou d’évent, positionné sous la surface et orienté vers cette dernière, permet d’anticiper le désamorçage. Cet orifice, en général 5 à 6 mm de diamètre, ne doit pas être trop petit afin de ne pas se colmater et d’absorber l’air, ni trop grand pour limiter les éclaboussures. Il convient de vérifier régulièrement l’absence de colmatage.
• Contribuer au brassage de surface : le flux de l’eau doit contribuer à la logique de brassage imaginée par l’aquariophile. La configuration de la figure 16c est souvent utilisée pour orienter le flux de sortie, selon l’orientation des coudes, et compléter le brassage à la surface de l’eau.
• Évacuer le film gras de surface : de même que ci-dessus, l’orifice de la sortie pourvu d’un coude orientable, peut contribuer à diriger le film gras superficiel vers le déversoir de l’aquarium. La disposition et l’orientation des sorties dépendent notamment de la disposition des évacuations. Elles ne doivent pas générer de remous perturbateurs à proximité du déversoir (paragraphe Évacuation).
• Contribuer au brassage de fond : Contrairement à ci-dessus, la sortie d’eau peut contribuer à soulever et remettre en mouvement les sédiments du fond. Bien évidemment, l’évent de désamorçage est plus que jamais indispensable (fig. 16d).

2. Éléments du circuit d’évacuation

2.1. Conduit d’évacuation : profil de la canalisation

Bien évidemment, l’écoulement d’alimentation étant réalisé sous pression, le diamètre du circuit d’évacuation gravitaire est obligatoirement supérieur à celui de l’alimentation.

La figure 16 montre différents profils de canalisation, plus ou moins probables dans des installations classiques. La ligne AA, représente la ligne piézométrique des pressions relatives, la ligne BB’, celle des pressions absolues compte tenu de la pression atmosphérique (1 at = 10,33 mCE).

• Situation normale : , situation normale. L’ensemble de la canalisation est sous la ligne AA’, la pression dépasse la pression
  atmosphérique, la pente est régulière, sans point haut (fig. 18a).
• L’ensemble de la canalisation est sous la ligne AA’ mais elle présente des remontées où de l’air s’accumule perturbant l’écoulement. Cette situation peut nécessiter des évents en ces points hauts (fig. 18b).
• La canalisation descend régulièrement mais passe au-dessus de la ligne piézométrique AA’. Dans ces portions, le conduit est en dépression. En cas de fuite de l’air s’introduit et perturbe l’écoulement (fig. 18c). Cette situation est à éviter.
• Si la conduite s’élève au-dessus de la ligne horizontale qui passe par A, il n’y aura
  écoulement que si toute la conduite a été remplie d’eau. L’écoulement se produit alors par siphonage (fig. 18d).
• Si la conduite est toujours située au-dessous de l’horizontale passant par A mais dépasse BB’, l’écoulement se fait sans siphonage. Cependant, la pression est nulle
  pour la partie située au-dessus de BB’ : il y a cavitation. Les inclusions d’air
  dans ces zones en forte dépression perturbent l’écoulement. On conviendra que sauf à disposer la cuve technique en bas d’un immeuble, cette situation a peu de probabilité de se rencontrer dans nos systèmes (fig. 18e).
• Supposons que la conduite ci-dessus s’élève au-dessus de l’horizontale passant par A, il faudrait amorcer le
  siphon et l’écoulement s’engorgerait d’air de façon irrégulière.
  Si la conduite dépasse la cote B, il est impossible d’amorcer l’écoulement (fig. 18f).

2.2. Évacuation : par le fond, par le haut de la cuve

2.2.1. Évacuation par le fond

Le conduit d’évacuation peut traverser le fond de la cuve par un passe-cloison de bonne facture. Le perçage de la vitre de fond, non sollicitée en flexion, génère un minimum de contraintes supplémentaires. Le risque, autrefois avancé, de voir la cuve se vider en cas de fuite s’avère aujourd’hui très faible, voire nul, compte tenu de l’excellente fiabilité des passe-parois tels que ceux prévus pour l’aquariophilie et présentés au chapitre Passe-paroi. Le conduit, traversant la couche d’eau verticalement de haut en bas est une source de bruits de cascade. Il convient de le noyer. Très visible et exposée, il importe de l’habiller par une colonne (colonne humide) pour des questions esthétiques et pour la protéger mécaniquement. Ce principe est adopté par les fabricants d’aquariums de volumes faibles à moyens, soucieux de proposer un ensemble esthétique, compact, incluant une cuve technique au niveau inférieur et pouvant s’intégrer facilement dans la maison. Cette colonne encombrante, est parfois mise à profit pour accueillir un conduit au sec, par lequel passent les câbles électriques.

2.2.2. Évacuation par le haut

Le conduit d’évacuation peut traverser la cuve à un point haut d’une face, généralement arrière (fig. 18). Ce choix impose de percer la vitre dans des zones de plus faibles contraintes (article Aquarium en verre : conception, réalisation). Plus discret, il libère du volume dans le bac. L’évacuation est de plus faible déclivité, moins génératrice de bruits et, mieux encore, elle peut traverser immédiatement le mur arrière vers une pièce annexe ou en sous-sol pour le limiter encore plus.

L’évacuation peut se réaliser également en passant au-dessus d’une face, par un déversoir à siphon que nous évoquerons.

2.3. Prise d’eau d’évacuation : au fond, en surface

2.3.1. Prise d’eau au fond de la cuve

La prise d’eau peut être positionnée au fond de la cuve, une manière de privilégier l’élimination des sédiments de fond. Le risque étant de siphonner toute l’eau de la cuve à l’arrêt de la pompe de remontée, il est impératif de prévoir un évent sous la surface de l’eau, qui désamorcera le siphonage dès dès la descente du niveau d’eau (fig. 20b).
La prise d’eau est alors équipée d’une crépine, indispensable pour ne pas boucher l’évacuation. Une obturation partielle de la crépine augmente le risque potentiel de débordement. Elle devra être de surface conséquente, régulièrement surveillée et, de préférence, doublée d’une détection de la montée du niveau d’eau.

2.3.2. Prise d’eau en surface, réglage de niveau

Plus fréquemment les aquariophiles récifalistes positionnent la prise d’eau près de la surface, privilégiant ainsi l’évacuation des sédiments légers et du film de matières grasses.

Le principe, le plus utilisé consiste à évacuer dans un coude au-dessus duquel un manchon de tube permet d’ajuster le niveau de l’eau en amont de l’évacuation (fig. 21a). Ce niveau peut être celui d’une boite d’évacuation ou celui de l’aquarium, comme on va le voir. Cette solution impose de percer le vitrage en tenant compte de la hauteur du coude prévu. La figure 21b montre une sortie directe qui ne permet pas le réglage de niveau et qui peut aspirer de l’air sans possibilité d’en atténuer le bruit de succion. De plus, la nappe d’eau qui se déverse à l’arrêt de la pompe de relevage, peut être importante. L’évacuation de la figure 21c élimine les bruits parasites mais présente la même impossibilité de réglage du niveau. Ces observations valent aussi en présence d’une évacuation par le fond de la cuve.

 

Compte tenu du risque important d’obturation par des corps flottants (algues, éponges…) ou non flottants (escargots, bernard l’hermite…) la crépine usuelle proposée en magasin, de petite taille est proscrite. Le dispositif généralement utilisé se constitue d’une grille et d’un déversoir.

2.4. Déversoir et grille : deux principes

Parmi les diverses fonctions que peut avoir un déversoir en aquariophilie, la première est de maintenir l’eau en amont à une hauteur donnée. Ce faisant, on lui attribue d’autres fonctions secondaires :

• Régler le niveau de l’eau dans la cuve.
• Évacuer l’eau au débit de la pompe de remontée, même lors d’augmentations occasionnelles (perturbations par les pompe de brassage, variation de viscosité …).
• Évacuer le film gras superficiel.
• Assurer le bon fonctionnement dans la durée. Il s’agit ici, d’empêcher, au moyen d’une grille, l’obstruction par des corps étrangers (animaux ou végétaux) ou de minimiser ses effets.

Ces fonctions sont assurées dans un système global qui regroupe une grille (ou un peigne) et le système d’évacuation, agencés au sein d’une boite d’évacuation. La répartition des fonctions est variable selon les installations. On trouve deux principes : le peigne-déversoir multifonctions et la grille associée à un déversoir, chacun ayant alors ses fonctions propres.

2.4.1. Principe 1 : Peigne-déversoir multifonctions

Le peigne. Dans ce système, la grille de protection établit en même temps le niveau d’eau (fig. 22). Cette deuxième fonction impose ses proportions : longue et de faible hauteur, en forme de peigne. L’entrée du circuit d’évacuation, située plus en aval, n’a donc aucun effet sur le niveau d’eau de la cuve. Dans ce dispositif elle ne constitue pas le déversoir.

C’est l’installation la plus répandue. Toutes les fonctions sont dédiées au peigne. Le niveau bas des dentures (et également leur espacement) détermine le niveau haut de l’eau dans la cuve. Les dents sont donc courtes et la surface du peigne se répartit à la surface de l’eau, sur une longueur indispensable pour évacuer au débit souhaité (paragraphe Déversoir : principes et calcul). Le peigne de certaines installations occupe ainsi toute la largeur de l’aquarium.

• Avantages. Ce système est proposé en kit prêt à l’emploi dans le commerce tel le Déversoir simple descente OFB+++ de Neo3plus ou les Wall Overflow et Central Overflaw de Tunze ; l’élimination des corps gras est optimale.

• Inconvénients. La surface inter-dentures se répartit en longueur ce qui impose des boites d’évacuation plus difficiles à loger, notamment en présence de grands débits. Le bas des dentures, proche du niveau d’eau, limite la plage de réglage, chaque modification de la denture influe sur le niveau. Le positionnement des dentures en surface les expose aux corps étrangers (algues, corallines encroûtantes…), particulièrement aux corps flottants, ce qui peut affecter la stabilité de l’écoulement. Le réglage du niveau d’eau initial ou son ajustement après mise en eau impose un peigne réglable en hauteur, en plus d’être amovible pour son nettoyage. Que ce soit avec une glissière ou par coincement, le peigne doit retrouver sa position initiale et rester en place.

2.4.2. Principe 2 : Grille plus déversoir aux fonctions propres

Ce système est composé d’une grille et d’un déversoir, chacun ses fonctions propres (fig. 23).

La grille. Son unique fonction est de retenir les corps étrangers ; sa hauteur est importante.

Le déversoir. Le niveau d’eau est obtenu en aval par un seuil tel que l’orifice du tuyau d’évacuation.

• Avantages. La surface des inter-dentures de grille n’a aucune d’incidence sur le réglage du niveau d’eau. Cette surface rend le système quasiment insensible à une obstruction, d’autant mieux qu’elle est importante, durant toute son utilisation. Le réglage du niveau d’eau est facilement réalisé, à la hauteur souhaitée, avec un tube emmanché sur l’orifice d’évacuation (fig. 21a).
• Inconvénients. Système non commercialisé, exclusivement DIY. Le prélèvement d’eau se fait plus bas sous la surface mais l’élimination du films gras reste efficace.

2.5. Peigne, grille, grillage

L’habitude est d’utiliser des peignes (fig. 25) ou grilles (fig. 26) rigides. Un grillage en plastique (fig. 27) de maille 5 à 10 mm peut faire l’affaire, pour autant qu’on puisse la maintenir en place. Les dents des grilles ou des peignes mesurent habituellement 6 mm de large et sont espacées de 3 à 6 mm, sans que cela soit une règle. Seule la surface libre entre les dents affecte l’écoulement (paragraphe Calcul du déversoir). Il importe de prévoir une longueur de peigne suffisante pour limiter la hauteur de la nappe d’eau. La hauteur des dentures des peignes est d’environ 20 à 25 mm ; elle est bien évidemment beaucoup plus importante pour les grilles. La hauteur hors eau, d’environ 2 à 3 cm doit être dissuasive pour les bernard l’hermite escaladeurs, et plus haute encore ou pourvue d’un recouvrement en présence de poissons sauteurs.

Bien souvent en PVC ou PMMA, la grille et les peignes doivent être facilement amovibles de façon à pouvoir ajuster ultérieurement la taille des dentures, pour leur nettoyage ou leur remplacement. Le commerce propose des peignes que l’on glisse dans un support à coller sur la boite d’évacuation.

Le peigne doit-il être positionné sur son support : à l’intérieur, côté évacuation (fig. 24a), ou à l’extérieur de la boite d’évacuation (fig.24b) ? L’esthétique suggère un peigne discret placé à l’intérieur. La chute d’eau en aval devra être la plus faible possible pour limiter les bruits, ce qui peut justifier le positionnement à l’extérieur, de telle sorte que l’eau s’écoule le long de la paroi. Le peigne, lorsqu’il fait office de déversoir affectant le niveau d’eau du bac, pourra utilement être réglable en hauteur, surtout lorsque la surface de passage aura été sous dimensionnée. On pourra aussi ajuster la surface d’écoulement en limant ou en cassant quelques dents.

 

2.6. Boîte d’évacuation interne ou externe

La sécurité impose de mettre en place un peigne (ou une grille) de surface conséquente pour éviter qu’elle s’obstrue trop facilement, excluant les petites crépines classiques. Il est d’usage de le maintenir au moyen d’une boite (ou colonne humide) qui permet de plus, de masquer la tuyauterie d’évacuation.

2.6.1. La boite d’évacuation

Cette boite est en verre, en PMMA (Plexiglass), PVC ou d’autre matériaux plastiques non toxiques :

Interne . Elle trouver sa place à l’intérieur de la cuve (fig. 28, 30a et 30b). Selon la position de l’évacuation, elle peut prendre la forme d’une simple boite, proche de la surface, quand l’évacuation traverse une face verticale, en général à l’arrière de la cuve, ou d’une colonne (colonne humide) qui descend jusqu’au fond de l’aquarium quand l’évacuation traverse la vitre du fond.

Cette "boite", lorsqu’elle prend toute la largeur de la cuve, consiste en une simple séparation dans l’aquarium, équipée d’un peigne masquant la tuyauterie. Cette séparation cache parfois des pompes de brassage refoulant au travers de cette dernière.

Externe. La boite peut prendre la forme d’un balconnet, positionné à l’extérieur de la cuve (fig. 29 et 30c). Ce dispositif, souvent choisi pour améliorer l’esthétique, libère du volume interne pour le décor et les animaux.

La boîte d’évacuation peut être protégée de la lumière directe de manière à retarder la prolifération des organismes photosynthétiques (algues, corallines…) de nature à modifier les caractéristiques hydrauliques. Son nettoyage annuel permet de retirer les organismes filtreurs (éponges, vers à tubes calcaires…) qui se seront fixés, ou les sédiments déposés.

2.6.2. Emplacement de la boite d’évacuation

En présence d’un brassage avec boite à vague, il est préférable de centrer l’évacuation, là ou la variation de hauteur des vagues est la plus faible (fig. 30b).

 

Les dimensions de la boite d’évacuation dépendent en premier lieu de la surface de passage de l’eau et donc des dimensions de la grille ou du peigne, comme on l’abordera plus loin, mais aussi de ce qu’elle doit contenir. Certains y intègrent des systèmes de silencieux, des pompes, un capteur…

La grille de la boite d’évacuation ne doit pas être exposée directement au flux des pompes de brassage qui réduirait l’efficacité du système tout en perturbant les écoulements. De préférence, elle est située dans une zone faiblement brassée : dans le flux d’un courant modéré qui portera toutes les particules à évacuer, ou dans un ressac où les particules légères et notamment le film gras, peuvent se concentrer (fig. 31). La grille est alors orientée face à cette zone calme, l’aspiration des impuretés ne sera que meilleure. Mais les brassages turbulents, énergiques, surtout quand on les programme de manière aléatoire, limitent bien souvent les zones d’accumulation en surface.

2.7. Boite-déversoir à siphon

Dans l’impossibilité de percer le verre, on peut avoir recours à des déversoirs fonctionnant par siphonage. Le principe est simple : un conduit passant au-dessus la paroi de la cuve est vidé de son air au moyen du tube en A puis bouché en B (fig. 32a), le poids de l’eau descendant aspire alors l’eau issue de la cuve. Le bon fonctionnement repose sur l’absence d’air en partie supérieure du siphon, qui désamorcerait le système avec, comme effet désastreux, le vidage de la cuve technique et le débordement potentiel de l’aquarium. L’étanchéité de la prise d’air est donc primordiale. Comme toute canalisation pleine, le siphon fonctionne à son débit maximum. C’est à dire que toute augmentation du débit se traduit par une augmentation du niveau d’eau. Certains déversoirs sont pourvus d’un réglage en hauteur permettant de les ajuster plus aisément en fonction du niveau d’eau. Ce système de déversoir équipe le plus souvent des aquariums de petit à moyen volume, mais le débit maximum peut néanmoins atteindre 5000 l/h avec certains modèles du commerce (fig. 32c et 32d), comme avec l’Overflow Box OFB 5000 d’Aquamedic. Les bricoleurs pourront préférer réaliser ce type de déversoir avec des tubes PVC, quelques coudes et un Té (fig. 32e et 32f).

Quand le siphon est bien conçu, la vitesse de l’eau suffit à évacuer les potentielles bulles d’air à l’intérieur. Mais si son désamorçage est peu fréquent, le risque est bien réel quand trop d’air s’infiltre à l’intérieur. Le déversoir à siphon ne devrait s’envisager que lorsque toute autre solution s’avère impossible. Alors, il est préférable de renforcer la sécurité, par exemple : en connectant l’extrémité B du tuyau d’air à un venturi, à la sortie d’une pompe à eau placée dans la cuve technique ; en limitant le volume d’eau de la cuve technique pour qu’il ne puisse faire déborder l’aquarium ou bien en installant un capteur de niveau haut qui arrêtera la pompe de remontée.

2.8. Déversoir : principes et calcul

2.8.1. Nappe d’eau

On attribue au déversoir, le rôle d’évacuer l’eau du bac et surtout celui de régler le niveau haut de l’eau. Mais ce niveau ne s’équilibre pas exactement à la hauteur du seuil de cette surverse. Au remplissage, du fait de la viscosité de l’eau ou de la rugosité des surfaces, le déversoir s’oppose à l’écoulement de l’eau, le niveau monte au-dessus du seuil jusqu’à former une nappe. La poussée augmentant, l’eau bascule finalement et s’évacue, la hauteur de nappe reste alors constante. Le système a trouvé son équilibre hydrodynamique, jusqu’à ce que la pompe de relevage s’arrête, ou parfois jusqu’à ce qu’un évènement vienne modifier l’écoulement (obstacles, viscosité de l’eau). À ce stade, la nappe d’eau s’écoule dans la cuve technique, ainsi que le contenu de la canalisation d’évacuation. Si le second est facile à déterminer, il est intéressant d’évaluer le volume engendré par la nappe afin de le prendre en compte dans la conception de la cuve technique.

2.8.2. Calcul de la hauteur et du volume de la nappe d’eau

Plusieurs formules basées sur la loi de Bernoulli et la conservation des énergies, établissent une relation entre la hauteur de la nappe d’eau H_n en amont et au-dessus du seuil du déversoir, et le débit Q. Comme la formule de Poleni (formule 1), elles mettent en jeu la forme du déversoir (rectangulaire, triangle, largeur, épaisseur…), la vitesse d’approche Vc et un coefficient µ (mu) tel que celui proposé par la SIA (Société suisse des Ingénieurs et Architectes) qui dépend de la nature propre du déversement (noyé ou dénoyé), avec ou sans contraction latérale L1, la profondeur P en amont du seuil et quelques ratios géométriques.

Ces formules sont utilisées pour mesurer rigoureusement les débits des canaux en milieu naturel, passant dans des déversoirs correspondant à des modèles précis. S’il existe de nombreuses analogies qui permettent de les exploiter avec une relative exactitude pour nos aquariums, les résultats seront erronés quand on s’en écarte trop. Ainsi, certains aspects détaillés dans le Calculateur de déversoir d’aquarium, doivent être respectés, notamment :

• Les parois sont lisses et rectilignes.
• Le seuil est fin, de telle sorte que le déversoir soit dénoyé, c’est çà dire que le niveau aval est inférieur au seuil.
• Le déversoir est disposé dans un lieu calme sans variation importante de la vitesse.
• La formule n’est pas applicable aux systèmes Durso, lorsqu’ils régulent le niveau d’eau de la cuve.
• Nécessité d’utiliser un coefficient de sécurité pour pallier aux variations occasionnelles de l’hydrodynamique (vitesses, viscosité…)
• Le coefficient µ, habituellement autour de 0.40 s’avère plus proche de 0,50 pour nos cuves de 100 à 2000 litres.
Q : Débit (m³/s)
µ : Coefficient relatif au débit du déversoir.

L_s : Largeur du seuil déversant (m)
C_v : Coefficient de vitesse d’approche
H_n : Hauteur de nappe d’eau (m)
g : Gravité terrestre = 9.81(m/s²)

 

La figure 34 montre comment déterminer la largeur du déversoir selon le cas. Il peut parcourir tout un côté du bac (a), ou une portion de celui-ci (b). En présence de dentures (c ), la largeur L_s du seuil est alors la somme des interdentures. Lorsque l’eau se déverse dans un tube (d), elle est égale à sa circonférence.

 

A partir de la formule 1, connaissant le débit réel de remontée on peut calculer la hauteur d’eau H_n (formule 2), avec Cv = 1 en présence d’eau calme en amont du déversoir.

H_n : Hauteur de nappe d’eau [m]
Q : Débit (m3/s)
L_s : Largeur du seuil déversant (m)
g : Gravité terrestre = 9.81 (m/s2)

µ : Coefficient de débit du déversoir

 

On en déduit le volume V_n de la nappe d’eau (formule 3).

V_n : Volume de nappe d’eau [m³]
H_n : Hauteur de nappe d’eau [m]
L_c : Longueur de cuve (m)
l_c : largeur de cuve (m)
k : Coefficient de sécurité

 

Plus simplement, le Calculateur de déversoir d’aquarium proposé sur Cap récifal, permet de calculer la hauteur H_n et le volume V_n de la nappe d’eau pour des déversoirs ci-dessus.

2.9. Rejet d’évacuation

La sortie d’évacuation n’est pas sans incidence sur le fonctionnement du système de circulation et sa maintenance. En effet, c’est une source d’éclaboussures dont les concrétions salines s’accumulent dans la cuve technique. C’est également une cause importante de bruit. La sortie directe, bien évidemment est à éviter (fig. 35a). Les éclaboussures sont notablement réduites lorsque le jet est brisé contre une vitre inclinée (fig. 35b). Ceci vaut pour toutes les chutes d’eau dans la cuve technique. La sortie débouchant légèrement sous la surface réduit notablement les bruits (fig. 35c). Une boite de dégazage (fig. 35d) permet de plus de concentrer les quelques éclaboussures. Cette dernière, démontable, se nettoie facilement. On lui confie souvent un élément de filtration mécanique tel que la mousse de perlon. Elle permet également de diminuer la vitesse de sortie d’un flux trop puissant, indésirable dans la zone de décantation de la cuve technique.

 

2.10. Insonorisation du circuit d’évacuation : principes généraux

Nous avons évoqué les sources de bruit issues du circuit d’alimentation, notamment celui généré par la pompe de remontée. Les bruits produits par les écoulements d’évacuation restent pourtant les plus nombreux et plus difficile à solutionner. Les canalisations à forte déclivité génèrent des effets de chocs et d’autoaération lesquels, accentués par les raccords divers (coudes, déviations…), perturbent les écoulements, provoquant des mouvements d’air, des siphons ponctuels, des mises en charges et décharges successives… tout cela, amplifié par la résonnance de l’air à l’intérieur des tubes, transmise par le PVC rigide, se traduit par du bruit. Le niveau sonore peut prendre des proportions inacceptables, surtout quand le système dans son ensemble est dans une pièce à vivre. Différentes solutions ponctuelles ont déjà été évoquées, mais la nuisance sonore doit être réfléchie au moment même de la conception de l’installation, et abordée dans sa globalité. Une bonne occasion d’inventorier les moyens pour en atténuer les émanations et rester idéalement en dessous de 30 dB.

• Limiter la déclivité de canalisation (hauteur totale) :
  – Hauteur zéro :
  l’absence de canalisation étant le système le moins bruyant, une cuve technique contigüe à l’aquarium est la solution la moins sonore. Cette solution est malheureusement rarement applicable du fait d’autres contraintes.
  –
  Hauteur faible : une évacuation de faible hauteur impose de disposer la cuve technique dans un local annexe. On la placera au plus haut, au plus proche de la surface de l’aquarium. La traversée de la cloison se faisant au plus près et avec faible pente.
  Ceux qui ont dû placer leur cuve technique sous l’aquarium le savent : c’est la pire des situations. La totalité des nuisances sonores se situe dans l’habitation. Dès lors, tous les autres moyens devront
  être mis en œuvre pour conserver le plaisir de l’aquariophilie. Ce handicap important mérite sérieusement de tout tenter, même les solutions écartées a priori, pour déporter ailleurs la cuve technique.
• Limiter le nombre de chutes d’eau :
  La meilleure solution est "zéro chute", si on excepte la sortie de canalisation. Elle consiste à noyer le conduit dans sa quasi-totalité. Nous l’abordons ci-après.
• Limiter les déclivités locales :
  La pente doit être régulière, sans chute libre locale… peut-être le moment d’envisager un tuyau souple.
• Limiter le taux de remplissage :
  Dans l’hypothèse du choix d’une canalisation non noyée, éviter les engorgements. Dans nos installations à forte pente, un taux de remplissage de 50 à 60 % laisse une marge suffisante pour ne pas engorger ponctuellement la canalisation à 100 %.
• Limiter les raccords et les obstacles :
  Limiter le nombre de raccords. Sélectionner de préférence les courbes à grands rayons. Les tuyaux souples formant des grandes courbures sont préférables aux coudes, à condition toutefois de choisir un tube lisse à l’intérieur.
• Isoler la canalisation :
  Les tuyaux annelés en PVC souple transmettent moins les ondes sonores que les tubes en PVC rigide, de même que les tubes dits acoustiques, multicouches tels que Friaphon de Friatec AG ou SiTech de Wavin, ou ceux chargés de matières minérales à forte densité tels que Chutaphone de Nicoll. Ces tubes à coller sont cependant proposés à partir du DN 50 et ne présentent pas de garantie d’innocuité.
  Une isolation externe pourra limiter le phénomène. Les isolations calorifiques en mousse de polyéthlène, sont de piètres isolants phoniques. La laine minérale (de roche ou en fibres de verre…) s’avère plus efficace, sous forme de bandes ou de demi-coques comme Rockwool 800 et 835 (fig. 36) disponible du diamètre 15 mm à plus de 200 mm. Plus performantes encore, les plaques multicouches telles que Isolmass de Trocellen, cumulent une isolation antivibratoire et acoustique, jouant sur l’association de matières (PU) et de masses lourdes (fig. 37). Ces plaques doivent être enroulées autour des tuyaux puis fixées par du fil métallique ou des colliers de type Serflex.
• Absorber les vibrations transmises :
  Bien entendu, les actions d’insonorisation doivent être étendues aux colliers de fixation dont certains modèles sont acoustiques. Les surfaces environnantes, notamment le caisson sous-l’aquarium où se loge la cuve technique pourra être capitonné avec de la mousse alvéolaire isophonique (fig. 38).
• Piéger les bruits transmis par l’air issu de la canalisation :
  Les systèmes visant à piéger l’air sortant de l’orifice d’entrée de l’évacuation (Durso, Denisio) sont développés ci-après.

2.11. Insonoriser en noyant le circuit d’évacuation

2.11.1 Principe

Une canalisation qui fait du bruit lorsqu’elle est partiellement remplie… n’en fait plus lorsqu’elle est pleine. Il s’agit donc de noyer la canalisation en fermant partiellement une vanne placée dans le circuit d’évacuation. Le niveau d’eau en amont de l’entrée étant ajusté, la position de cette vanne dans le circuit n’a pas d’impact sur l’écoulement. Elle doit tout naturellement être positionnée en partie basse, proche de la sortie d’évacuation, de manière à limiter les bruits internes du conduit partiellement plein. La perte de charge toujours importante des vannes n’est pas un problème ici, puisque l’on souhaite une descente "en charge". L’idée est bonne, elle se confronte cependant à deux difficultés : le réglage du niveau d’eau et le risque de débordement.

2.11.2. Réglage du niveau d’eau

Il faut bien comprendre que ce principe consiste à trouver, pour une hauteur d’eau souhaitée, l’ouverture de vanne qui débitera exactement comme la pompe de remontée. Ce réglage est très sensible. La canalisation étant remplie à son maximum, toute variation, même mineure, se répercute sur le niveau d’eau en amont de l’entrée. Un vrai casse-tête quand on ne peut voir les effets immédiats, lorsque la vanne est dans une autre pièce.
Pour ces raisons, il est préférable que cette vanne ne règle pas le niveau d’eau de l’aquarium (fig. 39a). Ce dernier est assuré par un déversoir (ou un peigne-déversoir) en amont (fig. 38b). La différence de niveau offre alors une légère marge de réglage et de sécurité pour d’éventuelles fluctuations mineures, sans affecter le niveau de l’aquarium. Ce principe est donc mieux adapté aux peignes-déversoirs qu’aux grilles.

2.11.3. La vanne de réglage

La vanne choisie doit être de bonne facture, de préférence à réglage fin.

• Tous les organes de fermeture à boisseau sphérique en PVC-U ne se valent pas. Il faut distinguer les vannes des robinets. Le débit des robinets à boisseau sphérique classiques ne varie pas de manière linéaire en fonction de l’angle d’ouverture. Leurs sièges n’ont pas toujours la qualité d’usinage requise et leur sensibilité n’est pas au rendez-vous. Certains robinets cependant disposent d’un réglage de la pression du boisseau sur son siège, permetant d’en ajuster la sensibilité. Les vannes de régulation à boisseau sphérique sont plus facile à régler, elles disposent parfois d’une fermeture dont l’angle est en relation linéaire avec le débit.
• Les vannes à membrane disposent d’un réglage fin au moyen d’une vis. Elles présentent une totale innocuité quand tout le corps au contact de l’eau est en PVC-U et la membrane en PTFE. De même les vannes à siège incliné, disponibles en diamètres 10 à 50 mm, disposent d’une fermeture à vis, graduelle sur plusieurs tours. Le seul matériau en contact avec l’eau est du PVC-U. Les modèles s’assemblent par collage ou par raccord union, avec des joints en élastomère EPDM.
• Les vannes à papillon comportent parfois une manchette en caoutchouc à éviter et bien souvent, un axe en acier inoxydable AISI 420, une nuance martensitique, exempte de molybdène, dont la résistance à l’eau de mer n’est pas des meilleures.

 

2.11.4. Risque de débordement

Le conduit étant rempli à son maximum, toute augmentation même légère du débit, ou la moindre obstruction du conduit se traduit par une élévation du niveau d’eau en amont, avec le risque potentiel d’un débordement de l’aquarium. Ce système impose des dispositifs anti débordement (paragraphe Sécurités anti débordement).

Mais relativisons avec le Calculateur de déversoir d’aquarium. Soit un aquarium de 1000 litres (2,0 x 0,8 x 0,65 m) avec une évacuation DN40.  Cette canalisation serait en mesure d’absorber 6000 l/h. On ferme légèrement la vanne pour noyer le conduit et ajuster au débit souhaité de 4000 l/h. Une variation importante du débit de pompe de 20 % se traduirait par une élévation du niveau d’eau de… 4 mm. Pas de quoi déborder  !

Relativisons encore avec le Calculateur d’évacuation d’eau d’aquarium et le même aquarium de 1000 litres. La fermeture de la vanne réduit la surface passante de 33 %. Un bernard l’hermite baladeur de 15 mm de diamètre s’aventurant dans le circuit la réduit finalement à 55 %. La canalisation n’est plus en mesure d’accepter le débit gravitaire… Là, on ne rigole plus ! Mais il se trouve que la cuve technique de 200 litres contient 50 litres utiles avant que la pompe de remontée soit au sec. Cela correspond à une élévation du niveau du bac de 31 mm. Pas forcément de quoi déborder… à condition qu’un système d’osmolation ne vienne interférer sur le déroulement des évènements.

2.12. Insonoriser en piégeant les bruits issus d’un conduit partiellement plein

Les bruits, amplifiés par la caisse de résonnance que constituent les conduits en PVC-U, remontent et ressortent par l’entrée d’évacuation. Notre oreille percevant plus particulièrement ceux transmis par l’air, ces systèmes font barrière ou limitent les échanges entre l’air à l’intérieur du conduit et celui extérieur. Les solutions sont diverses, retenons les plus efficaces.

2.12.1. Le système Durso

Le système Durso (fig. 42), de son inventeur Richard Durso est largement décrit sur le site Durso Standpipes. Le principe, initialement prévu pour les évacuations par le fond de la cuve, les plus bruyantes (fig. 43a), peut être utilisé avec celles traversant la partie supérieure d’une paroi (fig. 42b), ou dans un balconnet externe (fig. 43c). L’inconvénient essentiel de ce système est l’encombrement. Quelques variantes plus compactes ont été imaginées, dont celle qui consiste à remplacer le coude par une cloche (fig. 43d). Signalons le déversoir OFB+++ de Neo3plus, très compact, qui intègre un système Durso (fig. 41).

L’air est emprisonné au sommet du coude. Un orifice est pratiqué en sortie, qu’il convient de régler au plus juste au moyen d’un robinet, pour éviter l’auto siphonage. Le niveau d’eau en amont étant conditionné par la hauteur du dispositif, son réglage consiste à ajuster la longueur du tube dans lequel il s’emmanche (à prévoir dans le cas d’une sortie haute)..

2.12.2. Le silencieux Denisio

Le principe consiste, comme pour le système Durso, à piéger les bruits transmis par l’air. On bouche partiellement l’entrée du conduit vertical avec un tube introduit en son centre, jusqu’à ne laisser passer que de l’eau entre ce tube et le conduit. L’air est ensuite piégé dans le tube semi fermé, rendu insonore et seulement percé d’un évent ajusté à l’aspiration générée par la chute d’eau. Le tube est maintenu à la bonne hauteur par un support tripode centré, de telle sorte que l’eau s’écoule librement (fig. 44).

Le système est de réalisation rapide, très compact et adaptable à tous diamètres. Positionné en haut de l’aquarium, accessible et visible, on peut simplement en vérifier le bon fonctionnement. Il faut toutefois le protéger d’un éclairage trop direct qui accentuerait la prolifération des organismes photosynthétiques. Rapidement ôté et remis en place, sa maintenance annuelle est facilitée. Sa mise en œuvre est détaillée dans article publié sur Cap récifal Évacuation d’eau en silence avec un topique associé Évacuation silencieuse ou il a fait l’objet de propositions d’amélioration (fig. 45).

 

3. Sécurités anti débordement

Selon le dimensionnement, les dispositifs adoptés (évacuation noyée) et, il faut l’avouer, le degré d’anxiété de l’aquariophile, il sera nécessaire de mettre en place une (ou plusieurs dans le dernier cas) sécurité anti-débordement.

3.1. Doublement de la canalisation d’évacuation

C’est souvent la solution adoptée lorsque l’on noie l’évacuation. La section de cette seconde canalisation doit permettre de passer le débit de la première partiellement obstruée par la vanne. Pour reprendre l’exemple de l’aquarium de 1000 litres et DN40, le débit gravitaire de 4000 l/h est obtenu avec un diamètre de 27,1 mm. Un tube PVC DN32 PN10 de diamètre intérieur 28,4 mm convient.

3.2. Capteur de niveau

il s’agit de détecter une montée du niveau d’eau de l’aquarium. L’élévation y sera lente et peut ne pas être décelée, selon la sensibilité du capteur. On aura avantage à le positionner près de la pompe de remontée, dans le compartiment à niveau variable de la cuve technique pour détecter une baisse drastique de son niveau. Bien entendu, ce capteur coupera l’alimentation électrique de la pompe.

Le commerce propose plusieurs systèmes d’alerte avec des capteurs à flotteurs à détection magnétique ou des cellules optiques, tels que le Water Level Alarm de Tunze l’Aquaniveau d’Aquamédic ou le Digiosmo+++ de Neo3Plus (fig. 46). Ces équipements, parfois exploités pour l’osmolation, sont en général équipés d’une prise commandée où brancher la pompe de relevage. Organe de sécurité, le capteur ne devra pas se satisfaire d’une simple ventouse pour sa fixation, mais d’un support fiable digne de sa fonction : un support rigide à serrage mécanique empêchant tout déplacement. À flotteur ou optique, le capteur doit être protégé du passage d’animaux (crustacés, coquillages…) et des algues. À cet effet, il pourra être placé dans un boitier de protection.

4. Tuyauterie, raccords et accessoires


4.1. Matériaux

4.1.1. PVC rigide, PVC souple

Constituants des produits en PVC

Le polychlorure de vinyle (PVC), qui constitue la majorité de nos canalisations mérite que l’on s’attarde quelque peu sur lui. Il est essentiellement composé de chlore (57 % en poids) et d’éthylène (43 %), un hydrocarbure composé de carbone et d’hydrogène. On distingue le PVC souple, plastifié, du PVC rigide non plastifié, utilisé pour l’évacuation ou l’adduction d’eau (PVC-U). Le PVC est un thermoplastique : les tubes et tuyaux sont formés par extrusion du compound ramolli entre 180 et 200 °C, au travers d’une filière. Sa mise en œuvre et l’obtention de caractéristiques propres nécessitent de 10 à 25 % d’additifs. Les produits en PVC peuvent ainsi contenir :

• Des stabilisants 8 % : carbonates, sulfates, silicates, phosphates de métaux tels que le plomb ; stéarate et phtalate de plomb, stéarate de calcium, palmitate de zinc, thioglycolate d’étain… ; composés organiques époxydes, phosphites….
• Des plastifiants (jusqu’à 60% en poids pour les PVC souples) : principalement des phtalates organiques (toxiques) et des adipates agréés pour l’usage alimentaire.
• Des lubrifiants internes nécessaires à la mise en oeuvre.
• Des charges diluantes ou renforcantes pour obtenir des caractéristiques spécifiques (maintien des dimensions, retradateurs de flammes…) : carbonate de calcium, talc, kaolins, sulfate de baryum, oxydes métalliques, silice…
• Des pigments et colorants (de 1 à 5%) organiques ou minéraux : oxydes de titane, de fer, de chrome, de cadmium… des organométalliques < 0,01 % de cadmium.
• Des agents antibactériens, antifongiques, antialgues : notamment dans les PVC souples, les circuits d’évacuation d’eau…

La nature et la composition du PVC-U pour adduction d’eau le rendent insensible à l’eau de mer comme à l’environnement marin.

Innocuité du PVC rigide de type « évacuation »

Avec un tel éventail de composants, dont des stabilisants dérivés du plomb, on peut légitimement s’interroger sur son innocuité et plus particulièrement sur le risque, pour les animaux, de libérer des produits toxiques dont certains sont indétectables par les analyses ICP.

Ce type de PVC rigide a été largement utilisé dans des installations aquariophiles. Pour autant, en l’absence de garanties sur sa composition, il peut potentiellement relarguer lentement et longtemps des composants non reef-safe. On peut raisonnablement l’inclure parmi les causes potentielles de dégénération des animaux, notamment des invertébrés les plus fragiles tels que les coraux. A l’heure où l’on mesure de manière précise la composition de l’eau d’aquarium afin d’en limiter les éléments toxiques, Il est raisonnable de le délaisser dans les installations marines, au profit du PVC-U.

Innocuité du PVC-U

le PVC-U destiné à l’adduction d’eau potable est conforme aux exigences relatives aux matériaux et objets qui entrent en contact avec l’eau destinée à la consommation humaine. C’est à dire qu’ils ne présentent pas un danger pour la santé humaine et n’entrainent pas d’altération de la composition de l’eau.

Pour ce, certaines dispositions sont réunies :

• La proportion de plomb pouvant migrer vers la surface de la tuyauterie est extrêmement faible et conforme aux exigences alimentaires et pharmaceutiques. Pour des exigences encore plus sévères, il existe des PVC stabilisés à l’étain, malheureusement introuvables dans la grande distribution.
• Le PVC-U est un macro polymère, c’est à dire que ses molécules sont de grande longueur et ces dernières ne facilitent pas la migration des composants vers la surface. Par ailleurs, ils répondent tous à des "listes positives" et les produits manufacturés sont homologués, de ce fait ils font l’objet de tests, notamment des tests de migration dans des produits référents comme l’eau.
• La règlementation sanitaire du pays : elle diffère selon le pays européen, ainsi les sels de plomb ne sont pas autorisés comme stabilisants en France et en Belgique contrairement aux autres pays européens.
• Les tuyaux en PVC-U présentent des parois intérieures très lisses, limitant la prolifération de bactéries. Ceci étant, nous savons bien que leurs surfaces sont parfois recouvertes de mulm bactérien, mais ces souches sont issues de l’aquarium.

Innocuité du PVC souple

Le principal plastifiant utilisé pour le PVC, le DEHP (ou di(2-éthylhexyl)phtalate) présente des risques cancérogènes et des effets pseudo-ostrogéniques chez les rongeurs. Il parait bien établi que ce risque n’est pas transposable à l’homme, mais quid des invertébrés ? D’autres phtalates parfois utilisés, peuvent présenter un effet œstrogène (encore imprécis) avec des effets indésirables notamment au niveau de la reproduction. On le comprend, le PVC souple ne parait pas le plus approprié pour un contact prolongé en présence d’animaux fragiles comme la plupart des invertébrés marins.

Environnement

Les matériaux en PVC contiennent 50% de matériaux non biodégradables mais leur caractère thermoplastique les rend recyclables à 100% et indéfiniment. Les transformateurs de PVC recyclent jusqu’à 98 % de leur production. Il en est autrement pour les autres déchets, ceux en PVC représentant 1% du poids des matières plastiques évaluées à 11% de l’ensemble des déchets ménagers. Ce qui reste une quantité énorme. L’essentiel part en décharge ou est incinéré. L’incinération des déchets, bien qu’améliorée, présente encore des problèmes liés au dégagement d’acide chlorhydrique et à la présence de métaux lourds et de dioxines, évalués de 2 à 4 fois moins que la combustion du bois en foyer ouvert.

4.1.2. Polyéthylène, polypropylène

Les matériaux polyéthylène (PE), polypropylène (PP) répondent toujours aux exigences alimentaires du fait de leur niveau de pureté élevé. En effet, ils sont hautement incompatibles, même à faible dose, avec de nombreux composants. Cependant, leur collage est difficile et peu intégrables dans un système majoritairement en PVC.

4.2. Tubes, tuyaux et raccords

4.2.1. Tubes et raccords en PVC-U

La norme NF055 régit les tubes et raccords en PVC non plastifiés rigides ; elle regroupe les produits selon le secteur d’utilisation :

• Groupe 1 – Évacuation (évacuation des eaux vannes ou usées) ; bien que les tubes Évacuation sont largement utilisés en aquariophilie (eau douce, poissons seuls…), ils ne présentent pas de garantie quant à leur composition. Seule la faible migration des composants potentiellement toxiques, rend leur usage acceptable dans ces situations. Ils ne peuvent être conseillées en aquariophilie récifale, en présence d’invertébrés.
• Groupe 2 – Pression (systèmes d’alimentation en eau jusqu’à 25°C) ; les normes imposées, notamment en France et en Belgique, les destinent aux systèmes hébergeant des animaux fragiles, des alevins ou les invertébrés des aquariums récifaux.
• Groupe 3 – Irrigation (pour les réseaux enterrés) ; inadapté à l’aquariophilie du fait des composants.
• Groupe 4 – Pression Orienté Biaxial (transport d’eau sous pression) ; inadaptés du fait de l’offre limitée en diamètres et accessoires.
• Groupe 5 – Évacuation Siphoïde (évacuation des eaux vannes ou usées à basse et haute température) : inadaptés.

Nous n’évoquerons ici, que les tubes et les raccords du groupe 2 (PVC-U Pression), les plus compatibles avec l’aquariophilie récifale. Quand ils sont certifiés NF, ils sont tenus de respecter la norme NF EN 1452-1, la norme NF EN 1452-2 pour les tubes et la norme NF EN 1452-3 pour les raccords. Les tubes sont identifiés par le logo NF et la marque P d’appartenance au groupe Pression. Leur fonction les destinant au transport d’eau potable, de facto, les produits du groupe 2 font l’objet d’une attestation de conformité sanitaire (ACS). Les listes positives sanitaires de France et de Belgique excluent la présence de dérivés du cadmium ou du plomb. Des organismes indépendants réalisent le contrôle des produits, les tests en laboratoire et les audits qualité chez les fabricants. Si on trouve facilement des tubes PVC-U Pression, les fabricants qui s’engagent sur la composition en apposant la marque NF sur le produit, sont plus rares. Les raccords (coudes, Té…) et les accessoires (vannes à boisseau sphérique…) ne sont soumis au marquage NF/P qu’au-delà du diamètre 50 mm.

 

Les catalogues proposent des tubes qui s’assemblent par collage ou par emmanchement avec joint élastomère. Le circuit de circulation d’eau de l’aquarium sera réalisé avec des tubes collés. Les raccords sont proposés soit collés, soit vissés avec joint en élastomère. On préfèrera les premiers et on limitera les second pour quelques démontages (maintenance de la pompe externe, nettoyage d’un tube long…).

Les tubes en PVC-U Pression sont proposés en plusieurs dimensions (tableau 2), selon la pression nominale (PN) d’utilisation, exprimée en bar. Il existe des modèles pour PN10, PN16 et PN25. Nos installations sous faible pression se satisfont des PN 10 ou 16. Ces raccords sont prévus pour un usage sous pression jusqu’à 25°C, et sans pression jusqu’à 45 °C. L’usage montre qu’ils supportent les températures jusqu’aux plus extrêmes de nos aquariums tropicaux.

Les dimensions les plus courantes sont notées en caractères gras.

Dia. ext. (mm)	DN 16	DN 20	DN 25	DN 32	DN 40	DN 50	DN 63	DN 75	DN 90	DN 110	DN 125
PN 20	1,5	1,9	2,3	–	–	–	–	–	–	–	–
PN 16	–	1.5	1.9	2,4	3,0	3,7	4,7	5,6	6,7	6,6	7,4
PN 10	–	–	–	1,6	1,9	2,4	3,0	6,6	4,3	4,2	4,8

 

Les raccords sont variés (fig. 48) : courbes, coudes, Té, manchons, réduction, M (mâle), F femelle)… On privilégiera chaque fois que possible, s’ils existent, les courbes (longues) plutôt que les coudes (courts). Selon le cas, on utilise les modèles à coller, à visser/coller (raccords de pompe, liaisons démontables). Les raccords démontables sont en principe pourvus de joints en élastomère EPDM compatible avec l’eau de mer.

 

4.2.2. Tuyaux souples annelés

Les raccords rigides occasionnent des pertes de charges freinant l’écoulement et génèrent du bruit que l’on peut souhaiter atténuer par des tuyaux souples à grandes courbes. A cet effet, il existe des tuyaux souples, renforcés par une âme interne textile ou rigide. Les références en caoutchouc ou dont la surface interne est en caoutchouc, sont déconseillées compte tenu du risque important de libérer dans l’eau des composants toxiques ; les modèles en polyuréthane sont plutôt réservés à l’aspiration. On leur préfèrera les tuyaux en PVC, transparents ou colorés, renforcés par un serpentin en PVC rigide. Utilisables de -10 °C à 60°C et disponibles en diamètre de 20 à plus de 10 mm, ils supportent des pressions de 3 à 4 bar pour les plus petits diamètres, compatibles avec nos besoins.

Ces tuyaux s’emmanchent et se collent facilement avec une colle PVC, de préférence pour eau potable. En usage sous pression, il est préférable d’assurer leur maintien par un collier métallique inoxydable ou cranté, en plastique (fig. 49). On leur reproche parfois la fissuration au niveau de la connexion, après quelques mois d’utilisation, notamment s’ils ont été emmanchés en force sur un diamètre trop important. Il convient de vérifier annuellement le bon état des jonctions.

Malgré la présence du renfort rigide certains modèles conservent une surface interne lisse (fig. 50a), idéale. D’autres, présentent des irrégularités acceptables (fig. 50b). Il faudra éviter ceux dont la surface ondule fortement (fig. 50c). Le calcul permetra de vérifier si l’augmentation de la rugosité de ce matériau souple, compense l’absence de raccords.

 

4.3. Passe-paroi

Le passe-paroi permet d’assurer l’étanchéité entre le vitrage de la cuve et la canalisation. Qu’elle traverse une face ou le fond de l’aquarium, il se doit d’être absolument fiable. Les joints Uniseal en élastomère n’assureront pas l’étanchéité dans la durée. Les passe-parois en PVC de type Van De Lande B.V préconisés (fig. 51) ont fait leur preuve en aquariophilie. Ils permettent une certaine liberté de mouvement en translation et rotation de la canalisation par rapport à la paroi, aussi l’étanchéité est assurée à deux niveaux. Un joint tronconique en pastique assure l’étanchéité entre le tube et le passe-paroi. Un joint plat en élastomère EPDM assure l’étanchéité au niveau de la vitre. La rondelle en plastique (blanc dans les illustrations ci-dessous), semi-rigide, assure le bon appui de l’écrou. Son faible coefficient de frottement facilite le serrage en rotation. Cette dernière n’assure aucune étanchéité. L’article Aquarium en verre : conception, réalisation précise les conditions de perçage de la vitre pour de tels passe-parois.

Assemblage du passe-paroi : Pour obtenir l’étanchéité, le joint en caoutchouc et la bague plastique doivent être positionnés à leurs emplacements corrects. La figure 52a présente la configuration recommandée, le joint en caoutchouc étant placé à l’intérieur de l’aquarium. Le montage représenté par la figure 52b, assure l’étanchéité mais le passe-cloison est bien moins accessible, à l’intérieur de l’aquarium. Les montages des figures 52c et 52d sont interdits, ils n’empêchent pas l’eau de s’infiltrer au niveau du diamètre intérieur du joint caoutchouc ou par le filetage.

 

5. Assemblage des canalisations

Préassemblage, test

Les tubes étant coupés à la longueur prévue, il est parfois utile de tester la canalisation en place. On évitera les déformations à froid, tout cintrage à chaud étant proscrit par les professionnels, à proximité des raccords. Les tubes et raccords sont alors préassemblés, avec une pente toujours supérieure à 2 cm/m. On peut procéder à un test en eau sans pression si les raccords sont provisoirement emmanchés en force, l’étanchéité étant assurée par un ruban téflon. C’est l’occasion de repérer les jonctions (profondeur d’emboitement et orientation) d’un trait de crayon gras ou au stylo feutre. Prévoir des raccords vissés là ou les démontages sont nécessaires (pompes, vannes, coude d’évacuation…) pour la maintenance.

Fixation

Les tubes rigides sont fixés aux supports, par des colliers en acier inoxydable ou plastique, si besoin pourvus d’un isolant phonique en élastomère EPDM ou silicone (fig. 53). Un bricoleur pourra utiliser une languette de chambre à air en élastomère butyl dont les caractéristiques de résistance au milieu marin et d’amortissement sont excellentes. Les colliers sont disposés environ tous les 50 cm, à 10  cm des raccords. Laisser 2 cm de passage autour du tube lorsqu’il traverse une cloison.

Les tuyaux souples PVC se collent également à la colle PVC. Thermoplastiques, ils se déforment lorsqu’ils sont emmanchés et se fendent si le diamètre est trop important. On peut les fixer par des colliers larges, à vis en inox ou en nylon. Le serrage sera juste suffisant pour ne pas amorcer une coupure du tuyau PVC, très déformable.

Colle et collage

Les tubes PVC-U sont assemblés par collage avec de la colle PVC. La colle fluide est choisie pour des ajustements serrés avec interstice inférieur à 0,3 mm, la présentation en gel permet de résorber des espaces de 0,3 à 0,8 mm. Pour les petits diamètres utilisés en aquariophilie, la présentation en tube peut être utilisée, tout autant que celle en pot. La colle n’a pas grand contact avec l’eau récifale mais on peut sélectionner une colle prévue pour l’eau potable, sans Tetrahydrofurane (fig. 54). Les désignations des colles destinées aux eaux potables est parfois la même que celles qui ne le sont pas, seules la mention « eau potable » et la couleur du récipient permettent de les distinguer. Le collage doit se dérouler dans un local tempéré, sans humidité excessive selon un protocole conseillé par les professionnels :

• Préparation : avant collage du tube PVC, couper, meuler ou scier perpendiculairement l’extrémité du tube ; la chanfreiner légèrement et l’ébavurer.
• Simulation : emboiter les deux parties en position (enfoncement mini. 70 % du diamètre et orientation) ; une fois en place, repérer la position de chaque jonction, la profondeur d’emboitement et éventuellement l’orientation du raccord par un trait au stylo feutre sur les deux parties ; désassembler.
• Nettoyage : nettoyer les deux surface à assembler avec un papier absorbant imprégné de préférence d’un agent décapant (Tangit Décapant) ou de solvant non gras (acétone), puis sécher au papier absorbant. Une colle qui devient blanchâtre révèle un conduit humide et un collage à refaire.
• Application de la colle : agiter ou mélanger la colle en pot ; appliquer au pinceau une couche de colle uniforme dans le sens de la longueur : d’abord une fine couche dans le manchon, pour éviter la formation de sillons puis une couche plus épaisse à l’extrémité du tube.
• Assemblage : emboiter les éléments sans tourner pour éviter la rupture du film de colle, durant le temps ouvert indiqué sur le conditionnement (max. 2 à 4 mn à 20 °C), en faisant coïncider les deux repères préalablement tracés, puis maintenir pendant 30 secondes. Reboucher le pot après chaque usage.
• Finition : enlever immédiatement la colle excédentaire avec un papier absorbant tout en lissant le joint sur son pourtour.
• Utilisation : laisser reposer l’assemblage 5 minutes minimum ; laisser sécher 24h pour une utilisation sous pression puis rincer.

Entretien du circuit

La maintenance de la pompe a été abordée. La canalisation mérite autant d’attentions. En effet, au fil des mois un mulm bactérien et des éponges s’installent à l’intérieur des conduits, les vers tubicoles calcaires filtreurs squattent les entrées, les corallines s’étendent sur les crépines et la grille du déversoir… autant d’entraves à l’écoulement. C’est à ce stade que l’on ne regrettera pas les raccords union placés judicieusement, facilitant le démontage de la canalisation.

Le nettoyage des tubes et tuyaux peut être effectué à l’aide d’une brosse goupillon ou un écouvillon métallique (diamètres de 20 à 300 mm) monté sur un flexible (fig. 55).
Les accessoires démontables (grilles, crépines, capteurs…) sont trempés dans du vinaigre ou dans une solution diluée d’acide chlorhydrique, avec toutes les précautions et protections nécessaires (on verse toujours un acide dans l’eau et non l’inverse).

 

Ce chapitre clos l’article en 3 parties consacré à la circulation de l’eau dans l’aquarium. En espérant que les notions abordées relatives à l’écoulement soient plus limpides dans les esprits turbulents des aquariophiles et que les installations tirent profit des exemples proposés.

En savoir plus

• E. Gaucheron. Cahier technique n° 207 : Les moteurs électriques… pour mieux les piloter et les protéger. Schneider electric.
• Saint Gobain PAM canalisation. Formulaire. 1989.
• Le PVC en question. Groupe de Travail PVC c/o CES. Paris, janvier 1998.
• Les canalisations en PVC pour l’adduction d’eau potable. Syndicat des tubes et raccords en PVC. Avril 2014.
• Brochure technique Aliaxis. Vannes manuelles en PVC-U.

 

Tous mes remerciements à Jean-Pierre DUMAS, Christian SEITZ et Olivier WIDAR pour leur expertise et leur soutien.

Article publié sur Cap récifal le 17 février 2017

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La première partie de cet article a permis d’acquérir la mallette du bon petit physicien. Super ! Mais l’aquariophile doit répondre à des questions bien plus concrètes. Le diamètre choisi sera-t-il suffisant ? Les coudes et vannes réduiront-ils dangereusement le débit ? Le tuyau sera-t-il plein et quelle marge restera-t-il ? Existe-t-il des risques d’engorgements ? Cette seconde partie répond à toutes ces questions avec, en prime, des calculateurs bien utiles !

1 : Données de calcul – 2 : Dimensionnement – 3 : Réalisation

 

Le dimensionnement de la canalisation est le processus de calcul permettant, à partir des données imposées et choisies, de déterminer les caractéristiques de l’écoulement, de manière à valider ces données ou de les reconsidérer. Il s’agit de répondre à des questions précises :

• Quel diamètre dois-je adopter pour évacuer le débit prévu, compte tenu du circuit envisagé (matériau, diamètre, longueur, hauteur et accessoires) ?
• Quel sera alors le taux de remplissage du conduit ; sera-t-il plein ou aéré au débit maximum ?
• Serai-je confronté à des phénomènes perturbants ?

 

Il nous faut maintenant endosser la tenue du petit hydraulicien pour avancer dans le processus de dimensionnement rappelé ici (fig. 2).




 

1. Taux de remplissage et diamètre hydraulique d’une canalisation

Un écoulement à surface libre qui occupe partiellement la canalisation se définit par son taux de remplissage. Le diamètre intérieur du conduit n’étant plus la référence, c’est le taux de remplissage qui définit la section réelle de l’écoulement et qui permet de procéder aux calculs. De plus, des évènements plus ou moins prévisibles, peuvent générer un engorgement de la canalisation d’évacuation. La sécurité impose donc de calculer la section d’une canalisation qui soit en mesure d’absorber une augmentation momentanée du débit tout en conservant, autant que possible, le régime d’écoulement. Le taux de remplissage permet alors d’évaluer la criticité de ces évènements.

1.1 Taux de remplissage

En hydraulique, le taux de remplissage T_r d’un conduit ne s’exprime pas, comme on pourrait l’imaginer, en fonction de la proportion de la section immergée. Les hydrauliciens définissent ce taux comme le rapport de la hauteur de remplissage h au diamètre intérieur D_i du conduit. La figure 2 représente cette hauteur dans une canalisation circulaire.

T_r : Taux de remplissage par le liquide [%]
h: Hauteur du liquide [m]
D_i : Diamètre intérieur [m]

 

Dans la pratique, les circuits des évacuations naturelles gravitaires sont calculés de telle sorte que le taux de remplissage soit, selon leur fonction, de 50 % à 85 % maximum, de manière à assurer le transport des particules, tout en se réservant une marge pour éviter les engorgements et le siphonage dans les conduites inclinées. Certains aquariophiles choisissent délibérément de noyer la canalisation de descente gravitaire, le taux de remplissage est alors de 100 %.

Taux de remplissage… théorique !

Mais, direz-vous, comment calculer le taux de remplissage T_r quand on ne connait pas la hauteur h ? Bonne question, car c’est bien la situation la plus fréquente quand il n’est pas imposé. Dans ce cas, on débute un premier calcul avec un taux théorique et puis on vérifie que le débit obtenu est celui souhaité. Dans la négative, on recommence avec une valeur plus approchante et ainsi de suite. C’est l’itération C de la figure 1.

Rayon et rayon

Prudence ! Il ne faut jamais assimiler le rayon hydraulique R_h au rayon géométrique R_i. R_h est toujours différent de R_i, même si la canalisation est pleine. En effet :

– Le rayon d’une canalisation circulaire vaut bien la moitié de son diamètre (R_i = D_i/2), mais son rayon hydraulique vaut le quart du diamètre hydraulique (R_h = D_h/4).
–
Dans un conduit en charge, la hauteur h est égale au diamètre du conduit Di. Dans ce cas, D_h = D_i mais R_h  = R_i /2.

1.2. Diamètre hydraulique, rayon hydraulique

Le débit d’un liquide dans une canalisation pleine dépend de sa section (ou du diamètre) et de la vitesse moyenne du fluide, laquelle est en relation avec la surface de frottement, autrement dit son périmètre mouillé P_m. Mais, comment calculer un débit avec les dimensions de cette même canalisation quand elle est incomplètement remplie ? Les hydrauliciens raisonnent à partir d’une section circulaire théorique, quelle que soit d’ailleurs la forme géométrique du conduit, qui engendrerait la même perte de pression linéique pour une même vitesse. Le diamètre de ce cercle est appelé diamètre hydraulique D_h. Par définition, le rayon hydraulique R_h. est le rapport entre la surface mouillée Sm et le périmètre mouillé P_m. Le taux de remplissage est pris en compte avec l’angle θ (thêta), exprimé en radian, formé par la hauteur h. La figure 3 précise toutes les formules nécessaires. Les calculs hydrauliques des écoulements à surface libre utilisent le rayon hydraulique et non le rayon géométrique du conduit.

 

Le rayon hydraulique représente en quelque sorte, l’ampleur des frottements superficiels : plus le rayon hydraulique augmente, plus la section s’écoulant augmente par rapport à la surface frottante des parois. De ce fait, la perte de charge est d’autant plus faible que le rayon hydraulique est grand. On peut alors comprendre cette notion parfois difficile à assimiler :

• Dans l’écoulement libre d’un conduit circulaire, à débit constant la vitesse augmente avec le diamètre.
• Dans l’écoulement en charge d’un conduit circulaire, à débit constant la vitesse diminue avec le diamètre.

2. Vitesse d’écoulement

Nous avons vu que les vitesses se répartissent irrégulièrement dans la section du conduit. Elles sont faibles au plus près de la surface de la canalisation et même nulles au contact, du fait des frottements dus aux aspérités superficielles. Dans cette zone, la couche limite (fig. 3 et 4), les vitesses atteignent des valeurs propices aux sédimentations. C’est pour cette raison qu’en hydraulique urbaine, on préconise des vitesses supérieures à 0,7 m/s.

Dans la pratique, pour procéder aux calculs, on considère la vitesse moyenne V (formule 2).

V = Q_v / S
V : Vitesse moyenne dans la section [m.s^-1]
Q_v : Débit volumique [m³.s^-1]
S : Surface de la section [m²]

 

En aquariophilie

La vitesse minimum limite de sédimentation est normalement dépassée dans les circuits d’un aquarium en PVC rigide dont la rugosité est très faible, à condition que le diamètre ne soit pas trop important dans des zones à faible déclivité. Mais les vitesses sont propices au développement de nombreux organismes, des bactéries aux vers filtreurs, qui s’y développent, augmentant ainsi la perte de charge. L’aquariophile ne peut échapper à la corvée du nettoyage annuel des canalisations.

 

Vitesse… théorique !

De même que pour le taux de remplissage d’un écoulement à surface libre, comment calculer la vitesse V si la section mouillée est inconnue ? Dans cette situation, on utilise le taux de remplissage théorique ci-dessus pour calculer une vitesse théorique qui donne un certain débit. Puis on recommence le calcul avec un autre taux, donc une autre vitesse, jusqu’à ce que le débit calculé soit identique au débit souhaité. C’est toujours l’itération C de la figure 1.

3. Régimes d’écoulements : laminaire, turbulent, permanent, transitoire

3.1. Régime d’écoulement permanent

Un régime d’écoulement est dit permanent (ou stationnaire) si ses caractéristiques physiques (pression, température, vitesse, masse volumique…) sont indépendantes du temps. La vitesse locale est indépendante du temps, elle peut être variable entre deux zones du fait de la géométrie. Les calculs d’un système d’écoulement sont effectués en supposant le régime permanent. Il doit donc être conçu pour tendre vers cet état, ce qui n’est pas toujours facile comme on va le voir.

Un régime d’écoulement permanent, peut se structurer sous deux états : laminaire ou turbulent.

Laminaire (fig 4) : Un écoulement est dit laminaire lorsque la vitesse des particules est faible et que les lignes de courant sont régulières, parallèles aux parois du contenant. Le profil de vitesse se répartit de manière hyperbolique dans la section du conduit. Dans cette configuration, les forces visqueuses de cisaillement sont supérieures aux forces de frottement. Les calculs de conservation de l’énergie peuvent être traités par le théorème de Bernouilli adapté à l’étude de tels écoulements.

Turbulent (fig. 5) : un écoulement est turbulent lorsque les directions des particules se déplacent en tourbillons, dont la taille, la localisation et l’orientation varient constamment, de manière désordonnée. Ils apparaissent lorsque la vitesse est importante par rapport aux forces de viscosité. Les écoulements turbulents restent difficilement prévisibles du fait de leurs variations de lieu et de temps et beaucoup plus difficiles à traiter par le calcul, mais la dissipation des énergies génère finalement un profil des vitesses plutôt régulier. Dans cette configuration, la vitesse décroit de manière brutale au plus près des parois.

En aquariophilie

Les écoulements d’un aquarium sont rarement laminaires. On les obtient en amont du déversoir et parfois dans des grosses canalisations rectilignes, à faible déclivité et partiellement remplies.
Dans le circuit de remontée d’eau vers l’aquarium, dont les diamètres sont étroits, et dans les circuits d’évacuation souvent fortement inclinés, où les vitesses sont importantes, le régime d’écoulement est exclusivement turbulent.

 

3.2. Régime d’écoulement transitoire

Un régime d’écoulement est dit transitoire quand il n’a pas encore atteint un état stable, permanent. Un régime transitoire peut apparaître lors d’une modification d’un système, quand l’eau passe par des stades de pressions et de dépressions engendrant des phénomènes d’instabilités. Si les écoulements permanents sont pris en compte dans des formules établies, il en est autrement pour les régimes transitoires. La part d’incertitude est prise en compte, le cas échéant, par des coefficients de sécurité.

En aquariophilie

Des transitions d’écoulement, plus ou moins temporaires, peuvent être dues à l’obturation partielle d’une conduite, à l’évolution de tensions interfaciales, aux fluctuations occasionnées par le brassage… Le circuit de descente d’un aquarium est constitué de coudes, de tronçons courbes et rectilignes plus ou moins inclinés, parfois verticaux, de l’air se mêlant à l’eau, tout cela génére des phases transitoires. Le système d’écoulement de l’aquarium doit être conçu pour éviter ces situations ou au moins limiter leurs impacts.
Les logiciels de simulation ne savent pas considérer les phénomènes transitoires, on imagine donc la difficulté à prévoir les débits dans une descente gravitaire d’aquarium.

3.3. Modèles d’écoulements

La figure 6 présente différents régimes d’écoulement : un écoulement à surface libre à régime permanent laminaire (a) des écoulements en charge dans différents régimes transitoires (b à h) et un écoulement en régime permanent, turbulent (i).

 

3.4. Identifier le régime d’écoulement : Reynolds

Pour une section de canalisation, lorsque la vitesse d’un fluide d’une certaine viscosité augmente, son régime passe successivement d’un stade laminaire, puis atteint un seuil critique de transition pour se stabiliser dans un régime turbulent. Les calculs étant différents selon les régimes d’écoulement, il est impératif d’en connaitre la nature dans la configuration présente. Osborne Reynolds a défini une formule mettant en jeu ces paramètres, qui représente le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses. La formule 3 est celle admise pour les conduits cylindriques.

Re : Nombre de Reynolds [-]
V : Vitesse moyenne dans la section [m.s^-1]
D_h : Diamètre hydraulique du conduit [m]
ν = Viscosité cinématique [m².s^-1]

 

Le nombre de Reynolds définit le régime d’écoulement pour des conduites en charge ; ces limites restent cependant approximatives :

• Re ≤ 2000 : régime laminaire (valeur admise pour les parois lisses) ;
• 2000 < Re < 3000 : régime transitoire ;
• Re ≥ 3000 : Régime turbulent.

4. Pertes de charges

Nous avons vu qu’il existe des freins au bon écoulement de l’eau, à l’origine de chutes de pression autrement appelées pertes de charge. Ces dernières dépendent :

• Des frictions intermoléculaires en relation avec la viscosité du fluide ;
• des frottements superficiels contre les parois de la canalisation ;
• des obstacles qui créent des variations géométriques.

Dans la pratique, on a l’habitude de traiter dans le cadre de pertes de charges régulières (ou linéaires), les frictions visqueuses et les frottements liés à la longueur de la canalisation, et pertes de charge singulières celles qui apparaissent en présence d’obstacles de formes particulières (ou singularités).

4.1. Pertes de charges régulières (linéaires)

Frictions, frottements… ces termes sont souvent employés l’un pour l’autre. Mais en milieu liquide, ne tentons pas trop de les différencier puisqu’il s’agit finalement du même phénomène : le cisaillement moléculaire ; seule la cause diffère. Si les frictions intramoléculaires font intervenir la viscosité du fluide, les frottements superficiels sont liés à la rugosité des surfaces.

Coefficient de perte de charge régulière

La saga lambda

Antoine Chezy , Robert Manning, John Thomas Fanning, Darcy, Julius Ludwig Weisbach, Ludwig Prandtl, Gaspard Prony, Heinrich Blasius, Prandlt, Moody, Nikuradsé, Serghides, Eck, Colebrook, Altschoul, C. Citrini, S.E. Haaland, Swamee–Jain, Hazen Williams, Churchill… Français, Irlandais, Anglais, Allemands, Suisses… Depuis 1775 jusqu’à nos jours, ces mathématiciens hydrauliciens ont écrit l’histoire du coefficient de rugosité λ. Des cours d’eau naturels aux canalisations urbaines jusqu’au circuits domestiques, ils ont cherché la meilleure expression, équation ou représentation graphique de ce rugueux inconnu.

Des formules plus ou moins sophistiquées, limitées, théoriques ou expérimentales, l’expression de C. M. Colebrook et C. F. White de 1937 est la plus utilisée. Nous lui préférons celle de l’états-unien Stuart W. Churchill datant de 1977, plus facilement exploitable et couvrant de manière précise tout le champ des écoulements, laminaires et turbulents.

Nous connaissons la viscosité du fluide et la rugosité du matériau, nous disposons donc de tous les éléments pour savoir comment elles vont s’opposer à l’écoulement. Cette opposition est est représentée par le coefficient λ (lambda) de perte de charge linéaire.

Les nombreuses formules de calcul mettent en jeu l’effet de la viscosité (au travers du nombre de Reynolds Re) et celui de la rugosité (au travers de l’indice de rugosité absolue ε) et ce, plus ou moins selon le régime d’écoulement. Sans rentrer dans les détails, les formules (ou une partie d’elles-mêmes) sont adaptées selon le régime d’écoulement : laminaire (Poiseuille) avec Re ≤ 2000 (rare en aquariophilie), transitoire, ou bien turbulent lisse ou rugueux (Colebrook-White) avec Re > 2000 (très fréquent dans les circuits d’alimentation et d’évacuation de nos aquariums. Face à la difficulté des calculs, une représentation graphique de ces équations, le diagramme de Moody (fig. 7), permet d’approximer le coefficient λ.

Parmi toutes ces formules, la récente formule de Stuart W. Churchill proposée ci-dessous, présente le grand avantage d’être explicite (contrairement à l’expression de Colebrook-White très répandue). Elle et ne se résout pas par itérations (succession de calculs en boucles où le résultat du précédent sert pour le suivant) (itération B de la figure 1) et de plus, elle est exploitable quel que soit le régime d’écoulement, du laminaire au plus turbulent.

λ : Coefficient de perte de charge régulière [-]
Re : Nombre de Reynolds [-]
ε/Dh : Indice de rugosité relative [-]

 

Pas besoin de sortir la calculette, plus besoin d’utiliser le diagramme de Moody, inutile de concocter une itération sur tableur, le calculateur de Cap récifal Calcul du circuit d’évacuation pour aquarium se charge du job avec une précision suffisante.

Perte de charge régulière, totale

La perte de charge régulière s’exprime suivant le besoin, en fonction d’une variation de hauteur ΔH_R en mètre de colonne d’eau mCE ou de pression Δps en Pascal. Dans cet article, l’unité choisie est le mCE (1 mCE = 9807 Pa).

ΔH_R : Perte de charge régulière [mCE]
λ : Coef. de perte de charge régulière [-]
L : Longueur de la conduite [m]
Dh : diamètre hydraulique (ou intérieur) du conduit [m]
V : Vitesse moyenne dans la section [m.s^-1]
g : Accélération de la pesanteur = 9.81 [m.s^-2]

 

Conduites en série : Lorsque la conduite est composée de plusieurs tronçons de diamètres différents en série, la perte de charge est la somme des pertes de charge de chaque tronçon.

Conduites en parallèle : Lorsque le réseau est formé de plusieurs conduites en parallèle, la perte de charge est la même pour toutes les conduites et le débit global est égal à la somme des débits.

4.2. Pertes de charges singulières

Les pertes de charge singulières (ou locales) se produisent en présence d’obstacles, lorsque au moins une partie des lignes de courant s’écartent de la direction principale de l’écoulement. Il y a alors décollement de la paroi ou formation de zones de recirculation, par exemple au niveau des changement de direction (coudes, raccords en Y ou en T, grilles…), ou de sections (jonctions, clapets, vannes, à l’entrée ou en sortie de conduite…). Ces accessoires produisent une chute d’énergie rapide ; vitesse et pression diminuent sur une distance plus ou moins importante. Cette chute d’énergie impacte bien évidemment partiellement les pertes de charges régulières de même que celles d’un accessoire placé immédiatement en aval ; cet aspect est cependant négligé par simplification.

Coefficients de pertes de charges singulières

Chaque accessoire est affecté d’un coefficient de perte de charge singulière ξ (xi), établi par le calcul et l’expérimentation ; sa valeur peut varier selon le constructeur. Le coefficient ξ est destiné à soustraire une partie de l’énergie cinétique, il est donc toujours compris entre 0 et 1.

La perte de charge singulière est le produit du coefficient de perte de charge ξ de l’obstacle par la représentation de l’énergie cinétique. On l’exprime suivant le besoin, en fonction d’une variation de hauteur Δhs en mètre de colonne d’eau [mCE] ou de pression Δps en Pascal.

Δh_s : Perte de charge singulière (mCE)
ξ (xi) : Coef. de perte de charge singulière de l’accessoire [-]
V : Vitesse moyenne dans la section [m.s^-1]
g : Accélération de la pesanteur = 9.81 (m.s^-2)

 

Noter que la perte de charge singulière d’un accessoire est parfois déterminée par le constructeur en fonction d’une longueur virtuelle de conduit.

En aquariophilie

Mais, direz-vous, les coefficients ξ ont été étudiés pour les canalisations en charge, comme la remontée d’eau par une pompe. Qu’en est-il des écoulements à surface libre, jalonnés d’obstacles, comme une évacuation vers la cuve technique ? Et vous n’aurez pas tort. En écoulement à surface libre, l’obstacle se comporte comme s’il était en charge jusqu’à un certain seuil (nombre de Froude inférieur à 0,7 (Hager 1999)). L’assimilation est erronée au delà, comme dans les descentes à fortes déclivités. Dans ce cas d’autres phénomènes apparaissent plus rédhibitoires, qui guideront nos décisions comme on le verra.

 

Perte totale de charges singulières

La perte de charges singulière totale du circuit équipé des accessoires 1, 2,3… est la somme des pertes de charges individuelles de tous les accessoires.

ΣΔH_S = ΔH_S1 + ΔH_S2 + ΔH_S3 +…
ΣΔH_S : Perte de charges singulières totale [mCE]
ΔH_S 1 : Perte de charge singulière de l’accessoire 1 [mCE]

 

En aquariophilie Les conduits en PVC utilisés en aquariophilie, plutôt lisses, induisent peu de perte de charge. Cependant, dans nos circuits d’alimentation en charge, elle peut s’élever rapidement avec des débits importants. Un bon compromis diamètre/débit est obtenu avec une perte de charge régulière de 50 à 100 mmCE par mètre de longueur.

 

4.3. Perte totale de charges

Dans un circuit en ligne, la perte totale de charges ΔH_T du circuit est, on s’en doute, la somme des pertes de charges régulière et singulières. Selon le besoin les pressions sont exprimées, en hauteur d’eau [mCE] ou en pascal [Pa].

ΔH_T = ΔH_R + ΣΔH_S
Δp_T = Δp_R + ΣΔp_S
ΔH_T : Perte totale de charges [mCE]
ΔH_R : perte totale de charges régulières [mCE]
ΣΔH_S : perte totale de charges singulières [mCE]
Δp : perte totale de charges [Pa]
Δp_R : perte totale de charge régulière [Pa]
ΣΔp_S : perte totale de charge singulière [Pa]

 

Dans la pratique, la perte totale de charges est majorée de 10 % pour compenser les approximations liées à la détermination des coefficients de pertes de charges singulières ξ.

5. Bilan énergétique

5.1. Travail et énergies

Travail

Nous avons abordé les différentes forces pouvant entrer en jeu dans un écoulement. Un écoulement ! nous sommes donc dans le mouvement. Une force qui se déplace effectue un travail. La distance considérée est celle du trajet parcouru par le point d’application de la force. Le travail (work en anglais) s’écrit W. Dans le système SI, il s’exprime en joule dont le symbole est J, parfois en kilowatt-heure (kW.h). 1 J = 1 N.m = 1 kg.m².s^-2 = 2,78.10-7 kW.h. Le tarvail se formule ainsi :

W = F_T / d
W : Travail [J]
F_T : force tangente à la trajectoire [N]
d : Distance parcourue [m]

Énergie

L’énergie E (on parle d’énergie mécanique) s’exprime en joule, avec la même unité que le travail. C’est normal, il faut considérer qu’avant son déplacement l’objet (un élément de liquide) dispose d’une certaine quantité d’énergie. Son déplacement produit un travail, c’est à dire une dépense (une transformation) d’énergie. A son arrivée, il dispose d’une énergie résiduelle, disponible pour un autre travail.
L’énergie est la capacité à réaliser un travail ; le travail génère une dépense de l’énergie initialement disponible. Le travail fourni représente alors la différence d’énergie ∆E avant et après sa réalisation, tout cela en joule :

∆E = W = Ei + Ef
∆E : Perte d’énergie (J)
W : Travail (J)
E_i : Énergie initiale (J)
E_f : Énergie finale (J)

 

5.2. Sources d’énergies

L’hydraulicien identifie plusieurs types d’énergies susceptibles d’être échangées :

• Énergie potentielle de gravité (ou de pesanteur) Ez : c’est l’énergie qui est potentiellement libérable, immédiatement disponible du fait de sa position dans le champ gravitationnel. Par exemple, l’eau d’un aquarium retenue en amont du déversoir, chute dès qu’elle passe le seuil du déversoir. L’énergie disponible dépend ici, de l’altitude de l’eau. Notons que, puisque l’énergie de pesanteur dépend de la hauteur, elle diminue au fur et à mesure de la chute.
• Énergie de pression Ep : c’est l’énergie qui dépend de la pression exercée sur le fluide.
• Énergie cinétique Ec : c’est l’énergie qui dépend du mouvement, celle que l’objet acquiert de par sa vitesse. L’eau qui tombe prend de la vitesse, son énergie cinétique augmente au fur et à mesure que sa hauteur diminue… dans le même temps, son énergie potentielle diminue. On assiste à la transformation d’une forme d’énergie potentielle en une autre, cinétique.

En présence de fluides parfaits, sans viscosité et en l’absence d’obstacle, il peut y avoir des transferts d’énergie d’une forme vers l’autre, mais la somme de ces énergies reste constante. C’est l’équation de Bernouilli dont la formule 11 est une expression parmi d’autres :

z : Altitude du point [m]
p : Pression en un point [Pa]
ρ : Masse volumique [kg.m^-3]
g : accélération de la pesanteur = 9.81 (m.s^-2)
V : Vitesse moyenne dans la section [m.s^-1]
Cte : Valeur constante

 

5.3. Bilan énergétique : l’équation généralisée

Le monde des fluides parfaits n’est pas le nôtre. L’écoulement est perturbé par les pertes de charges (glissements, frictions, frottements, chocs). D’autre part, la canalisation dispose parfois de moyen d’élévation de la charge (pompes). Tout ceci s’équilibre dans ce que l’on nomme l’équation de Bernouilli généralisée dont la formule 12 en présente une expression utilisée en hydraulique, en énergie par unité de pression, dont les grandeurs sont homogènes à des longueurs [m].

z₁, z₂: Altitude du point 1 ou 2 [m]
p₁, p₂: Pression au point 1 ou 2 [Pa]
ρ : Masse volumique [kg.m^-3]
g : Accélération de la pesanteur = 9.81 [m.s^-2]
V₁, V₂: : Vitesse moy. dans la section 1 ou 2 [m.s^-1]
H_m : Hauteur manométrique [mCE]
ΔH_T : Perte de charge totale [mCE]
ΔH_R : Perte de charge régulière [mCE]
ΣΔH_S : Perte de charge singulière totale [mCE]

 

Le bilan des énergies (charges énergétiques + pertes de charges énergétiques) reste constant dans toute la canalisation. Les charges énergétiques se transforment les unes sous la forme d’autres et se dissipent partiellement (pertes thermiques…). La figure 9 montre comment peut évoluer la répartition des sources d’énergie et la perte de charge totale dans un circuit d’évacuation gravitaire d’aquarium. On constate que la source d’énergie de pesanteur, majeure en haut du circuit, se transforme essentiellement en énergie cinétique au fur et à mesure de la descente.

 

 

5.4. Bilans énergétiques appliqués à l’aquariophilie

L’aquariophile est confronté à quelques situations dont voici les plus fréquentes.

Cas 1 : Calcul du débit gravitaire d’une canalisation de diamètre imposé, rejetant à l’air libre

Il s’agit de calculer le débit volumique Q_v pouvant descendre par gravité dans une canalisation de section circulaire, de diamètre intérieur D_i donné. Le rejet se fait bouche bée, au-dessus de la surface de l’eau de la cuve technique. Ce calcul est le même quel que soit le taux de remplissage de la canalisation. Pour un taux de remplissage T_r = 100%, alors D_h = D_i.

On le constate, ce processus de calcul nécessite des itérations imbriquées qui rendent les opérations fastidieuses. Le calculateur Cap récifal permet de répondre simplement à la question.

 

Cas 2 : Calcul du diamètre pour un débit imposé, d’une évacuation gravitaire rejetant à l’air libre

C’est un titre qui accroche ! Malheureusement aucune réponse ne peut être donnée à cette question. En effet, comment calculer un écoulement dans une conduite dont on ignore la section ? Par contre on peut calculer le taux de remplissage T_r d’un conduit de diamètre D_i choisi, et vérifier s’il permet le débit volumique Q_v souhaité. Le titre devient donc : Validation du diamètre d’un conduit d’évacuation gravitaire pour un débit imposé. Liberté à l’aquariophile de valider ou non le diamètre, sachant que l’on préconise un taux de 50 à 85 %, et de choisir le diamètre normalisé correspondant.

Le bilan énergétique est identique au cas 1. A la fin du processus de calcul, s’ajoute une phase de validation du taux de remplissage et, si besoin, un recalcul avec un autre diamètre. Le calculateur Cap récifal Calcul d’évacuation d’aquarium « 2 – Taux de remplissage pour un débit connu » permet de répondre à cette question.

Cas 3 : Calcul du diamètre pour un débit donné, d’une canalisation rejetant dans l’eau

Il s’agit de calculer le débit volumique Q_v pouvant descendre par gravité dans une canalisation de section circulaire, de diamètre intérieur D_i donné. Le rejet se fait sous la surface de l’eau de la cuve technique. Ce calcul est le même quel que soit le taux de remplissage de la canalisation. Pour un T_r = 100%, D_i = D_h.

Le processus de calcul est le même que celui du cas 1, seul le bilan énergétique diffère avec la formule de calcul du débit.

 

Cas 4 : Calcul de la hauteur manométrique H_m d’une pompe rejetant à l’air libre

Il s’agit de calculer la hauteur manométrique H_m d’une pompe pour relever l’eau avec un débit volumique Q_v, d’une hauteur H entre la cuve technique et l’aquarium, dans une canalisation de diamètre intérieur D_i , comportant des pertes de charges régulières et singulières.

Le processus de calcul est relativement simple. Le calculateur Cap récifal Calcul d’alimentation en eau d’aquarium permet de réaliser des simulations rapides pour choisir la pompe qui pourra débiter le volume Q_v souhaité à la hauteur manométrique H_m calculée.

5.5. Courbe réseau

La courbe du réseau (ou caractéristique du circuit) représente l’énergie à fournir au fluide, compte tenu de toutes ses pertes de charges, pour le faire circuler sur une hauteur H_m avec un débit Q_v. Cette énergie est ici exprimée en énergie par unité de pression, en mCE. Elle augmente quand le débit augmente, suivant une courbe (fig.24), donnant H_m en fonction de Q_v selon la formule 22.

La dernière formule de la figure 14 donne la relation existant entre Hm et Qv pour la canalisation d’alimentation en charge d’un aquarium.

Ainsi une pompe donnée mise en place sur un circuit donné ne peut fournir qu’un et un seul débit. La courbe du réseau est essentiellement utilisée dans les circuits en charge, pour vérifier la compatibilité d’une pompe avec le circuit, comme on le verra plus loin dans la 3ème parie de cet article au chapitre traitant des pompes.

H_m : Hauteur manométrique [mCE]
H: Différence de niveau =z2- z1 [mCE]
a : Valeur constante
Q_v : Débit volumique [m³.s^-1]

 

6. Validation des résultats : engorgements et autoaération

Les valeurs cherchées étant obtenues (selon le cas : débit, diamètre, taux de remplissage), pour un écoulement il faut vérifier qu’il ne génère pas des phénomènes perturbateurs (chocs et autoaération) qui peuvent imposer de reconsidérer la canalisation.

6.1. Phénomène de choc : engorgement et yoyo

Dans les conduites à surface libre (non complètement remplies) et fortement inclinées, la turbulence de l’écoulement génère une onde à la surface de l’eau qui évolue selon le ratio énergie cinétique (vitesse) / énergie potentielle gravitationnelle (forces de pesanteur). Au-delà d’une certaine perturbation, l’eau vient choquer la paroi du conduit. L’écoulement libre devient momentanément un écoulement en charge ; sa vitesse diminue localement pour former un bouchon (fig. 15).

Le risque d’apparition de ce phénomène peut se quantifier par l’approche du χ (khi). Willi H. Hager, hydraulicien Suisse, a récemment déterminé ce coefficient valable aussi pour les canalisations circulaires à forte pente.

χ : Coefficient de rugosité (Hager) [-]
K : Coefficient de frottement de Strickler
J : Déclivité J = H/ L [-]
D_i : Diamètre intérieur [m]
g : Accélération de la pesanteur = 9.81 [m.s^-2]

 

Afin d’éviter le phénomène de choc le taux de remplissage doit se limiter à 80 % pour χ = 5 et à 70 % pour χ = 10

En aquariophilie

Dans une installation classique aquariophile ou les déclivités de plus de 45° ne sont pas rares, le phénomène de chocs n’est pas négligeable. Il est à l’origine d’un mouvement alternatif de yoyo que fait la surface de l’eau. Cette dernière remonte bien au-dessus du déversoir sous l’effet du bouchon, puis s’engouffre de nouveau dans le conduit sous l’effet conjoint du siphonage, jusqu’à ce que le bouchon se libère dans la cuve technique, et de la pression de la nappe d’eau de l’aquarium, devenue plus épaisse.
On peut favoriser le désamorçage du siphon par une prise d’air dans le circuit.
À l’extrême, lorsque le diamètre est trop petit (la perte de charge est plus importante) pour que le bouchon se désintègre, la conduite se remplit définitivement « en charge », et la nappe d’eau étant devenue plus épaisse, l’évacuation se réalise alors par un siphonage continu de l’eau en aval. C’est ce phénomène que l’on exploite quand on installe une vanne partiellement fermée en aval du conduit d’évacuation.

6.2. Phénomène d’autoaération : engorgement et glouglou

Dans les écoulements très turbulents, lorsque la déclivité est importante, l’onde superficielle déferle. De l’air s’introduit alors dans l’eau et se disperse intimement sous forme de microbulles pour prendre, à l’extrême, une couleur blanchâtre (fig. 16). Si le phénomène d’autoaération est aujourd’hui très maitrisé dans les conduites à surface libre ouverte (barrages, échelles à pertes d’énergie, déversoirs…), ce n’est pas le cas des conduits fermés dont le comportement s’écarte du précédent cas. On doit à Hager, encore lui, quelques propositions issues de ses expérimentations. Les formules ci-dessous conservent quelques parts d’incertitudes, notamment pour les très fortes déclivités.

L’autoération débute pour χ = 8, la déclivité avoisine alors 15°. Le fluide chargé d’un mélange d’eau et d’air est devenu biphasique et voit ses caractéristiques modifiées qui se stabilisent ensuite. La déclivité est le facteur essentiel, la rugosité du matériau n’intervenant pas. Dans le même temps, le volume du mélange biphasique augmente, amplifiant le phénomène de choc ci-dessus. La formule 15 donne la hauteur h_b du mélange biphase dans un conduit circulaire. Elle met en jeu le coefficient de Strickler K établi pour les canaux naturels et malheureusement plus rarement déterminé pour les matériaux synthétiques. Pour le PVC rigide, K ≈ 110.

h_b : Hauteur du fluide biphasique (m)
h : Hauteur du fluide (m)
K : Coefficient de frottement de Strickler
J : Déclivité du conduit (-)
g : Accélération de la pesanteur = 9.81 (m.s^-2)

 

Cette hauteur h_b permet de calculer le nouveau taux de remplissage du mélange biphase T_xb dans le conduit (formule 16).

T_rb : Taux de remplisage du fluide biphasique [%]
h_b : Hauteur du fluide biphasique [m]
D_i : Diamètre intérieur [m]

 

Quand T_xb approche de la valeur 100 %, il est nécessaire de reconsidérer les paramètres initiaux de la canalisation : augmenter le diamètre, diminuer le débit ou la pente puis procéder à un nouveau calcul jusqu’à validation de l’engorgement et de l’autoaération (fig. 2).

En aquariophilie

L’autoaération se produit dans la majorité des situations. Par exemple, dans une évacuation gravitaire en PVC de 40 mm conçue pour un taux de remplissage à 70 % d’eau seule, l’autoaération débute avec une inclinaison de 10°. Cette même évacuation inclinée à seulement 33°, le taux de remplissage atteindra 100 %. Comment dire… il est prudent de conserver la serpillère à portée de main ! La section du tuyau ne permet plus d’absorber le mélange air-eau, et le niveau de l’aquarium peut monter. Si toutefois ce stade critique n’est pas atteint et que l’aquariophile n’est pas perturbé pas l’effet yoyo exposé plus haut, sous les deux effets cumulés un gros bruit de glouglou s’installe, qui plombe l’ambiance du logis.

 

7. La calculette, c’est bien… le calculateur, c’est mieux

Tout ça pour quoi ? On voit bien l’intérêt de calculer au préalable le circuit d’alimentation et d’évacuation de l’aquarium, surtout dans des installations complexes ou la cuve technique se situe à la cave avec des canalisations longues. On a pu constater aussi que ces calculs sont difficiles avec une simple calculette et les risques d’erreurs nombreux. Pas de panique ! Cap récifal propose deux calculateurs qui appliquent exactement tout ce qui a été décrit ci-dessus :

• Le calculateurCalcul d’alimentation en eau d’aquarium (fig. 17) est destiné à chiffrer la hauteur manométrique de la pompe en présence des coudes qui ne manquent pas de freiner notablement l’écoulement sous pression.
• Le calculateurCalcul d’évacuation d’aquarium (fig. 18) permet de résoudre deux types de problèmes : la détermination du débit pour un diamètre et un taux de remplissage connus et la détermination du taux de remplissage pour un débit imposé et un diamètre choisi.

 

Nous en avons terminé avec le dimensionnement de la canalisation. Il est temps de réfléchir aux différents choix qui s’offrent pour sa réalisation.

8. En savoir plus

• S. BENNIS. Hydraulique et hydrologie. Université du Québec, Ecole de technologie supérieure. Presses de l’université du Québec. 3ème édition, 2014.
• Conduites et canaux en charge Calcul des conduites et canaux par la MMR.
• J. CARBONNET – M. ROQUES. Cours Mécanique des fluides Terminale STL. Académie de Nancy-Metz.
• M. ROQUES. Cours Mécanique des fluides BTS Industriels. Académie de Nancy-Metz 2005.
• M. DUFRESNE, J. VAZQUEZ. Hydraulique pour le technicien et l’ingénieur. 2013.
• J. VAZQUEZ. Hydraulique à surface libre – Ecole Nationale du Génie de l’eau et de l’environnement de Strasbourg.
• Hydraulique urbaine I – Prof. Jacques Bonvin – Ecole d’Ingénieurs du canton de Vaud 2005.
• Saint Gobain PAM canalisation. Formulaire. 1989.
• J. VAZQUEZ . Hydraulique
  générale. Ecole nationale du génie de l’eau et de l’assainissement de Strabourg.. Laboratoire Systèmes Hydrauliques Urbains, Formation CES/Mastère Eau potable et assainissement.
• M Hanif Chaudhry. Open-Channel Flow. Second edition. Springer Science & Business Media.
• Pravarini. Pertes de charges singulières. Site internet
• W. H. Hager. Wastewater Hydraulics: Theory and Practice. Springer-verlag Berlin Heidelberg 2010.

 

Article publié sur Cap récifal le 10 février 2017

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