Solutions, suspensions et sédimentation

 

De quoi parle-t-on ?

Un grain solide lâché dans un liquide tombe à une vitesse qui est contrôlée par son poids et par la viscosité du liquide, si ce grain est assez petitLorsqu’on a fait tomber un ensemble de grains identiques, ils tombent à la même vitesse appelée vitesse de sédimentation.

Les roches sédimentaires résultent de l’accumulation au fond des océans des sédiments apportés par les fleuves (sols, argiles) ou des débris provenant des organismes marins morts (coquilles, etc.). Elles peuvent aussi être formées par évaporation des mers chaudes (par ex. sel gemme) ou précipitation dans des lacs (calcaires). Lors de la déposition de la charge des fleuves dans les océans, il se produit un triage par la taille des particules : les plus grossières (sables) se déposent rapidement, alors que les particules fines (argiles) restent en suspension assez longtemps et se déposent plus loin.

 
Attention Pour des grains plus gros, les forces de  résistance de l’eau qui s’opposent au déplacement des grains proviennent de mouvements tourbillonnaires causés par le déplacement. La chute des grains devient irrégulière. En général l’influence des mouvements tourbillonnaires est négligeable pour les grains de taille submillimétrique.

Un autre mode de transport est le roulement de gros grains au fond des rivières (on parle dereptation) ou leur entraînement par des courants marins.

                                                                                                                 

Quelles notions essentielles:  

  1. Si les grains d’une suspension sont tous identiques, il apparaît rapidement dès le début de la sédimentation un front horizontal au-dessus duquel le liquide est pur. Ce front descend avec une vitesse égale à la vitesse de chute des grains.
  2. Si la suspension est constituée de grains de plusieurs tailles, il se forme plusieurs fronts, le front supérieur correspondant aux grains les plus petits et les plus lents.
  3. Les grains qui arrivent au fond forment un sédiment qui grossit au fur  et à mesure que la sédimentation progresse.
  4. Pour une suspension constituée de grains de tailles différentes on constate une stratification, les gros grains étant en dessous.
  5. Pour les très petits grains (typiquement plus petits que 1 micron), il existe des forces dites d’agitation thermique qui maintiennent les grains en suspension pendant très longtemps. C’est le cas des argiles qui maintiennent une eau boueuse trouble (on parle de turbidité).
  6. Dans les applications biologiques visant à séparer de toutes petites particules on utilise des centrifugeuses. L’effet du poids est remplacé par la force centrifuge qui peut être 10 000 fois plus grande que la pesanteur.

                                                                                                                      

Dans la vie quotidienne?

Dans la cuisine, il existe de nombreuses opérations dans lesquelles on veut séparer des constituants solides que l’on ne veut pas utiliser. On parle de décantation. Le récipient décanteur permet de faire tomber les particules solides d’une bouteille de vin. Réfléchir à la raison de la forme évasée du fond.

 
Dans l’histoire?

Sir George Gabriel Stokes (1819-1903), physicien et mathématicien britannique, est célèbre pour ses travaux sur les fluides visqueux et pour la loi sur la chute d’une sphère solide immergée dans un fluide. Dans un même liquide, une bille de diamètre deux fois plus grand qu’une autre tombe quatre fois plus vite.


Quels prolongements ?

Les sédiments les plus fins présents dans les fleuves ne peuvent pas se maintenir sur le fond à proximité du littoral, où l’agitation est trop grande. C’est en suspension qu’ils sont transportés, et ils suivent les déplacements de l’eau jusqu’à ce que les courants les fassent parvenir dans des zones calmes où leur décantation est possible. Cette accumulation de sédiments est importante au niveau des estuaires parce que l’océan est salé et que les forces qui maintiennent les particules en suspension séparées les unes des autres dans l’eau douce diminuent par suite de la présence des ions en solution (on dit que ces forces  sont écrantées). On  peut rechercher cet effet pour clarifier une eau boueuse qui contient des particules en suspension. On vend, à cet effet, dans les distributeurs de matériel de piscine du sulfate d’alumine .

Les fins sédiments de calcaire qui donnent naissance aux roches carbonatées se déposent à des profondeurs inférieures à 4500 mètres. Au-delà les eaux océaniques dissolvent les sédiments calcaires car elles sont sous-saturées en calcaire.             

Dans les mines d’énormes quantités d’eau sont utilisées pour traiter le minerai qui est sous forme divisée dans une gangue. Les bassins de décantation permettent de purifier l’eau en laissant sédimenter sous forme de boues les particules les plus lourdes. La décantation est la première étape avant l’indispensable traitement de l’eau pour pouvoir la rejeter dans les cours d’eau. C’est pourquoi les mines sont généralement équipées de vastes bassins de décantation.

 

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