Aqua Metria Lab Guide
Protocole Expérimental • Niveau Avancé
AQUA METRIA
Physique & Hydrodynamique locale de la molécule d'eau
LAB-ID: H2O-01
Édition Académique 2026
Chercheur / Groupe
Date d'expérimentation
Structure / Université
1. Cadre Théorique : Cohésion et Loi de Jurin
L'eau possède une tension superficielle élevée (\(\gamma \approx 72.8 \, \text{mN/m}\) à \(20^\circ\text{C}\)) due aux liaisons hydrogène. Dans un capillaire hydrophile (verre), la force d'adhésion compense le poids de la colonne d'eau. La hauteur d'ascension \(h\) est dictée par la loi de Jurin :
\[ h = \frac{2 \gamma \cos\theta}{\rho g r} \]
Où \(\gamma\) est la tension superficielle, \(\theta \approx 0^\circ\), \(\rho\) la masse volumique, \(g = 9.81 \, \text{m/s}^2\), et \(r\) le rayon interne.
2. Protocole : Détermination de la Tension Superficielle
Matériel Requis :
- Tubes capillaires (r = 0.25, 0.5, 1.0 mm)
- Règle de précision graduée
- Bécher de 100 mL
- Eau ultrapure
- Thermomètre
Étape A : Nettoyer méticuleusement les tubes capillaires à l'acide chlorhydrique dilué puis à l'éthanol pour garantir un angle de contact nul.
Étape B : Remplir le bécher d'eau ultrapure et mesurer la température ambiante de l'eau pour ajuster la valeur théorique de la masse volumique.
Étape C : Plonger verticalement un capillaire. Attendre la stabilisation du ménisque. Mesurer la hauteur d'ascension \(h\) à l'aide de la lunette de visée.
3. Collecte des Données Expérimentales
| Capillaire # | Rayon \(r\) (mm) | Hauteur \(h_{exp}\) (mm) | Hauteur théorique \(h_{th}\) | Écart Relatif (%) |
|---|
| C-01 (Micro) | 0.25 mm | | ~ 59.4 mm | |
| C-02 (Standard) | 0.50 mm | | ~ 29.7 mm | |
| C-03 (Large) | 1.00 mm | | ~ 14.8 mm | |
Questions d'Analyse Théorique
Q1. En traçant la courbe \(h = f(1/r)\), démontrez la linéarité. Calculez la pente expérimentale et déduisez-en la valeur expérimentale de \(\gamma_{exp}\).
Q2. Comment la température influence-t-elle la tension superficielle de l'eau sur le plan thermodynamique et moléculaire ? Justifiez brièvement.
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Génie des Procédés • Niveau Avancé
TRAITEMENT DES EAUX
Physico-chimie de la clarification : Floculation quantitative
LAB-ID: PROC-02
Édition Académique 2026
1. Fondements : Potentiel Zêta et Coagulation
Les matières en suspension (colloïdes) portent des charges électriques de surface négatives qui empêchent leur sédimentation. Pour clarifier l'eau, on injecte un sel métallique trivalent (\(Al^{3+}\) ou \(Fe^{3+}\)) :
Coagulation (Rapide)
Déstabilisation des colloïdes par neutralisation de leur charge superficielle (diminution du potentiel zêta).
Floculation (Lente)
Agglomération des microflocs en flocs sédimentables par pontage physique, favorisée par agitation lente.
2. Protocole : Simulation de Clarification (Jar Test)
Réactifs & Matériel :
- Agitateur multiple (Jar-test)
- Sulfate d'aluminium
- Suspension d'argile
- Turbidimètre de laboratoire
- Seringues, pH-mètre
Étape 1 : Remplir 4 béchers de 1L d'eau turbide. Mesurer pH, turbidité initiale (NTU) et température.
Étape 2 : Injecter des doses croissantes de sulfate d'aluminium (10, 20, 40 et 60 mg/L).
Étape 3 : Agitation rapide (150 tr/min) pendant 2 min (coagulation), puis lente (30 tr/min) pendant 15 min (floculation). Laisser décanter pendant 20 min.
3. Suivi Physico-Chimique de la Décantation
| Paramètre mesuré | Bécher 1 (10 mg/L) | Bécher 2 (20 mg/L) | Bécher 3 (40 mg/L) | Bécher 4 (60 mg/L) |
|---|
| Turbidité finale (NTU) | | | | |
| pH final | | | | |
| Volume de boue (mL) | | | | |
Optimisation et Diagnostic
Q1. Identifiez la dose optimale de coagulant pour cet échantillon. Justifiez en comparant l'efficacité d'élimination de la turbidité et le volume de boues.
Q2. Pourquoi l'ajout de sulfate d'aluminium entraîne-t-il une baisse du pH de l'eau traitée ? Écrivez ou décrivez la réaction d'hydrolyse correspondante.
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Gestion Environnementale • Niveau Avancé
HYDROGEOLOGIE
Dynamique de filtration et écoulement de Darcy
LAB-ID: GEOL-03
Édition Académique 2026
1. Fondements : Loi de Darcy et Milieux Poreux
La gestion des nappes phréatiques repose sur la compréhension du transport de l'eau à travers les milieux poreux. L'écoulement stationnaire d'un fluide incompressible uniforme est régi par la loi de Darcy :
\[ Q = K \cdot A \cdot \frac{\Delta h}{L} \quad \text{ou} \quad q = K \cdot i \]
Où \(Q\) est le débit volumique, \(K\) la conductivité hydraulique, \(A\) la section droite, \(\Delta h/L\) le gradient hydraulique \(i\).
2. Protocole : Détermination de la Conductivité Hydraulique (\(K\))
Équipement requis :
- Colonne de Darcy de diamètre connu
- Sable calibré (fin, moyen, grossier)
- Piézomètres de contrôle
- Éprouvette graduée & Chronomètre
- Réservoir à charge constante
Étape A : Remplir la colonne uniformément avec le sable sélectionné de manière à éliminer les poches d'air ou hétérogénéités.
Étape B : Connecter l'alimentation et stabiliser la charge hydraulique en amont.
Étape C : En régime permanent, relever la différence de niveau piézométrique \(\Delta h = h_1 - h_2\). Récupérer le volume \(V\) filtré pendant un intervalle de temps \(t\).
3. Grille d'Enregistrement de l'Hydrodynamique
| Granulométrie | Section \(A\) (\(\text{cm}^2\)) | Gradient \(i\) | Débit \(Q\) (\(\text{cm}^3/\text{s}\)) | Perméabilité \(K\) (\(\text{cm/s}\)) |
|---|
| Sable Fin | 19.6 | | | |
| Sable Moyen | 19.6 | | | |
| Sable Grossier | 19.6 | | | |
Analyse Hydrogéologique & Environnementale
Q1. Déterminez la perméabilité \(K\) pour chaque sable. Quel est l'impact de la taille des sédiments sur la dynamique de recharge d'une nappe phréatique ?
Q2. Comment utiliseriez-vous ces mesures de perméabilité pour estimer le temps de transfert d'un contaminant soluble vers un captage d'eau situé en aval ?
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