Comment mesurer les résidus d’eau fixés ?

Tout le monde ne le sait pas, mais il existe deux moyens simples de mesurer le “résidu fixe” de l’eau, par exemple, au robinet, dans un puits ou dans une bouteille de minéral : l’utilisation d’un compteur numérique de résidu fixe (ou TDS), ou une méthode de bricolage.

Le résidu fixe est un paramètre très important utilisé pour classer l’eau minérale et l’eau potable. Il indique la quantité totale de substances chimiques dissoutes dans l’eau, qui est généralement exprimée en mg/l.

En pratique, les eaux potables et/ou minérales sont classées en : eaux faiblement minéralisées ou faiblement minéralisées (résidu fixe inférieur à 50 mg/l) ; eaux oligominérales ou légèrement minéralisées (résidu fixe entre 50 et 500 mg/l) ; eaux minérales ou moyennement minéralisées (résidu fixe entre 500 et 1 500 mg/l) ; eaux hyperminéralisées ou riches en minéraux (résidu fixe supérieur à 1 500 mg/l).

Pourquoi est-il important de le connaître ? 

En général, une eau faiblement minéralisée réduit la quantité de sels minéraux utiles à l’organisme ;

  • une eau oligominérale maintient la quantité de sels utiles à l’organisme ;
  • une eau minérale moyenne fournit des sels minéraux utiles à l’organisme ;
  • une eau hyperminéralisée fournit une quantité élevée de sels minéraux.

Il est donc très important de connaître le résidu fixe de l’eau que vous buvez.

Le résidu fixe est directement lié à la pureté de l’eau et à la qualité des systèmes de purification de l’eau, il est donc très utile de le connaître de manière fiable et indépendante. Bien sûr, dans le cas de l’eau minérale, il mesure le degré de pureté ou de minéralisation de l’eau, tandis que dans le cas de l’eau du robinet fournie par l’aqueduc, il donne également une indication du niveau de purification.

Par ailleurs, si nous mesurons le résidu fixe de l’eau sortant du robinet et décidons ensuite d’adopter un système de filtration d’eau domestique, nous pouvons essayer d’évaluer son efficacité en mesurant le résidu fixe de l’eau en aval de nos filtres, par exemple en utilisant un simple compteur de résidu fixe ou en adoptant la méthode de mesure “à faire soi-même” que nous allons illustrer.

La mesure du résidu fixe est fondamentale pour vérifier l’efficacité, par exemple, d’un système domestique de purification d’eau par osmose inverse comme ceux proposés ici.

L’eau peut également recueillir des métaux tels que le plomb ou le cuivre lorsqu’elle circule dans les tuyaux utilisés pour distribuer l’eau aux consommateurs. Il est à noter que l’efficacité des systèmes de purification de l’eau pour éliminer les résidus fixes sera réduite avec le temps, il est donc fortement recommandé de contrôler également la qualité d’un filtre ou d’une membrane et de toujours les remplacer si nécessaire.

Même les meilleurs systèmes de purification de l’eau sur le marché nécessitent un contrôle fixe des résidus pour garantir que les filtres et/ou les membranes éliminent efficacement les particules et les substances indésirables de l’eau. Plus l’eau que nous buvons est pure, plus elle est capable de recueillir les substances chimiques que nous absorbons de l’air et des aliments, ce qui nous nettoie.

Composition et niveaux suspects

Le résidu fixe désigne tous les minéraux, sels, métaux, cations ou anions dissous dans un volume d’eau donné, y compris ceux présents dans l’eau autres que la molécule d’eau pure (H20) et les solides en suspension (c’est-à-dire les particules ou substances qui ne sont ni dissoutes ni stables dans l’eau, telles que la sciure de bois ou la limaille de fer). Parfois, elle est également exprimée en parties par million (ppm).

Le résidu fixe provient également de matières inorganiques telles que les roches et l’air, qui peuvent contenir du bicarbonate de calcium, de l’azote, du fer, du phosphore, du soufre et d’autres minéraux. Beaucoup de ces matériaux forment des sels, qui sont des composés contenant à la fois un métal et un non-métal. Les sels se dissolvent généralement dans l’eau pour former des ions. Les ions sont des particules qui ont une charge positive ou négative.

Dans le cas des eaux de surface ou, plus généralement, des eaux qui ne sont pas habituellement potables, une partie des résidus fixés peut provenir de sources organiques telles que les feuilles, la vase, le plancton, les déchets industriels et les eaux usées. D’autres sources de résidus fixes proviennent du ruissellement des zones urbaines, des sels utilisés sur les routes et les trottoirs en hiver et des engrais et pesticides utilisés dans les jardins et les exploitations agricoles.

Si l’on considère les eaux autres que les eaux minérales ou les eaux d’aqueduc, comme les eaux de surface ou les eaux de puits, il sera utile de savoir que l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) recommande un niveau maximal de résidus fixé à 500 mg/l, ce qui équivaut à 500 ppm.

Les niveaux de résidus fixes idéaux et non pour l’eau du robinet

Lorsque les niveaux de résidus fixes dépassent 1000 mg/l, l’eau non de source est généralement considérée comme impropre à la consommation humaine. Un niveau élevé de résidus fixes est un indicateur de préoccupation potentielle et indique la nécessité d’une enquête plus approfondie. Très souvent, les niveaux élevés de résidus fixes sont causés par la présence de potassium, de chlorures et de sodium. Ces ions ont peu ou pas d’effets à court terme, mais des ions toxiques (arsenic, plomb, cadmium, nitrates et autres) peuvent également être dissous dans l’eau.

Les méthodes de mesure les plus couramment utilisées

Les professionnels mesurent généralement le résidu fixé comme un résidu parfaitement sec à 180 °C en évaporant une quantité connue d’eau dans une capsule de platine préalablement calibrée. Pour déterminer correctement le résidu fixé, après évaporation, la capsule est chauffée à 100 °C jusqu’à un poids constant, puis chauffée à nouveau à 180 °C, à nouveau jusqu’à un poids constant.

La méthode qui vient d’être décrite est la méthode gravimétrique pour la mesure du résidu fixé. Il est le plus précis et implique l’évaporation du solvant liquide et la mesure de la masse des résidus restants. Cette méthode est généralement la meilleure, même si elle prend beaucoup de temps. Si les sels inorganiques constituent la grande majorité du résidu fixé, la méthode gravimétrique est appropriée.

L’autre méthode principale de mesure des résidus fixes utilise la conductivité électrique. En fait, en général, la concentration du résidu fixe est la somme des ions cationiques (chargés positivement) et des anions (chargés négativement) dans l’eau. Par conséquent, la conductivité électrique de l’eau est directement liée à la concentration des substances ionisées dissoutes dans l’eau.

Les ions des substances dissoutes dans l’eau donnent à l’eau la capacité de conduire un courant électrique, qui peut être mesuré à l’aide d’un testeur conventionnel ou d’un compteur de résidus fixes. Lorsqu’elle est corrélée avec les mesures de résidus fixes en laboratoire, la conductivité fournit une valeur approximative pour les résidus fixes, généralement avec une précision de 10 %.

Il est possible de “découvrir” la relation linéaire entre la conductivité électrique et le résidu fixe en indiquant les valeurs respectives tirées des étiquettes de diverses eaux minérales ayant différents degrés de minéralisation, comme nous l’avons fait en choisissant “au hasard” celles qui figurent dans le tableau et en indiquant ensuite les valeurs relatives sur un graphique. Comme vous pouvez le voir, les différents points se trouvent tous près d’une ligne d’interpolation.

Une série d’eaux minérales italiennes choisies au hasard dans la base de données correspondante.

Le graphique relatif montre une relation claire entre la conductivité électrique et le résidu fixe.

L’eau pure a une conductivité pratiquement nulle. En fait, sa conductivité est généralement environ 100 fois supérieure au total des cations ou anions exprimés en équivalents. Le résidu fixe est calculé en multipliant la conductivité mesurée par un certain coefficient. En général, plus le niveau de conductivité est élevé, plus le coefficient à utiliser pour déterminer le résidu fixe est élevé.

La relation entre le résidu fixe (RF) et la conductivité électrique spécifique (CE) des eaux souterraines peut donc être approchée par l’équation suivante : RD = k CE, où le résidu fixe est exprimé en mg/l et la conductivité électrique en microsiemens par centimètre (μS/cm) à 25 °C. Le facteur de corrélation k varie entre 0,55 et 0,8 et ne dépend que légèrement du niveau de conductivité de l’eau.

Le compteur électronique de résidus fixes

Un compteur de résidus fixe (ou, en anglais, “TDS meter”, de Total Dissolved Solids) est un dispositif peu coûteux pour mesurer ce paramètre qui est donc basé sur la conductivité électrique de l’eau. Les solides ionisés dissous, tels que les sels et les minéraux, augmentent la conductivité d’une solution.

Un exemple de compteur fixe de résidus (ou compteur TDS) peut être acheté sur Internet ici.

Les solides organiques dissous (par exemple le sucre) et les particules solides microscopiques (par exemple les colloïdes) n’affectent pas de manière significative la conductivité d’une solution et ne sont pas pris en compte par le compteur de résidus fixes. Par conséquent, la méthode la plus précise pour mesurer tous les résidus dans l’eau est la méthode gravimétrique présentée ci-dessus.

En pratique, il est possible d’estimer la quantité de résidus fixes en déterminant la conductivité électrique de l’eau en la traversant avec un petit courant. De manière similaire à ce qui se passe avec un ohm-mètre et, en mesurant la tension et le courant qui en résultent, la conductivité est calculée.

Le résidu fixe est calculé par l’appareil très simplement en multipliant la conductivité électrique par un coefficient allant de 0,5 à 1,0, selon les niveaux de conductivité électrique. De nombreux compteurs de résidus fixes affichent le niveau de résidus fixes en parties par million (ppm) : 1 ppm indique 1 milligramme de solides dissous par kg d’eau (dans la pratique, cela équivaut à 1 mg/l).

La conversion de la conductivité électrique en résidu fixe peut parfois entraîner des erreurs significatives, car le coefficient de conversion est différent pour les différents solides dissous. Par exemple, pour convertir la conductivité électrique due au chlorure de potassium en résidu fixe, le coefficient de conversion est de 0,50-0,57. Le chlorure de sodium a un coefficient de conversion de 0,47-0,50.

Un double compteur fixe de résidus pour les purificateurs à osmose inverse.

Certains minéraux dissous, en général, peuvent également nécessiter un facteur de conversion de 0,85. En outre, le coefficient de conversion varie avec la température et seuls les compteurs de résidus fixes les plus sophistiqués mesurent la température de la solution et compensent le résultat pour ce facteur. En revanche, les moins chers ne coûtent pas beaucoup et nous pouvons les tester sur de l’eau minérale en premier lieu.

Une méthode alternative simple “faites-le vous-même

Comme la relation entre la conductivité électrique et le résidu fixe est une simple relation linéaire, nous pouvons assez facilement mesurer le résidu physique d’une eau “inconnue” (par exemple celle d’un robinet, d’un puits ou d’une eau minérale à laquelle nous ne faisons pas confiance) en utilisant un testeur numérique très courant, c’est-à-dire un multimètre électronique que vous pouvez trouver pour environ 20 euros dans les magasins de bricolage ou en ligne.

Supposons que nous nous attendons à ce que le résidu fixe de l’eau inconnue soit d’environ 300 mg/l. Ensuite, nous irons dans un ou plusieurs supermarchés et nous prendrons, par exemple, une bouteille d’eau minérale avec un résidu fixe similaire, deux bouteilles d’autant d’eau minérale avec un résidu fixe supérieur à 300 mg/l et deux autres bouteilles d’autant d’eau minérale avec un résidu fixe inférieur à 300 mg/l.

À ce stade, nous reportons sur une feuille de calcul la conductivité électrique et les valeurs fixes des résidus de chaque eau minérale, obtenant ainsi un tableau puis un graphique. De cette façon, nous pouvons vérifier que les points du graphique sont alignés approximativement sur une ligne droite. Si ce n’est pas le cas, nous achèterons des bouteilles d’autres marques en plus, afin d’augmenter les points sur le graphique.

Le tableau préparatoire que nous pouvons faire en choisissant correctement les eaux minérales

Pour ajouter la ligne interpolant les points sur un graphique Excel, il suffit de passer avec la souris sur un des points en question et de cliquer sur le bouton droit de la souris. À ce stade, un menu apparaîtra avec l’option “Ajouter une ligne de tendance”, qui est par défaut une ligne. Nous pouvons donc les utiliser pour calibrer notre compteur de résidus fixes.

En gros, nous allons prendre une tasse ou un gobelet et le remplir avec l’eau de la première de ces bouteilles, puis mesurer sa conductivité électrique avec notre testeur. Ce qui est formidable, c’est que nous ne sommes pas intéressés par les mesures absolues de la conductivité électrique avec toutes les complications liées aux unités de mesure, etc., mais seulement des mesures relatives, très faciles à réaliser même pour un scientifique amateur.

Comme la conductivité électrique est égale à un courant divisé par une tension, si nous appliquons une tension fixe entre deux électrodes, comme celle fournie par une nouvelle pile de 9 V, il suffit de mesurer le courant qui circule dans le circuit (voir figure ci-dessous), puis de répéter la mesure du courant pour toutes les autres eaux minérales et, enfin, également pour l’eau que nous voulons analyser. Les électrodes doivent toujours être à la même distance, il est donc préférable qu’elles soient montées sur la même sonde que celle des pH-mètres.