Lavage H2S gazeux par la soude

[invitec4829296]

Bonjour,

j'essaye de calculer la quantité de soude consommée par une tour de lavage pour abattre l'H2S (traitement d'odeur en station d'épuration).

Je prends en compte les équations suivantes :
H₂S + NaOH → H2O + Na⁺ + HS^-
HS^-+ NaOH → H2O + Na⁺ + S^2-

pKa [H2S / HS-] = 7
pKa [HS- / S^2-] = 12,9

Pour moi, si on veut aller jusqu'à S--, on a besoin de 2 moles de NaOH pour 1 mole d'H2S et être à un pH>12,9.
Si on est à pH 10, l'espèce majoritaire sera HS^- et on consomme 1 mole de NaOH pour 1 mole d'H2S.

Sur le site de l'ADEME, on considère qu’il faut 1,5 L de soude (je supose à 30%, densité 1,33 car c'est la concentration la plus utilisée) pour l’abattement de 100 g d’hydrogène sulfuré.
Cela représente :
n_NaOH = 30% x 1,33 x 1500 / 40 = 14,96 moles NaOH (MM_NaOH = 40)
n_H2S = 100/34 = 2,94 mole H2S (MM_H2S = 34)

soit 5 moles de NaOH pour 1 mole d'H2S... !

Pouvez-vous m'aider à comprendre la différence entre la théorie et la pratique ?

Est-ce que la "sur-consommation" apparente pourrait être liée au fait que la tour de lavage à la soude est très souvent précédée d'une tour de lavage acide (pH de la solution = 3) chargée d'abattre l'ammoniac
et qu'il faudrait consommer de la soude pour remonter le pH de l'air entrant dans la 2e tour (pH de la solution = 11) ?

Merci d'avance
-----

[moco]

On prend toujours un très grand excès de NaOH. En effet, il faut être sûr qu'il n'y aura pas la moindre perte de H2S qui est un gaz qui sent vraiment très mauvais.
Or si on dissout Na₂S dans de l'eau, on ne peut pas empêcher une légère hydrolyse que je symbolise par :
S^2- + 2 H₂O --> H₂S + 2 OH^-.
Cette équation est un équilibre qui est très déplacé vers la gauche. Tu peux calculer sa constante d'équilibre. Peu importe. Na₂S dans l'eau libère un peu de H₂S. Très peu, certes. Mais cela suffit pour qu'on le sente. Pour minimiser cet effet, on applique Le Chatelier. On ajoute un maximum de ions OH^- à la solution, donc le maximum de NaOH. Cela déplace l'équilibre encore plus vers la gauche, jusqu'au moment où l'odeur n'est plus perceptible

[invitec4829296]

Si on doit mettre un grand excès d'ions OH^-, cela fait varier le pH.
Est-ce qu'on peut calculer le pH "optimal" à partir duquel on peut négliger la formation d'H2S ([H2S]gaz < 0,1 mg/m3) ?

En effet, j'abat l'H2S en continu par une douche de soude dont le pH est régulé en temps réel. A pH 11, on est plus efficace qu'à pH 10, mais on consomme plus de soude...

Je suis désolée de poser ces questions probablement triviales, mais mes notions de chimie commencent à dater un peu bien que je soit biologiste.

[inviteac45697a]

Si on doit mettre un grand excès d'ions OH^-, cela fait varier le pH.
Est-ce qu'on peut calculer le pH "optimal" à partir duquel on peut négliger la formation d'H2S ([H2S]gaz < 0,1 mg/m3) ?

En effet, j'abat l'H2S en continu par une douche de soude dont le pH est régulé en temps réel. A pH 11, on est plus efficace qu'à pH 10, mais on consomme plus de soude...

Je suis désolée de poser ces questions probablement triviales, mais mes notions de chimie commencent à dater un peu bien que je soit biologiste.

est-ce que tu pourrais pas simplement faire quelques mesures?

parcequ'il pourrait y avoir des problèmes de transports de matière vu la façon dont tu procède. (c'est éventuellement possible de calculer si tu as des problèmes de transports de matière).

[A voir en vidéo sur Futura]

[moco]

Tu poses une question difficile, et tu ne nous donnes pas les moyens de te répondre. Il y a 2 raisons pour cela. Je m'explique.

Primo : je regrette d'avoir à te dire que tes équations sont fausses. Ce n'est pas (je recopie tes données en italique ) :
H2S + NaOH → H2O + Na+ + HS-
HS-+ NaOH → H2O + Na+ + S2-
pKa [H2S / HS-] = 7
pKa [HS- / S2-] = 12,9

En effet NaOH n'existe pas en tant que molécule dans l'eau, et d'autre part tu devrais savoir que de telles constantes d'équilibre K_a ne font jamais référence ni à Na⁺ ni à NaOH, mais seulement à OH^-. Tes équations devraient donc s'écrire ainsi, sans référence à Na ou à Na⁺ :
H₂S + OH^- → H₂O + HS^-
HS^-+ OH^- → H₂O + S^2-
Et les pK_a correspondant seraient bien :
pK_a [H₂S / HS^-] = 7
pK_a [HS^- / S^2-] = 12,9.
Cette première erreur n'est donc pas très grave. Et elle est ainsi corrigée. Mais il y a pire, avec ce qui suit.

Secundo : Les constantes d'équilibre K_a (ou leur pK_a) se définissent en général en fonction des concentrations en solution. Pour la première constante, on a :
K_a1 = [HS^-][H₂O]/[H₂S][OH^-]

Le problème, c'est que la valeur [H₂S] qui intervient ici est la concentration de H₂S dans l'eau, et pas celle dans l'air, sauf si tu es en mesure de nous certifier le contraire. Et ceci tu ne le dis pas. C'est pourquoi nous ne pouvons pas t'aider !
Si [H₂S] désigne la concentration de H₂S en solution, comme je le subodore (mais j'aimerais bien en être sûr), il faudrait connaître le rapport entre la concentration en solution et la concentration dans l'air (qui est la valeur qui t'intéresse), c'est-à-dire la constante de Henry. Et je ne connais pas cette constante !

[invitec4829296]

Merci pour les précisions et les corrections.

En effet, je n'ai que la concentration dans l'air : je ne connais pas la concentration de l'H2S dans l'eau, ni le coefficient de transfert de l'air à l'eau.

Je ne peux pas faire de mesures car la station d'épuration en question n'est pas encore construite...

Je vais me renseigner pour voir s'il n'y a pas des données de terrain.

[invitecf700177]

hello

Henry pour H2S :

Kh(M/atm) = 0,087.exp(2100.(1/T-1/T0)

T0 = 298,15K

j'avais trouvé sur le net une revue biblio des constantes de la plupart des composés:
Compilation of Henry’s Law Constants for Inorganic and Organic Species of Potential Importance in Environmental Chemistry (attention il y a une erreur de signe corrigée dans un erratum) http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html

[invitec4829296]

J'ai trouvé la constante de Henry pour l'H2S ici:
k_H(à 25°C) = C_aq / P_gaz= 0,1 M/atm
pour convertir la constante de Henry en rapport de concentration, on utilise la formule suivante :
k^cc_H(à 25°C) = C_aq / C_gaz= k_H x RT
ce qui nous donne pour l'H2S : k^cc_H(à 25°C) = 2,445

Je comprends que à 25°C et 1 atm, si j'ai une concentration d'H2S dans l'air de 1 mol H2S/L, la concentration maxi dans l'eau sera 2,445 mol/L.
C'est ça ?

Dans mon cas, la concentration de l'H2S dans l'air est comprise entre 0,07 et 0,15 mol/m³ (2,4 à 5 mg/m³).

Cela donnerait donc une concentration dans l'eau entre : 0,18.10^-3 et 0,37.10^-3 mol/L soit 0,005 et 0,01 mg/L.
C'est très faible ! Je dois mal comprendre la constante de Henry.

[invitecf700177]

dans le gaz : 0,15mol/m3
1m3 d'air = 1,16kg (à la louche, à 25°C)
1mol d'air = 29g (à la louche) = 29e-3kg

d'où la concentration de H2S dans le gaz :
(0,15/1,16)*29e-3=3,75e-3mol/mol soit 0,375%mol

pression partielle de H2S (Ptot = 1atm = 1 bar à la louche)
PH2S = 1*3,75e-3 = 3,75e-3bar

concentration en solution :
[H2S] = kH * 3,75e-3 = 3,75e-4mol/L, ton calcul est bon. la quantité de H2S en solution est tres faible... et alors?

cela permet effectivement de trouver la concentration en H2S; les autres equibres acide/base doivent ensuite etre utilisé pour trouver les concentrations dans les autres espece HS- et S 2-

apres tu peux aussi tenir compte de la temperature (cf mon precedent post), la solubilité diminue quand la temperature augmente. kH = 0,1M/atm ca doit etre (à la louche) à 20°C

++

[invite2313209787891133]

Bonjour

Je ne comprend pas très bien ce que tu veux faire; pour ce type d'application on injecte de la soude sur un circuit d'eau qui tourne en boucle sur une tour de lavage (à garnissage ou à plateaux). On maintient un pH de 10/11; la régulation se fait toute seule et il n'y a pas de calcul de constantes à utiliser: 2 mole de NaOH neutralisent 1 mole de H2S.

l'utilisation des constantes n'est utile que si tu veux dimensionner le nombre d'étage nécessaire sur la tour.

[invitec4829296]

kH = 0,1M/atm ca doit etre (à la louche) à 20°C

j'ai utilisé la meme source que toi (http://www.mpch-mainz.mpg.de/~sander/res/henry.html) et c'est à 25°C.

la quantité de H2S en solution est tres faible... et alors?

Dès que la concentration d'H2S dans l'eau dépasse la concentration critique, l'abattement de l'H2S gazeux ne se fait plus.
Comme on recircule l'eau de lavage, il faut la renouveler souvent pour être sûr de ne jamais dépasser cette valeur.
Mais probablement que l'ajout d'ion OH^- (soude) modifie la valeur de Henry ou permet de maintenir la concentration d'H2S en-dessous du seuil.

Je ne comprend pas très bien ce que tu veux faire

J'essaye de comprendre pourquoi en théorie il faut 2 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S, alors qu'en réalité on consomme plutôt 5 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S...

[invite2313209787891133]

J'essaye de comprendre pourquoi en théorie il faut 2 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S, alors qu'en réalité on consomme plutôt 5 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S...

Parce que la tour de lavage est mal dimensionnée, donc il faut un large excès de soude pour déplacer l'équilibre pour piéger correctement l'H2S. Le problème viens de l'échange gaz/liquide qui n'est pas suffisant.

[invitecf700177]

Mais probablement que l'ajout d'ion OH^- (soude) modifie la valeur de Henry ou permet de maintenir la concentration d'H2S en-dessous du seuil.
J'essaye de comprendre pourquoi en théorie il faut 2 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S, alors qu'en réalité on consomme plutôt 5 moles de NaOH pour 1 mole d'H₂S...

la qtt de OH- ne modifie pas la constante de henry, mais le pH fixe le ratio des acides et bases conjuguées : à pH = 10-11, il n'y a pas beaucoup de H2S dissout mais plus de HS- et beaucoup de S 2-.
les qtt de ces 3 produits chimiques augmente (en meme temps, pH/ratio constant) a mesure que tu dissous du H2S gaz dans l'eau. quand la valeur donnée par l'equilibre H2S(diss) --> H2S(gaz) est atteinte, l'habileté de la solution à dissoudre du H2S est réduite.

travailler à pH basique permet de déprotoner H2S dissout. HS- et S2- ne donnent pas H2S gaz, mais H2S(dissout) oui. il faut qu il y ait une certaine qtt de H2S dissout (donnée par henry) pour avoir un degagement de H2S.

je ne sais pas, mais le facteur 5 au lieu de 2 peut simplement etre un facteur de sécurité.

++

[invitec4829296]

Parce que la tour de lavage est mal dimensionnée, donc il faut un large excès de soude pour déplacer l'équilibre pour piéger correctement l'H2S. Le problème viens de l'échange gaz/liquide qui n'est pas suffisant.

OK, merci.

J'avais trouvé le rapport 5 mol NaOH/1 mol H2S sur le site de l'ADEME... Si c'est une moyenne basée sur des retours d'expérience sur sites, j'en déduis que la majorité des laveurs sont mal conçus !

Pour le nombre d'étages, il faut utiliser les coefficients d'Antoine je crois ?
J'ai trouvé :
A=16,10
B=1768,69
C= -26,06

ce qui donne :
T (°C) Psat (mm Hg) Psat (Pa)
10,00 10143,77 1352390,82
20,00 13123,67 1749679,15

Je vais voir si j'arrive à avancer avec ça.

[invite0324077b]

J'avais trouvé le rapport 5 mol NaOH/1 mol H2S sur le site de l'ADEME... Si c'est une moyenne basée sur des retours d'expérience sur sites, j'en déduis que la majorité des laveurs sont mal conçus !

c'est comme d'habitude : la perfection n'est pas de ce monde

pour se contenter de la quantité de soude theorique il faudrait un tres grand laveur , trop cher !

comme la soude n'est pas un produit tres cher on prefere peut etre se contenter d'un laveur moins gros meme si ca consomme plus de soude

mais ta question est interressante : la conception d'une instalation neuve ne doit pas se faire uniquement en reproduisant ce qui se passe dans les instalation ancienne : si un laveur plus grand permet d'economiser un reactif , tu a raison d'y penser avant la construction !

persone n'a repondu non plus a l'autre question : est ce du au lavage precedent a l'acide , qui va evidament consommer de la soude si le laveur a l'acide n'est pas parfait et laisse sortir de l'acide !

autre question il y a peut etre beaucoup de CO2 dans ton air a epurer ce qui bouffera aussi de la soude

le lavage du H2S par la soude est il la meilleure solution ? : je pense au melange de lamming des ancienne usine a gaz : faire passer le gaz dans un melange de sciure de chaux et d'oxide de fer : ca absorbait le H2S

[invitec4829296]

la qtt de OH- ne modifie pas la constante de henry, mais le pH fixe le ratio des acides et bases conjuguées : à pH = 10-11, il n'y a pas beaucoup de H2S dissout mais plus de HS- et beaucoup de S 2-.
les qtt de ces 3 produits chimiques augmente (en meme temps, pH/ratio constant) a mesure que tu dissous du H2S gaz dans l'eau. quand la valeur donnée par l'equilibre H2S(diss) --> H2S(gaz) est atteinte, l'habileté de la solution à dissoudre du H2S est réduite.

travailler à pH basique permet de déprotoner H2S dissout. HS- et S2- ne donnent pas H2S gaz, mais H2S(dissout) oui. il faut qu il y ait une certaine qtt de H2S dissout (donnée par henry) pour avoir un degagement de H2S.

Est-ce qu'on peut calculer les concentrations maxi de HS- et S2- dans une solution à pH 11,5 et avec une concentration H2S(dissout) de 0,2.10-3 mol/L par exemple ? Ou manque-t-il encore des données ?

Merci