L'utilisation d'anodes en aluminium pour protection des réseaux d'eau chaude

La protection électrolytique des réseaux, par anodes sacrificielles en aluminium, est un procédé ancien (1924) dans son principe, qui permet de passiver les surfaces métalliques contre la corrosion et de limiter l’entartrage. La teneur en aluminium, dans l’eau, reste inférieure à 0,5 mg/l, conformément à la réglementation en vigueur. Le procédé PVI/R 500 est régi par microprocesseur et il intègre la consommation d’eau en temps réel ; en outre, il assure la protection cathodique des ballons car il comporte des anodes permanentes en alliage spécial. De nombreux travaux de recherche ont démontré que les hydroxydes d’alumine formés dans l’eau, absorbés par voie buccale, n’étaient pas toxiques pour l’homme.

Le traitement de l’eau par dissolution d’aluminium, appelé également protection électrolytique par anodes sacrificielles (ou consommables) en aluminium, a été inventé par l’ingénieur danois Alfred Guldager vers 1920. Les premières installations datent de 1924.

Le procédé fut breveté au Danemark en 1932, en France en 1934 (où les premières installations naquirent en 1938), en 1951 en Allemagne et en Suisse, puis en 1952 en Belgique.

Définitions

La protection électrolytique par anode sacrificielle en aluminium résulte d’un processus électrochimique qui entraîne la dissolution progressive de l’anode, dans le but de former un oxyde métallique hydraté qui, au contact de l’eau, va engendrer l’élaboration d’une substance colloïdale qui sera entraînée dans le système et assurera le rôle d’inhibiteur cathodique.

L’anode sacrificielle en aluminium, à courant imposé, constitue l’essence du procédé. La dissolution sous l’action d’un courant électrique entraîne la formation d’un oxyde d’alumine hydraté en suspension colloïdale. Elle permet également la protection cathodique du volume dans lequel elle est montée, ou du métal sur lequel elle repose.

Le système de protection électrolytique a été développé essentiellement pour la protection des réseaux d’eau chaude sanitaire bouclés ; néanmoins, d’autres applications ont été testées avec succès : en circuits fermés de chauffage ou de refroidissement, en réseaux d’eau chaude sanitaire non bouclés (sous certaines conditions), comme procédé déferriseur, etc.

Principes

Le traitement vise à passiver les surfaces métalliques situées au contact de l’eau lorsque, en raison d’un chauffage ou pour toute autre raison, la corrosivité ou au contraire la tendance à l’entartrage sont devenues excessives pour garantir un usage normal des installations.

Lorsque l’eau est entartrante dans les conditions du milieu environnant, elle se caractérise par un excès de bicarbonates de calcium, par rapport à la quantité d’anhydride carbonique (CO₂) dissous dans l’eau. Une telle eau génère des dépôts structurés incrustants dont la croissance n’est limitée naturellement que par l’accès à un nouvel équilibre qui, dans un circuit ouvert comme un réseau d’eau chaude sanitaire, n’est jamais atteint à cause du renouvellement permanent de l’eau. Dans ce cas, les oxydes d’aluminium hydraté n’interviennent pas directement dans l’équilibre calco-carbonique de l’eau ; ils agissent dans la phase de nucléation et d’adsorption des molécules de carbonate de calcium en déstructurant et en floculant l’agglomérat. Ce rôle, s’il fut découvert en premier, constitue néanmoins un effet secondaire par rapport à l’action anti-corrosion pour laquelle le procédé électrolytique est plus connu.

Lorsque l’eau est agressive, elle présente un excès d’anhydride carbonique par rapport à la concentration des sels incrustants : une telle eau n’entraîne donc pas de dépôt carbonaté. Pour s’équilibrer, elle devra dissoudre les matériaux sur lesquels elle s’écoule. Une eau agressive est généralement corrosive, mais l’inverse n’est pas vrai : la corrosivité d’une eau est sa propension à attaquer une structure métallique ; de très nombreuses eaux entartrantes sont corrosives (eaux riches en oxygène, en chlorure, en sulfate, etc.).

Traitement électrolytique par la dissolution d’un oxyde d’aluminium hydraté ajoute à l’eau un composant anionique, sous forme colloïdale, qui va s’intégrer dans les couches protectrices et ainsi empêcher la diffusion de l’oxygène jusqu’à la surface métallique et, par ses qualités isolantes, empêcher le transfert des électrons.

La protection est à la fois anodique et cathodique. L’amorce de la corrosion, par la réaction :

H2O + 1/2 O2 + 2e^- → 2OH^-

ne peut avoir lieu.

L’utilisation d’anodes en aluminium, ses aspects réglementaires

Les anodes

Les anodes en aluminium utilisées pour des eaux destinées à la consommation humaine doivent répondre à des caractéristiques très précises : elles doivent être de qualité A5 dont les spécifications sont données par la norme NF A50-451 :

La pureté de ces anodes est supérieure à celle des instruments de cuisine en aluminium, qui répondent à la norme NF A 57-105.

L’eau traitée

Le décret n° 89-3 du 3 janvier 1989 précise les conditions d’utilisation des traitements électrolytiques avec anodes en aluminium pour les eaux destinées à la consommation humaine dans son Annexe 1.B.3. :

Aluminium total < 0,2 mg/l (Al) (à l’exception des eaux ayant subi un traitement thermique pour la production d’eau chaude, pour lesquelles la valeur de 0,5 mg/l (Al) ne doit pas être dépassée).

Le Guide Technique n° 1 bis du Ministère de la Santé : Qualité des installations de distribution d’eau destinée à la consommation humaine à l’intérieur des bâtiments (publié le 8 mars 1993) reprend ces données en 7.2.1.2, p. 22, et précise que la dissolution de l’aluminium doit être effectuée par courant imposé.

La réglementation européenne n’existe pas encore. Il est vraisemblable que la valeur 0,2 mg/l (Al) constituera le seuil à ne pas franchir, quelle que soit l’origine de l’aluminium rencontré.

Le suivi du procédé électrolytique dans ses applications sanitaires

Le DTU 60-1 (additifs 4 et 5) impose un suivi des installations de traitement d’eau par le fabricant. Celui-ci doit être titulaire d’un Avis Technique et se soumettre à des contrôles réguliers des sites de fabrication et d’utilisation.

L’Avis Technique, après instruction du dossier, est formulé par le Groupe spécialisé n° 15 du CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment).

Le procédé électrolytique Guldager dans sa conception initiale

Ce procédé est destiné au traitement de l’eau chaude sanitaire dans un réseau bouclé sur des capacités de stockage, dans lesquelles seront installées les anodes en aluminium. Il associe la protection cathodique des capacités de stockage et le traitement électrochimique de l’eau par dissolution des anodes en aluminium.

Les anodes sont installées dans les ballons de production ou de stockage d’eau chaude. Les barreaux d’aluminium sont polarisés anodiquement par connexion externe au pôle + d’une source de courant à très basse tension, dont le pôle – est connecté à la masse métallique de la capacité de stockage.

Sous l’effet du courant qui traverse l’eau, l’aluminium se dissout en formant de l’hydroxyde d’alumine hydraté sous forme colloïdale.

Les réactions sont les suivantes :

Réactions anodiques :
Al → Al^3+ + 3e^-
Al^3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H^+ (pH à l’anode : 3,5)

Réaction cathodique :
O2 + 2H2O + 4e^- → 4OH^-

Cette réaction diminue faiblement la concentration en oxygène de l’eau du ballon.

La dissolution des anodes en aluminium est corrélée à la consommation d’eau de façon à obtenir une teneur située entre 0,1 et 0,5 mg/l d’Al dans l’eau. Cette forme d’alumine va former un dépôt protecteur sur la surface interne des tuyauteries, d’une épaisseur égale ou inférieure à 0,1 mm.

Ce procédé est capable de protéger des réseaux de distribution réalisés en acier galvanisé ou cuivre contre corrosion et entartrage.

Action contre la corrosion

En ajoutant un écran supplémentaire d’hydroxyde d’alumine aux couches de métal oxydé sous-jacentes, on forme un film qui possède un rôle d’inhibiteur cathodique, en diminuant l’accessibilité de l’oxygène d’un facteur 20 à 30. La fixation du film est favorisée pour les charges ioniques positives qui se rencontrent sur les différentes formes polymérisées de l’oxyde d’aluminium en milieu aqueux et par l’adsorption des particules sur les parois des canalisations (aspect anodique de la protection filmogène).

En présence d’acier galvanisé, les couches d’oxydation du Zn se forment de manière progressive et uniforme sans que des impuretés issues de la circulation d’eau interviennent (figure 1).

Ce film intègre la couche protectrice comportant des ions Ca^++ et des molécules plus ou moins oxydées comme il est mentionné plus haut. L’assemblage des molécules débute en phase aqueuse et se caractérise par une polymérisation linéaire d’un faible nombre de molécules dans un gradient de pH de 3 à 4,5 au voisinage de l’anode. Le nombre critique se situe au-delà d’une vingtaine de molécules ; lorsque la charge anionique ne permet plus la diffusion des polymères, nous obtiendrons alors des agrégats qui précipitent sous forme de boue.

Action contre l'entartrage

La protection électrolytique n’empêche pas la formation de nucléons de carbonate de calcium et, au contraire, elle la favorise sur les surfaces cathodiques sous forme amorphe. Dans des eaux moyennement entartrantes, la présence de polymères d’hydroxyde d’alumine permet une floculation rapide de ces structures dans les zones de moindre circulation : les ballons. Des purges d’extraction régulières sont alors nécessaires pour éliminer ces boues non structurées.

Ses avantages

Les avantages du procédé découlent directement du mode de fonctionnement du système :

• • le ballon est directement protégé par la protection cathodique. Celle-ci est actuellement le seul procédé actif et contrôlable qui garantisse la pérennité des capacités de stockage ;
• • le réseau est protégé par la mise en circulation des polymères d’hydroxyde d’alumine hydraté qui vont intégrer une structure filmogène sur les parois ;
• • les anodes sont installées dans les ballons et leur masse est calculée en fonction de la loi de Faraday :

          Q = I · PA · t
              -----------
                 F · V

  avec Q : consommation d’aluminium,  
  F : 96 500 Cb, PA : poids atomique, V : valence, t : temps.

Si bien que leur remplacement a été optimisé à une fois par an. Entre deux changements d’anodes, aucune intervention sur l’unité de traitement n’est nécessaire.

Ce procédé permet de s’affranchir d’un adoucisseur dans le cas où l’on ne recherche pas une dureté spécifique.

Ses inconvénients

Jusqu’en 1987, la formation de boue a constitué l’inconvénient majeur de ce procédé. Sa propension à créer une quantité de boues d’hydrate d’alumine + carbonate de calcium qui s’accumulent dans les ballons et dans la boucle de circulation peut générer des obstructions lorsque la circulation est mal équilibrée, ce qui est fréquent sur d’anciens réseaux fortement ramifiés.

Un autre inconvénient réside dans les limites d’utilisation du procédé en fonction de la qualité de l’eau. Pour des eaux faiblement minéralisées dont la proportion de sulfates est importante par rapport aux autres sels, la floculation est importante et les polymères sont très rapidement déstructurés. La couche protectrice ne peut ainsi être réalisée. L’expérience montre que le procédé électrolytique reste efficace dans des eaux dont le TH naturel < 15 °f tant que se vérifie le rapport :

          [SO4²⁻] mg/l
          ------------  < 1
          [HCO3⁻] mg/l

En France, cela concerne principalement les régions dont l’eau est peu minéralisée et où la floculation par sulfate d’alumine dans les stations de potabilisation est mal maîtrisée en période estivale, vu l’afflux de population.

La pondération volumétrique informatisée (PVI) : évolution et particularités

Contrairement aux systèmes antérieurs, le procédé PVI/R 500 traite séparément les deux fonctions : « conditionnement de l’eau » et « protection cathodique », cette formule étant avant tout liée à la production de la seule forme active de l’hydroxyde d’aluminium. Elle permet d’éviter tout sous- ou surtraitement et assure en toute sécurité la protection cathodique.

Le conditionnement est basé sur le principe de proportionnalité : la prise en compte de la consommation d’eau exacte permet une adéquation du dosage très affinée de l’aluminium en fonction de la variation des caractéristiques physico-chimiques de l’eau. Il en résulte une diminution des quantités d’aluminium consommées et rejetées.

D’autre part, l’évolution de la législation vers des textes de plus en plus contraignants sera parfaitement respectée. Bien que l’aluminium ne présente aucun caractère de toxicité, surtout aux doses nécessaires à la protection des réseaux de distribution, il apparaît évident qu’un contrôle précis du dosage ne peut que favoriser l’application du traitement et ses résultats.

L’appareil permet, grâce à un système de statistiques sur sept jours, de vérifier le fonctionnement du traitement.

La protection cathodique est assurée par des anodes permanentes dont le courant d’alimentation est régulé automatiquement par une électrode de référence (brevet Procath). Cette dernière mesure en permanence le potentiel à la paroi et commande l’injection de courant nécessaire et suffisant pour atteindre le potentiel de protection du métal.

L’appareil PVI/R 500 comprend les éléments suivants :

• • coffret de commande électronique,
• • débitmètre à lecture électronique,
• • électrode de référence.

La construction anodique en aluminium est réalisée avec des axes de suspension et d’assemblage ; les anodes permanentes comportent de même les axes de suspension, supports et pièces d’assemblage. Il est destiné à remplacer tous les procédés

antérieurs. Dans tous les cas où il y a pluralité de réservoirs, il n’équipera qu’un seul réservoir de la série (le dernier) : les autres réservoirs seront alors munis d’une protection cathodique avec anodes permanentes.

Du fait de cette conception, l’aluminium n’est utilisé que pour la protection des canalisations.

Ses avantages

Les procédés électrolytiques antérieurs, lorsqu’ils étaient utilisés avec des eaux entartrantes, produisaient une quantité de boues élevée. En développant la PVI, l’objectif était d’obtenir une précipitation au fond des ballons qui ne soit plus significative dès lors que les conditions d’utilisation sont respectées et que le traitement est suivi régulièrement.

L’utilisation de l’électrode de référence, pour contrôler l’efficacité de la protection cathodique des ballons permet de les garantir pour dix ans au minimum. Dans ce cas précis, la garantie du traiteur d’eau succède à celle du fabricant de ballons. On peut ainsi envisager d’équiper les capacités de stockage dès leur construction. La maintenance est encore réduite par rapport aux procédés antérieurs, le remplacement annuel des anodes ne concernant plus que le dernier ballon.

D’autre part ce procédé de traitement d’eau anticorrosion est le seul qui protège à la fois les capacités de stockage et les réseaux (1).

Ses inconvénients

Comme tous les traitements d’eau, le procédé ne peut compenser une mauvaise hydraulicité ou un défaut du système à protéger et il doit être contrôlé régulièrement ; en particulier les réglages doivent être réalisés en fonction des caractéristiques de l’eau utilisée.

Comparaison avec les autres traitements d’eau chaude sanitaire

Le rôle antitartre de la PVI/R 500 n’a rien de comparable avec celui d’un adoucisseur : puisqu’il n’existe pas de permutation ionique. Les molécules de CaCO₃ sont précipitées sous forme non incrustante au fond des ballons, par floculation. L’adoucisseur sera l’heureux complément de la PVI pour les eaux fortement entartrantes.

La PVI/R 500 s’apparente plus aux procédés filmogènes classiques par injection de produit liquide à partir d’un groupe de dosage proportionnel :

(1) Ce procédé bénéficie de l’Avis Technique n° 15/83-100 d’avril 1987.

• – elle est aussi efficace dans les réseaux que les procédés phosphate/zinc, pour lutter contre la corrosion, avec l’avantage d’être utilisable en eau minéralisée notamment chlorurée,
• – elle est aussi efficace que les procédés au polyphosphate pour limiter l’entartrage, mais son mode d’action est différent,
• – aucun traitement filmogène ne protège les capacités de stockage (les ballons) contre la corrosion, quelle qu’en soit son origine. Seule la protection cathodique du ballon, un revêtement efficace dans le temps ou l’utilisation d’un alliage non corrodable, le permettent.

Influence de l’utilisation de l’aluminium sur la santé

Des chercheurs des laboratoires Kettering (Université de Cincinnati – USA – 6/71) ont procédé à des absorptions d’Al par voie buccale dans une proportion supérieure à 100 fois la dose normale (10 à 100 mg par jour).

L’aluminium est éliminé presque complètement dans le tractus digestif. Seule une très faible partie passe dans le sang et est éliminée par les reins. Le foie en renvoie une très faible dose dans le tractus digestif par la bile. On en trouve également dans le lait maternel.

Apparemment les barrières d’absorption dans les tractus digestifs et respiratoires empêchent la distribution d’aluminium dans les tissus humains, en dépit de l’abondance de cette substance dans l’environnement naturel.

Dans ses éléments de pharmacologie, M. Schmitt précise que Al(OH)₃ est non toxique pour des absorptions journalières de 2 à 20 g. Dans son précis de toxicologie, E. Kohn considère que la toxicité moyenne des sels d’aluminium solubles peut être évaluée à 0,30 g/kg/j soit pour un individu de 70 kg : 21 g/j. En 1982, l’Institut Pasteur confirme utiliser 1,25 g d’Al dans son vaccin Hevac B et que ce produit n’est absolument pas toxique en injections intramusculaires, conclusion confirmée par leurs homologues américains. En 1982, des teneurs anormalement élevées d’aluminium sont découvertes par des chercheurs américains dans les neurones de personnes décédées de la maladie d’Alzheimer (Daniel Perls, Vermont University, Arnold Brody R.T.P. North Carolina). La teneur relevée dans les tissus étudiés était 12 fois supérieure à celle des neurones d’une personne saine : 2,10© g.

D’autres travaux américains (Platts 1977, 1984 et Ward 1978) ont montré que des eaux de dialyse fortement chargées en aluminium entraînent chez le patient des problèmes osseux de décalcification.

En 1982, E. Fournier (Université Lariboisière Saint-Louis de Paris) fait la synthèse des connaissances du moment : il en découle que les sels d’aluminium introduits par voie orale ne sont absolument pas toxiques jusqu’à des doses de 40 mg/kg/j d’Al, sauf pour les patients victimes d’un dysfonctionnement rénal. Les problèmes viennent surtout des interactions entre l’aluminium et le phosphore dans l’organisme.

La corrélation entre la teneur élevée en aluminium dans l’eau de dialyse et certaines encéphalopathies des insuffisants rénaux est toujours retenue par les auteurs.

La maladie d’Alzheimer est caractérisée en particulier par l’apparition dans certaines cellules nerveuses de très gros faisceaux de neurofibrilles présentant une structure hélicoïdale (dégénérescence neurofibrillaire). Or, l’injection intraventriculaire ou intracérébrale de sels d’aluminium – réalisant des concentrations énormes (intoxications subaiguës) – provoque des anomalies neurofibrillaires du même type. Il était donc tentant de rapprocher la maladie d’Alzheimer d’une « intoxication subaiguë par l’aluminium ». En réalité, chez les animaux traités les lésions s’observent dans tout le système nerveux, alors que celles de la maladie d’Alzheimer ne se retrouvent que dans certaines populations cellulaires. Et dans cette maladie, le nombre des neurones et leur teneur en silicium sont aussi différents que ceux des sujets normaux, ce qui implique une disposition individuelle particulière.

Au cours de l’encéphalopathie des hémodialysés avec élévation du taux d’aluminium cérébral, la dégénérescence neurofibrillaire n’apparaît pas, alors que les résultats d’une véritable intoxication par sels d’aluminium paraissent démontrés.

Concernant l’aluminium, il faut toujours revenir au fait qu’il s’agit d’un ion métallique, probablement utile à la vie, lié spécifiquement à certaines structures enzymatiques, ayant en outre une affinité non spécifique pour les biomolécules acides comme les acides nucléiques pour mieux comprendre les phénomènes invoqués. Il n’est pas possible de parler d’une carence en aluminium du fait de besoins vraisemblablement minimes et de

l’extrême diffusion des sels d’aluminium.

Il n’est pas possible de parler de toxicité de faibles doses de l’aluminium car il est mal absorbé. En raison d’un champ électrique intense, l’ion aluminium traverse difficilement les structures membranaires, digestives en particulier ; et il n’existe pas de protéine de transfert pour ce métal comme pour le fer ou le cuivre. Mais, injecté dans le sang, l’ion aluminium se fixe fortement sur les molécules protéiniques et, au-delà d’un taux de sécurité, la concentration plasmatique permet le passage dans le système nerveux.

L’osmose inverse à double étage constitue la meilleure barrière pour les dialysés.

En 1992 le Docteur Frank Watt (Oxford University) et ses collaborateurs démontrent que l’aluminium découvert dans le cerveau des autopsiés décédés de la maladie d’Alzheimer provient d’une contamination des laboratoires. L’aluminium est présent dans la poussière des laboratoires et dans les produits servant à la préparation des tissus cérébraux.

Les quantités d’aluminium absorbées par voie orale ne présentent pas de toxicité (Rappel : l’eau traitée par procédé électrolytique contient une teneur : < 0,5 mg/l).

Conclusion

Le procédé électrolytique de traitement des eaux sanitaires par dissolution d’une anode en aluminium associé à la protection cathodique des ballons de distribution à l’intérieur des bâtiments par anode permanente, est à considérer comme partie intégrante du réseau et constitue un système de protection préventif. Sa mise en œuvre, une fois les désordres constatés permettra dans bien des cas de stopper les phénomènes de corrosion ou d’entartrage, mais ne pourra suppléer à des anomalies de conception, d’exécution, de maintenance ou à des modifications des caractéristiques hydrauliques du réseau liées à son vieillissement :

• • rétrécissement des diamètres de passage localisés ou généralisés,
• • usures des pompes, des clapets antiretour, etc.,
• • défaillance des purgeurs d’air,
• • mise en place de mitigeurs dans les appartements.

Une technologie telle que celle-ci, ne donnera d’excellents résultats que si les utilisateurs ont conscience que toute installation doit être suivie dans le temps et que de son entretien dépend sa pérennité.

Si nous considérons l’eau comme un vecteur ou un solvant, sa connaissance analytique sur chaque site traité est indispensable, et son suivi dans le temps et dans l’espace (en différents points de l’installation) permettra de modifier et d’affiner les réglages des paramètres de fonctionnement de la PVI R 500.

Les concentrations d’aluminium après traitement électrolytique dans les eaux destinées à la consommation humaine ne présentent pas de toxicité.

Bibliographie

Amélioration d’un traitement électrolytique de l’eau par une commande automatique Réalisation Industrielle. Thèse du Docteur Ingénieur en Électronique P. Raymond, 1987.

Notes personnelles : M. Baagoe (PDG de Guldager Electrolyse depuis 1969).

Notes personnelles : M. Bourgeois (Directeur Technique de Guldager de 1970 à 1992).

Electrochemical Protection of Domestic Hot and Cold Water System, publication de R. Juchniewicz, J. Jankowski, J. Szukalski, Université Technique de Gdansk - Pologne 1991.

Guldager Electrolyse International, notice n° 5 octobre 1971.

Avis Technique Guldager Electrolyse, PVI n° 15/86-100 d’avril 1987.

L’aluminium dans l’alimentation humaine, par E. Fournier, C. Chambaux, C. Bourgeois, L. Fournier (Paris, juillet 1982).

Travaux du Dr F. Watt et de ses collaborateurs, publiés dans Nature (Oxford University, 1992).