Interactions chimiques des tubes en polyéthylène avec les désinfectants en eau potable

Chemical interaction of PE pipes with drinking water disinfectants

¹ Centre de recherche de VEOLIA Environnement, Maisons-Laffitte, France
² Laboratoire Matériaux de VEOLIA Environnement, Caen, France
³ VEOLIA EAU Direction Technique, Saint Maurice, France

^∗ Auteur de correspondance : emmanuelle.gaudichet@veolia.com

Résumé

Distribuer une eau potable de qualité constante et conforme aux impératifs sanitaires constitue une des préoccupations majeures de VEOLIA EAU. Le respect de cette exigence implique à la fois une maîtrise des facteurs qui influencent la qualité de la ressource et une connaissance approfondie de l’état structurel des réseaux. Dans le cadre du consortium VEOLIA/Suez/Saur/ENSAM, il est clairement démontré depuis 2006 que le dioxyde de chlore présent dans l’eau distribuée consomme les antioxydants contenus dans le polyéthylène. Cette altération est ciblée en paroi interne sur le premier millimètre de tuyau en contact avec l’eau. Elle s’accompagne d’une oxydation du polyéthylène qui induit une fragilisation structurelle du branchement et explique les ruptures prématurées observées sur sites depuis 2003. Ce phénomène est accentué par la température, la pression et leurs variations dans le réseau. Cet article porte sur l’interaction chimique du polyéthylène avec le dioxyde de chlore et le chlore, et leurs conséquences respectives sur la tenue mécanique résiduelle du branchement. À partir d’essais à l’échelle pilote en conditions de vieillissement accéléré au dioxyde de chlore (70 mg.L^-1, 40 °C) et de prélèvements «terrain» sur des sites exploités en conditions moyennes d’utilisation (~0,5 mg.L^-1 ClO₂, 20 °C, 3 bar), un mécanisme de rupture mécanique d’un branchement PEHD en service a été établi et sert de base pour les futures expertises en routine. L’oxydation du polyéthylène par le chlore a été démontrée à l’échelle du laboratoire en conditions extrêmement accélérées (400 et 4000 mg.L^-1 de chlore). L’examen de prélèvements «terrain» exploité en conditions particulières (0,8–1 mg.L^-1 de chlore résiduel, 8 bar, T_eau = 25−27 °C) met en évidence des altérations semblables (couche oxydée et réseau de microfissures en paroi interne) à celles observées en présence de dioxyde de chlore en conditions moyennes d’exploitation. Le tube multicouche Excel Plus^®, élaboré en partenariat avec ALIAXIS R&D, ARKEMA et VEOLIA Environnement, offre une réponse concrète à l’action de ces désinfectants et se place comme un candidat pertinent pour le remplacement des branchements PEHD.

Abstract

Disinfection is crucial to secure drinking water supply from water treatment plants to consumer point of use. The residual disinfectant proportion is essential to eliminate micro-organisms and prevent their proliferation. Chlorine and chlorine dioxide are approved by Health regulation for French disinfection network processes. Chlorine was firstly used and remains the most current oxidant. The related disinfection agent is hypochlorous acid. It is generated in distributed water by reaction between chlorine (Cl₂) and sodium hypochlorite (NaOCl). Differently, chlorine dioxide is produced outside distribution systems from sodium chlorite (NaClO₂) and chlorine. The final ClO₂ molecule plays its disinfectant action. In summer 2003, polyethylene pipe breaks widely occurred on distribution systems operated with chlorine dioxide. From 2004 to 2007, a scientific partnership led by the French drinking suppliers revealed a polyethylene oxidation in contact with water disinfected with chlorine dioxide. This alteration is promoted by antioxidant consumption. The consequent polyethylene oxidation generates a general pipe embrittlement leading to premature ruptures on site. This phenomenon is enhanced by water temperature and pressure and their fluctuations in distribution systems. From this first diagnosis, VEOLIA chose to extend its survey on chlorine distributions systems. In average operational conditions (~0.5 mg.L^-1 chlorine concentration, 20 °C, 3 bar), no rupture was detected on the distribution districts. However, after more than 30 years in operation, a noticeable ageing was observed on the most aged polyethylene pipe. A second test campaign was targeted on networks operated under higher conditions (0.8–1 mg.L^-1 residual chlorine, 8 bar, water temperature from 25 to 27 °C). Results showed clearly a pipe alteration in contact with chlorine: pipe internal wall is oxidised with microfailures leading to rupture. This degradation mode is quite similar with previous observations on polyethylene pipe in contact with chlorine dioxide under average operational conditions. Excel Plus^® pipe, commercialised from 2008 by Glynwed (Aliaxis group), gives an industrial alternative solution to disinfectants action on polyethylene, also with chlorinated disinfectants. The good performances of this multilayer material were assessed via a partnership ALIAXIS R&D, ARKEMA and VEOLIA Environment.