Sciences · Chimie
Filtration et décantation
La décantation laisse un mélange hétérogène se séparer sous l’effet de la gravité ; la filtration retient les particules solides à travers un filtre. Ces deux techniques séparent les constituants d’un mélange hétérogène.
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Eau boueuse, huile et vinaigre, café et marc : ces mélanges sont hétérogènes, on y distingue plusieurs phases. Pour les séparer, inutile de chauffer : la gravité ou une simple barrière poreuse suffisent. Décantation et filtration sont les premières étapes du traitement de l’eau potable et des gestes quotidiens en cuisine. Elles ne permettent pas, en revanche, de séparer un mélange homogène comme l’eau salée, qui exige une évaporation ou une distillation. Vue d’ensemble dans la fiche mélanges et corps purs.
La décantation
Solide dans un liquide
Laissée au repos, de l’eau boueuse se sépare : les particules de terre, plus denses, tombent au fond et forment un dépôt ; l’eau du dessus devient plus claire. On récupère ensuite le liquide en le versant doucement (on dit le transvaser ou le soutirer) sans remuer le dépôt.
La décantation est lente pour les fines particules : de l’argile peut rester en suspension des jours. On l’accélère :
- par centrifugation : une centrifugeuse fait tourner les tubes à grande vitesse et multiplie l’effet de la pesanteur par des centaines ou des milliers ; elle sépare par exemple le plasma des cellules du sang ;
- par coagulation-floculation : dans les usines de potabilisation, on ajoute des sels d’aluminium ou de fer qui agglomèrent les particules en flocons plus lourds.
Deux liquides non miscibles
L’eau et l’huile ne se mélangent pas. Au repos, le liquide le moins dense surnage : l’huile (densité ≈ 0,92) au-dessus de l’eau. Au laboratoire, on utilise une ampoule à décanter :
- verser le mélange dans l’ampoule, robinet fermé, et la boucher ;
- agiter en dégazant régulièrement (robinet ouvert vers le haut) si une extraction est en cours ;
- laisser reposer sur un support jusqu’à séparation nette des deux phases ;
- ôter le bouchon, puis ouvrir le robinet pour recueillir la phase inférieure ;
- récupérer la phase supérieure par le haut.
L’ampoule à décanter sert aussi à l'extraction liquide-liquide : on transfère une espèce d’un solvant vers un autre dans lequel elle est plus soluble. C’est ainsi qu’on extrait par exemple le diiode d’une solution aqueuse avec du cyclohexane.
La filtration
Le matériel
| Matériel | Usage |
|---|---|
| Entonnoir et papier filtre plié | filtration simple par gravité |
| Büchner, fiole à vide et trompe à eau | filtration sous vide, rapide, pour récupérer un solide |
| Verre fritté | filtration de liquides corrosifs |
| Membranes à pores calibrés | microfiltration, stérilisation de liquides |
Le papier filtre se plie en quatre (cône) ou en accordéon (« filtre plissé ») pour augmenter la surface et accélérer l’écoulement. Ce n’est pas la finesse du papier qui compte seule : la taille de ses pores détermine ce qui est retenu.
Exemples courants
- Café : le filtre retient la mouture, le filtrat est le café.
- Thé en sachet : le sachet joue le rôle de filtre.
- Aspirateur, masque, filtre à air : séparation d’un solide et d’un gaz.
- Sable des stations d’épuration : de grands filtres à sable retiennent les particules résiduelles de l’eau décantée.
Ce que la filtration ne fait pas
Un filtre ne retient pas les espèces dissoutes. L’eau salée filtrée reste salée, et une eau limpide n’est pas forcément potable : sels, polluants dissous et une partie des micro-organismes traversent un filtre ordinaire. Seuls des procédés spéciaux comme l’osmose inverse, à travers des membranes aux pores de l’ordre du nanomètre, retiennent les ions.
Décantation puis filtration : la potabilisation de l’eau
| Étape | Technique | Ce qui est éliminé |
|---|---|---|
| Dégrillage, tamisage | filtration grossière | branches, déchets, poissons |
| Coagulation-floculation | ajout de réactifs | particules fines agglomérées |
| Décantation | gravité | flocs |
| Filtration sur sable | filtration | particules restantes |
| Charbon actif, ozonation | adsorption, oxydation | goût, odeur, micropolluants |
| Désinfection | chlore, ultraviolets | micro-organismes |
Récapitulatif des techniques de séparation
| Mélange | Exemple | Technique |
|---|---|---|
| Solide + liquide (hétérogène) | eau boueuse | décantation, filtration, centrifugation |
| Deux liquides non miscibles | eau + huile | ampoule à décanter |
| Solide dissous + liquide | eau salée | évaporation, cristallisation, distillation |
| Deux liquides miscibles | eau + alcool | distillation fractionnée |
| Plusieurs espèces dissoutes | colorants d’une encre | chromatographie |
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre filtrat et résidu ?
Le filtrat est le liquide qui a traversé le filtre. Le résidu est le solide retenu sur le filtre.
Peut-on séparer l’eau et le sel par filtration ?
Non : le sel est dissous, à l’échelle des ions, et traverse le filtre. Il faut évaporer l’eau ou la distiller.
Pourquoi l’huile flotte-t-elle sur l’eau ?
Parce qu’elle est moins dense que l’eau et qu’elle n’y est pas soluble. Les deux liquides forment deux phases, l’huile au-dessus.