Expérience scientifique : nettoyer une marée noire au collège (TPE)

Les marées noires sont des catastrophes industrielles et écologiques qui se traduisent par l'écoulement d'une nappe de pétrole ou autres types d’hydrocarbures. Contrairement à une idée reçue, les marées noires spectaculaires ne représentent qu'environ 10 % de la pollution pétrolière mondiale des océans. La majorité provient des rejets urbains et industriels quotidiens. Dans un précédent article, nous avons découvert ce que sont les marées noires : leurs causes, leurs conséquences et comment elles sont à l’origine de nombreux mouvements de protection de la nature.

Pourquoi faire une expérience en TPE sur la marée noire ?

Pour les enfants, ce ne sont pas des événements évidents à comprendre. Le mieux, c’est donc de mettre en pratique ! C’est pourquoi je vous propose aujourd’hui de réaliser 2 expériences scientifiques pour expérimenter « C’est quoi une marée noire ? ». Afin de mieux comprendre le phénomène de marée noire et ses conséquences, je vous propose de réaliser cette petite expérience scientifique !

Sommaire des expériences

  • Expérience 1 : C’est quoi une marée noire ? (simulation, observation, nettoyage)
  • Expérience 2 : C’est quoi une marée noire : les effets (oxygénation, corrosion)

Expérience 1 : C’est quoi une marée noire ?

Matériel nécessaire

  • Un verre d'eau
  • Une figurine de poisson et une autre d'oiseau (ou une bille, un caillou)
  • Un peu d'huile
  • Du liquide vaisselle
  • Un petit récipient vide
  • Une petite cuillère, du coton et des plumes

Protocole

  1. Vous allez placer le poisson dans le verre, comme s’il était dans la mer. L’oiseau, lui, reste à côté du verre.
  2. Un pétrolier vient de s’échouer et son pétrole se déverse dans la mer. Le verre d’eau représente la mer et l’huile le pétrole. Versez un peu d’huile dans le verre d’eau. Que se passe-t-il ?
  3. Observez : l’huile ne se mélange pas à l’eau. Elle forme comme une couche à la surface de l’eau. Il se passe exactement la même chose quand un pétrolier coule. Le pétrole étant plus léger que l’eau, il s’échappe du pétrolier et remonte à la surface.
  4. Que se passe-t-il pour le poisson ? Il ne peut plus remonter à la surface. S’il le fait, il avalera du pétrole ou peut y rester prisonnier. Quant à l’oiseau ? Si il se pose à la surface de l’eau pour venir pêcher, il s’englue dans la couche de pétrole en surface…
  5. Tentons de nettoyer cette marée noire ! Essayez alors d’utiliser les ustensiles à votre disposition (cuillère, coton, plumes) afin de récupérer le pétrole et sauver cet écosystème. Vous pouvez mettre le pétrole recueilli dans le petit récipient vide.

Observations et commentaires

Que constatez-vous ? Il est vraiment très difficile de récupérer la totalité du pétrole. On parvient à en récupérer un peu grâce à la cuillère et au coton. Quant à la plume, elle s’est retrouvée complètement recouverte. On comprend alors pourquoi les conséquences d’une marée noire sont un désastre aussi pour les oiseaux…

Ensuite, si le pétrole en surface n’a pas pu être récupéré, il finit par se dissoudre spontanément dans l’eau. Vous pouvez ajouter quelques gouttes de liquide vaisselle afin de simuler cette dissolution. En réalité, lors d’une vraie marée noire, pas besoin d’ajouter quoi que ce soit pour que le pétrole finisse par se dissoudre de lui-même. Que se passe-t-il alors ? Le pétrole se mélange avec l’eau. On continue d’observer de petites particules dans tout le verre.

Que se passe-t-il pour les animaux ? Tous les animaux marins risquent alors d’avaler du pétrole et de s’empoisonner avec. Avec le phénomène des courants marins, le pétrole se répartit dans l’eau et contamine une zone encore plus grande…

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Expérience 2 : C’est quoi une marée noire - les effets

Matériel

  • 2 verres transparents à moitié remplis d’eau
  • De l’huile
  • 2 clous non inoxydables neufs

Protocole

  1. Positionnez les 2 verres d’eau côte à côte et placez un clou dans chacun.
  2. Vous allez simuler une marée noire dans un des deux verres et imiter la présence de pétrole en surface de l’eau. Pour cela, vous allez verser un peu d’huile dans un seul des 2 verres, en faisant couler doucement l’huile sur son rebord. Vous pouvez en mettre une bonne épaisseur : environ 2 cm.
  3. Pendant 1 à 2 semaines, vous pouvez venir observer l’aspect des 2 clous.

Observations et explication

Que se passe-t-il ? Le clou du verre avec uniquement de l’eau commence à rouiller. Le clou du verre avec l’huile, simulant une marée noire, rouille beaucoup moins. Pourquoi ? Les objets en fer se mettent à rouiller suite à une réaction chimique entre le fer, l’eau et le dioxygène présent dans l’air. Avec la présence du pétrole en surface, le dioxygène de l’air peut moins bien passer dans l’eau. Ce qui expliquer pourquoi le clou rouille moins dans le verre « marée noire ». On comprend alors que lors d’une marée noire, la faune et la flore marines manquent d’air, et sont asphyxiées en plus d’être intoxiquées.

Que montrent ces expériences ?

Ces expériences simples illustrent plusieurs réalités décrites par la recherche et les interventions réelles : le pétrole forme une couche en surface, il empêche les échanges gazeux, il enrobe et immobilise les animaux, et il est difficile à récupérer intégralement. Malgré la mise en oeuvre de nombreuses techniques, les marées noires restent difficiles à contenir et ravagent nos côtes, l’écosystème marin, et déciment nombre d’animaux qui finissent englués dans l’or noir.

Techniques réelles de lutte et innovations prometteuses

On peut tout d’abord tenter de confiner la nappe et de récupérer le pétrole. On peut envisager de brûler le pétrole in situ pour s’en débarrasser. Encore faut-il que le pétrole contienne assez de composés légers et inflammables pour brûler facilement. De plus, cette technique pose des problèmes environnementaux et de sécurité par l'abondance des fumées qu'elle génère.

La dispersion chimique utilise des produits qui fragmentent le pétrole en gouttelettes pour favoriser sa dégradation par les bactéries naturelles. L'utilisation des produits dispersants peut effectivement présenter des risques pour l'environnement marin : la transformation du pétrole flottant à la surface en une multitude de fines gouttelettes de pétrole dispersées dans la colonne d'eau favorise le contact entre la vie marine et le pétrole. Depuis la malheureuse expérience du Torrey Canyon, les chimistes ont amélioré à la fois les produits et les façons de les mettre en oeuvre. Aujourd'hui, on est passé à des dispersants de "troisième génération", sans solvants aromatiques et plus concentrés en tensioactifs.

On a naturellement fait appel à la chimie pour aider la mer. La chimie n'est jamais à court d'idées et les scientifiques ont même voulu développer d'autres produits que les dispersants pour combattre les marées noires : absorbants, gélifiants, repousseurs, émulsifiants… pour ne pas tous les citer. Des matériaux absorbants servent à piéger les hydrocarbures en surface : tapis de polypropylène, tourbe, roche expansée, serpillières sur rouleaux (système américain Oil Mop). Les désémulsifiants permettent de décomposer les émulsions et favorisent la récupération du pétrole en séparant l'eau et l'huile. Les filmogènes réduisent l'adhérence du pétrole sur les solides facilitant ainsi les opérations de nettoyages.

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Bioremédiation et agents naturels

Des organismes marins participent également à la décomposition des molécules d'hydrocarbures. Elles absorbent certains hydrocarbures et les utilisent comme source d'énergie en s'installant sur les gouttelettes de pétrole. Agissant en surface, leur action est beaucoup plus efficace sur les microgouttelettes que sur les produits lourds. Leur multiplication massive lors d'une pollution importante peut s'effectuer au détriment d'autres espèces. La bioremédiation, c’est n’importe quel processus dans lequel les décomposeurs et les plantes vertes, ou même leurs enzymes, sont utilisés pour améliorer l’état des environnements contaminés.

Matériaux innovants : liège traité au laser et Oleo Sponge

Une équipe chinoise qui travaillait initialement sur des lasers pour graver dans le bois a découvert par hasard un nouveau moyen de lutter contre les marées noires. En essayant le même procédé sur du liège, ils se sont alors aperçus que l'écorce s'assombrissait. Cette altération suggère que le liège pourrait être photothermique, c'est-à-dire capable de convertir la lumière en chaleur. En utilisant un laser pour y créer de petites cavités, ils ont pu augmenter la capacité du liège à retenir la chaleur. Quand il est exposé à la lumière du soleil, il peut ainsi se réchauffer et liquéfier le pétrole avec lequel il entre en contact, et donc l'absorber plus rapidement.

Lors des tests en laboratoire, le liège traité au laser a absorbé le pétrole en seulement deux minutes, contre dix minutes pour celui non traité. Rapide, peu cher mais également respectueux de l'environnement : l'écorce de liège met dix ans à repousser après avoir été prélevée sur l'arbre. Yuchun He précise : «À ma connaissance, il n'existe presque aucun matériau absorbant le pétrole véritablement réutilisable.» En plus de sa propriété photothermique, son hydrophobie et son caractère oléophile lui permettent de séparer efficacement l'eau et le pétrole.

Aujourd'hui, un laboratoire américain pourrait avoir trouvé la solution pour sauver nos mers : le Laboratoire National d'Argonne a inventé une nouvelle mousse, appelée Oleo Sponge (éponge oléo), potentiellement capable d'absorber le pétrole présent dans l'eau, y compris les hydrocarbures présents sous la surface. Le matériau, réutilisable, permet d’absorber le pétrole et de le restituer pour qu'il soit à nouveau réutilisable. À l’aide de nanostructures et d’une méthode appelée « Synthèse d’Infiltration Séquentielle », le matériau devient capable d’enfermer les molécules d’hydrocarbures. « Le matériau est extrêmement robuste. Nous avons exécuté des dizaines à des centaines de tests, essorant à chaque fois le matériau, qui a résisté à chaque fois, mais a aussi absorbé le pétrole de façon concluante », a affirmé Seth Darling.

Nettoyer : que peut-on retenir pour un TPE ?

  • Le meilleur nettoyage reste la prévention. Grâce aux satellites de surveillance et aux accords internationaux comme la convention MARPOL, les accidents ont diminué de 90 % depuis les années 1970.
  • Lorsque le pétrole s'est déversé dans le milieu marin, il convient d'entreprendre au plus vite toutes les actions nécessaires visant à réduire l'impact de la pollution, notamment l'impact à long terme.
  • La première manière d'empêcher des dégradations côtières est d'empêcher le pétrole de les atteindre : récupérer le pétrole en mer avant qu'il atteigne les côtes ou installer des barrages de surface près des zones sensibles.
  • La dispersion reste aujourd’hui une technique privilégiée pour lutter contre les marées noires et en réduire l’impact environnemental. Elle ne les fait pas disparaître, mais, en douceur, elle aide la nature à s’en défaire.

Activité pédagogique bonus et prolongement

Ces expériences très simples peuvent être réalisées en classe pour sensibiliser au phénomène et montrer concrètement les effets du pétrole sur les organismes. Pour aller plus loin et aborder de manière ludique la thématique de la pollution, découvrez le kit éducatif « La pollution sous toutes ses formes » ! Ce kit éducatif est composé de 2 kits disponibles (3-6 ans et 6-10 ans), des explications ludiques en vidéo, des fiches illustrées, 4 expériences scientifiques, 1 exercice-jeu « Les bons gestes », 1 activité manuelle et un quiz.

Lire aussi: Comment réaliser des expériences de fluorescence en laboratoire

Les marees noires - C'est pas sorcier

En complément

Pour en savoir plus sur les causes et les conséquences d'une marée noire, et répondre à la question « C’est quoi une marée noire ? » avec des mots d’enfants, vous pouvez aller lire l’article « Marée noire : définition et explication ludique ». Heureusement, même si les conséquences sont catastrophiques sur la faune et la flore, les marées noires restent rares. De plus, quand elles se produisent, des secours sont très vite mobilisés afin d’en limiter les dégâts.

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