Contribution au dosage IR-Turbidimétrie en ligne

Transcription

Annexes
Annexes I
ANALYSEURS SANS REACTIFS
Les analyseurs ABB instrumentation, Awa instrumentation et Datalink font partie de la
catégorie des analyseurs réalisant une mesure à une ou plusieurs longueurs d’onde
prédéterminées alors que ceux de EFS, Hocer, Secomam et Tethys Instruments sont dans la
catégorie des analyseurs effectuant une mesure de l’ensemble du spectre. Ces derniers ont un
potentiel plus important car ils permettent en exploitant l’ensemble du spectre de déceler des
anomalies et ainsi de mettre en place des alarmes en fonction de l’évolution du spectre dans le
temps (fingerprint).
La conception des analyseurs ABB fait qu’ils ne peuvent être utilisés que sur des canalisations
(application à la production d’eau potable principalement).
En ce qui concerne les paramètres mesurés, les analyseurs de Secomam permettent de
déterminer les concentrations en nitrates, matière organique (COD, DCO, DBO) et MES.
Les analyseurs Awa et Datalink sont généralement monoparamètre ce qui nécessite de
disposer de plusieurs analyseurs pour mesurer la DCO, la chlorophylle, les HAP et les
nitrates.
Figure : Exemple d’analyseurs en ligne sans réactif permettant la mesure des paramètres
physico-chimiques, des nitrates, de la matière organique, de chlorophylles, d’hydrocarbures et
HAP.
Annexes
Un des avantages des analyseurs proposés par EFS (Optilis 301), GO Elektronik (MPS),
Hocer (Aquapod light) et Tethys Instruments (UV 500), est qu’ils ont la possibilité d’intégrer
des capteurs pour la mesure des paramètres physico-chimiques permettant ainsi d’obtenir un
système complet de mesure similaire à une station intégrée. Enfin, l’analyseur de Hocer, bien
que présentant la possibilité de coupler la mesure UV avec une extraction sur cartouche (avec
utilisation de solvant) pour pré-concentrer les micropolluants et éliminer la matrice de
l’échantillon, a une plage d’absorbance moins étendue que les autres analyseurs (200-400 nm
contre 190- 720 nm).
Il est important de noter, que bien que ces analyseurs ne nécessitent pas de réactifs pour
déterminer les concentrations des espèces recherchées, les systèmes de nettoyage des cellules
optiques et le zéro sont réalisés généralement au moyen d’une solution d’acide diluée et d’eau
distillée (remplacement tous les 1 à 4 mois selon la fréquence de mesure et selon le type
d’analyseur).
Annexes
ANNEXE II
ANALYSEURS EN LIGNE AVEC REACTIFS
1. NUTRIMENTS:
En ce qui concerne les nutriments, il existe 4 principes de méthodes différents : la
colorimétrie, la potentiométrie (avec électrodes sélectives) la titrimétrie et la mesure par UV
après un prétraitement.
La mesure des nitrites, des nitrates et de l’azote total peut se faire soit par colorimétrie, soit
par potentiométrie (avec une électrode sélective) ou encore par titrimétrie. Pour l’ammonium
et l’azote total, la mesure peut aussi être réalisée par détection UV après ajout de soude ou
oxydation respectivement.
La mesure des phosphates et du phosphore total est effectuée par colorimétrie.
Il est important de noter que certains appareils sont monoparamètre et d’autres
multiparamètres (2 à 4 paramètres principalement).
Le Tableau 5 liste les fabricants d’analyseurs en ligne avec réactifs pour chaque composé et
par méthode utilisée.
2. MATIERE ORGANIQUE:
Il existe un nombre assez important d’analyseurs en ligne pour la détermination du carbone
organique (dissous ou total), principalement basé sur une oxydation de la matière organique
(chimique à froid ou à chaud, avec UV, thermique) et une détection Infrarouge. Les
fabricants principaux sont 3S Water Analyzers, Applikon Analytical (Metrohm), Applitek,
Bran+Luebbe, Endress Hauser, Environnement SA, GE Instruments, Hach Lange, LAR
(Anael), O I Analytical, Pollution Control Systems, Pollution & Process Monitoring, Seres
Environnement, Swan, Systea. Certains appareils sont particulièrement dédiés aux eaux ultrapropres comme l’ANATEL PAT700 d’Hach Lange ou l’AMI Line TOC de Swan avec une
gamme de 0.001 à 1 mg/L.
En ce qui concerne la DCO, 9 instruments ont été inventoriés, fabriqués par Applitek,
Applikon Analytical (Metrohm), Aquadiagnostic, Datalink, Endress Hauser, Hach Lange,
LAR, Seres Environnement, Systea.
Enfin, pour la DBO, Applitek, Biosensores et Endress Hauser ont développé un analyseur en
ligne utilisant la méthode par respirométrie. L’analyseur d’Optosens utilise un biocapteur
avec une fibre optique pour déterminer la DBO et Hach Lange propose une mesure indirecte
par corrélation avec le carbone organique.
3.MICROPOLLUANTS ORGANIQUES
Les analyseurs en ligne pour les micropolluants organiques tels que les hydrocarbures, sont
basés sur une étape d’extraction suivie d’une détection optique. 3S Water Analyzers, Arjay,
Environnement SA, Horiba et Seres Environnement proposent des analyseurs de ce type pour
la détermination des hydrocarbures. HOCER propose un appareil, le SPE-AquaPod, qui
Annexes
permet de déterminer divers polluants organiques par détection UV après extraction sur
cartouche SPE.
4. METAUX:
Les principes de mesure des analyseurs en ligne pour la détermination des métaux sont la
colorimétrie, la titrimétrie, la potentiométrie (avec électrodes sélectives) et la
voltampérométrie. Les trois premières techniques sont adaptées à des teneurs de l’ordre du
mg/L alors que la voltampérométrie permet de mesurer des concentrations de l’ordre du
μg/L.
Par ailleurs la voltampérométrie présente l’avantage d’être une technique multi élémentaire,
par comparaison aux autres méthodes qui ne permettent d’analyser qu’un seul métal à la fois.
Les fabricants d’analyseurs en ligne d’appareils basés sur la voltampérométrie sont Applitek
(Mesureo), Applikon Analytical (Metrohm), SensAqua (Aquaco), Cogent Environment
(Mesureo) et ELTA.
Les fabricants d’analyseurs en ligne d’appareils basés sur la colorimétrie sont 3S Water
Analyzers (Awa instruments), ABB Instrumentation, Applitek (Mesureo), Applikon
Analytical (Metrohm), Bran+Luebbe, Datalink, HOCER, Seres Environnement, Systea et
Tytronics (Anael). A noter que certains fabricants n’ont développé des analyseurs que pour
un seul métal, comme le chrome VI (Datalink).
Annexes
ANNEXE III
ANALYSEURS IN SITU
Les analyseurs in situ sont des analyseurs en ligne qui peuvent être immergés. Ces systèmes
ont été développés principalement pour des applications en eaux de mer.
Des exemples d’analyseur in situ pour la détermination des phosphates ou des nutriments
sont proposés par EnviroTech, Systea et WET Labs. Ces analyseurs ont l’avantage d’avoir
une très faible consommation de réactifs permettant ainsi une autonomie importante des
systèmes (Figure 8). Par ailleurs, un code couleur pour les réactifs existe afin de limiter les
erreurs lors du changement des cartouches de réactifs pour le système WetLabs.
Figure : Exemples d’analyseurs en ligne in situ.
Annexes
Tableau : Synthèse des fabricants d’analyseurs en ligne avec réactifs pour les
nutriments, par composé et par méthode utilisée.
Annexes
Figure : Exemples d’analyseurs en ligne avec réactifs
Annexes
ANNEXE IV
Figure :Exemples de stations clé en main de surveillance de la qualité des eaux.
Annexes
Annexe V
Annexes
Annexe VI
Figure : Exemple de turbidimètre en transmission infrarouge (λ = 880 nm) Ponselle TU-NA
avec son transmetteur et le boîtier de commande du nettoyage automatique par piston racleur
(photo Service Audiovisuel INSA de Lyon)
Figure : Schéma de principe du capteur
Annexes
Figure : Exemple de turbidimètre néphélométrique infrarouge (λ = 880 nm)
Endress+Hauser CUS1, avec nettoyage automatique des cellules optiques
par essuie-glace (photo Service Audiovisuel INSA de Lyon)
Figure : Schéma de principe du capteur.
Bibliographie
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[17] Guyard C. (2010) Stations d’alerte : conjuguer performances, fiabilité et simplicité
d’exploitation, L’eau, l’industrie, les nuisances N°333
[18] http://www.bamo.fr
Chapitre I
Généralité sur la mesure en continu
Chapitre I
I.1.Introduction
Compte tenu du développement des sources de pollution et de la nécessité de mettre en
place un contrôle rigoureux, il peut s’avérer indispensable d’avoir recours à des méthodes de
dosage rapides et sûres, se prêtant bien à un contrôle en continu et permettant un grand
nombre d’analyses. C’est dans ce but qu’on a développé des techniques automatiques de
contrôle qui ont trouvé leurs applications.
-
Soit dans l’automatisation des laboratoires.
-
Soit dans le contrôle continu des eaux de surfaces (stations automatiques).
Dans les deux cas, les méthodes mises en jeu sont similaires mais les stations de contrôle
automatiques sont, en outre, dotées de dispositifs de sécurité permettant de vérifier la
des informations obtenues. De plus, de telles stations permettant de contrôler plusieurs
paramètres en même temps. Elles sont équipées d’un dispositif de prélèvement particulier.
I.2. L’analyse automatique
L’analyse automatique consiste à réaliser automatiquement les différentes manipulations
nécessaires à un dosage manuel :
Préparation de l’échantillon,
- Dilution,
- Mélange,
- Filtration,
- Extraction,
- Lecture finale.
Elle utilise les méthodes classiques de la chimie courante, qu’il s’agisse de méthodes
normalisées ou seulement de techniques particulièrement répandues dans les laboratoires.
4
Chapitre I
L’automatisation peut être partielle ou totale. Dans le premier cas, on a recours, généralement,
à des dispositifs dits « à module». On distingue alors en général les fonctions : prélèvement,
analyse et lecture. De plus, la chaîne de mesure se compose elle-même d’éléments spécialisés
interchangeables qui autorisent une assez grande souplesse (notamment au niveau des
appareils de mesure).
Enfin, l’analyse des échantillons est réalisée par séquence, ce qui permet une cadence de
travail déterminée et facilite l’entretien.
Lorsque l’automatisation est totale, le fonctionnement des appareils repose alors sur un
principe dynamique simple, celui de l’analyse liquide en flux continu. Une veine liquide
progresse, par l’intermédiaire d’une pompe péristaltique, en continu, ce qui autorise une
polyvalence et une souplesse très grandes, les réactions chimiques s’effectuant dans cette
veine en progression.
De très nombreux appareils ont vu le jour ces dernières années ; ils visent à remplir les
conditions suivantes :
-
Accroissement du rendement.
-
Réduction du coût et du temps nécessaire aux analyses.
-
Augmentation de la précision.
Ils répondent par ailleurs à d’autres critères parmi lesquels il faut citer la facilité d’emploi, la
souplesse et la fiabilité. Dans ce dernier domaine l’automatisation limite considérablement la
consommation des réactifs, les volumes utilisés étant parfaitement optimisés.
L’automatisation n’étant pas à elle seule garante de la qualité et de la sécurité des analyses, le
choix consiste, pour le laboratoire, lorsqu’il s’oriente vers l’automatisation, à opter pour un
système qui lui permette un réel gain de temps sans pour autant nuire à la sûreté des résultats.
Cependant, toute machine qui reproduit les différentes étapes d’une analyse manuelle reste
soumise aux mêmes interférences qui peuvent affecter cette dernière mais qui peuvent alors
échapper à l’opérateur ; c’est le cas des interférences liées à la turbidité ou à la coloration des
échantillons. Le contrôle doit être encore plus rigoureux et les étalonnages fréquents.
I.3. Le contrôle en continu
I.3.1. Les appareillages automatiques
5
Chapitre I
Les appareillages automatiques trouvent une application dans le contrôle continu des effluents
ou des eaux de surfaces. Celui-ci vise à contrôler d’une façon rapide le respect des normes de
qualité de l’eau et à surveiller les pollutions éventuelles. Ainsi, le contrôle automatique en
continu est susceptible de mettre en évidence une pollution accidentelle alors que celle-ci
pourra échapper à un contrôle ponctuel par prélèvement. De telles stations peuvent également
servir à établir des valeurs moyennes sur des temps de surveillance importants. La mise au
point des différents matériels a, dans ce domaine, accru les possibilités de contrôle et de
compréhension des phénomènes de pollution.
Les paramètres justiciables d’un contrôle en continu sont habituellement classés en :
-
Paramètres physiques : température, pH, conductivité, turbidité ;
-
Paramètres chimiques,
Les uns, ayant une relative fixité, correspondent aux éléments qui ne sont pas
normalement éliminés par la sédimentologie et ne subissent pas de biodégradabilité. Ce sont
en particulier certains cations (sodium, potassium) et anions (chlores, sulfates, fluor), ainsi
que des éléments organiques non biodégradables ;
Les autres étant susceptible d’évoluer (oxygène) ou de subir les phénomènes de
biodégradation (dans certaines limites) et de floculation. Mais, il faut souligner que les
dispositifs actuellement disponibles ne permettant pas le contrôle automatique de tous les
paramètres essentiels du point de vue de la pollution.
Les résultats des analyses, quelles qu’elles soient, sont selon les besoins et les motifs qui ont
présidé à la mise en place de la station de contrôle, soit enregistrés sur papier, soit transmis
par télémétrie dans les versions plus élaborées ; dans ce dernier cas le point de vue
économique est important. De toute façon, de telles stations coûtent relativement cher et
nécessitent par ailleurs une certaine infrastructure, notamment en ce qui concerne la nécessité
de disposer d’élément en stock pour assurer un dépannage rapide. Le coût d’une installation
de contrôle automatique dépend évidemment du choix des équipements utilisés ; de ce fait, il
est très variable.
Les possibilités d’enregistrements, les fréquences des entretiens et l’importance des pièces de
rechange, influent également sur le prix de revient. Compte tenu de l’importance de ce
dernier, on est généralement conduit à réduire le nombre de ces stations et à faires porter les
efforts sur le choix de leur emplacement, qui doit être le résultat d’une approche rigoureuse
6
Chapitre I
afin de répondre dans les meilleurs conditions, au but que l’on s’est fixé. Il est admis
généralement que les stations automatiques doivent être utilisées :
-
Pour le contrôle des grandes voies d’eaux internationales ;
-
En aval de complexe industriels importants ;
-
En amont de prises d’eaux d’alimentation de grandes agglomérations.
Enfin, il va de soi que quelle que puisse être leur fiabilité, les stations de contrôle en continu
seront toujours utilement complétées par un programme d’analyses ponctuelles, destiné à
préciser la nature des pollutions, à vérifier les étalonnages, à faire face aux pannes éventuelles
du matériel [1-7].
I.3.2. Les analyses directes
Les appareillages équipant les stations automatiques fournissent généralement deux types
d’analyses :
Des analyses directes au moyen de méthodes instrumentales. Elles sont le plus souvent du
types modulaire et comprennent généralement les unités suivantes : échantillonnage détection,
mesure (transmetteurs) et alimentation électrique. Les capteurs sont très souvent équipés de
dispositifs de nettoyage (ultrasons par exemple) et d’étalonnage automatique. Les paramètres
contrôlés peuvent être le pH, le rH, la température, la turbidité, la conductivité, l’oxygène
dissous, les chlorures. Les équipements, qui ne nécessitent qu’un entretien très réduit, peuvent
fonctionner assez longtemps sans inconvénients majeurs (entre 4 et 5 semaines). L’eau à
analyser est amenée par pompage, ce qui impose certaines précautions en présence d’eaux
fortement charges. La pompe constitue un élément très important en particulier pour la
représentativité de l’échantillon.
Elle est également très fragile, car soumise à des risques de chocs, d’abrasion ou de
corrosion ; elle nécessite donc un entretien rigoureux. De plus, les conditions climatiques
(périodes de gel) peuvent également constituer un inconvénient sérieux ;
I.3.3. Les analyses faisant intervenir des réactions chimiques
Des analyses faisant intervenir des réactions chimiques. Les stations de contrôle sont alors
équipées d’appareils d’analyses automatiques du type « à flux en continu », l’arrivée des
échantillons étant aussi réalisée au moyen d’une pompe.
7
Chapitre I
I.4.Intérêts de la mesure en continu
La connaissance en continu de certains paramètres intéresse depuis de nombreuse année,
gestionnaires et services de contrôle des différents procédés et environnement. On citera par
exemple la mesure de turbidité en eau brute, qui couplée avec une mesure de débit, peut être
utilisé pour réguler l’ajout de réactif dans le procédé de clarification des eaux de surfaces par
coagulation-floculation ou encore pour gérer les flux d’eaux résiduaire (délestage des eaux
Peu chargées). Il faut remarquer que ces dernières années l’augmentation des eaux usées
domestiques à traiter, a entraîné un important effort de recherche dans les technologies
appropriées [8-11]. On constate que la mesure en continu ne concerne pas que le milieu, c'està-dire les paramètres mesurables directement par un capteur plongé dans le milieu, c'est-à-dire
paramètres
physico-chimiques
simples
(débit,
température,
pH,
oxygène
dissous,
conductivité, potentiel redox). Des capteurs permettant des mesures directes grâces à la
spectrophotométrie d’absorption moléculaires ou résultant de la mise en œuvre, à l’aide
d’automates, de méthodes d’analyse physico-chimiques normalisées les méthodes
communément appelées AIC (Injection continu) [13-15] sont apparus et ne cessent d’être
développées.
Les domaines d’emploi actuels et potentiels de ces capteurs sont les suivants :
-
Gestion automatisée des stations d’épuration des eaux.
-
Contrôle de rejets urbains et effluents industriels.
-
Études techniques de dimensionnement et d’efficacité des ouvrages.
Le suivi en continu (on-line) des effluents présente plusieurs avantages par rapport aux
analyses en laboratoire (off-line) :
-La rapidité
-La couverture
-L’automaticité
8
Chapitre I
L’analyse en continu permet de suivre des paramètres essentiels au contrôle de la qualité de
l’eau et à l’optimisation des procédés, avec un lats de temps suffisamment court pour
permettre une étude détaillée de la variabilité des paramètres dans le temps. Elle présente
l’avantage notamment d’acquérir des données représentatives des variations du milieu, par
comparaison aux campagnes de prélèvements ponctuels à intervalle fixe qui peuvent passer à
côté d’événements importants comme un pic de concentration lors d’une crue (Figure1).
Figure1 : Etude détaillée de la variabilité des paramètres dans le temps.
I.5.Inventaire des capteurs et instruments
I.5.1. Introduction
La description des capteurs et instruments peut être
réalisés à partir des informations
disponibles en considérant les champs suivants :
- Le principe de mesure
- Le type de capteurs / instruments
- Le nombre de paramètres mesurés (mono ou multi)
- Les performances techniques (gamme de concentration, limite de détection /
quantification, résolution et exactitude)
9
Chapitre I
I.5.2. Le principe de mesure
Par ailleurs, même si les principes de mesure n’ont pas fondamentalement évolué, les progrès
en informatique embarquée, en communication (sondes numériques par exemple), ainsi qu’en
qualité de mesure et en optimisation de la maintenance font que la mesure en continu est de
mieux en mieux maîtrisée et adaptée à la surveillance des milieux.
Deux configurations possibles existent pour les capteurs et instruments de mesure en continu
(Figure 2) :
- In situ : le capteur (ou sonde) est relié à un transmetteur (ou contrôleur) ou
fonctionne de manière autonome avec des batteries internes
- En ligne : un automate d’analyse (ou analyseur en ligne) gère le prélèvement d’un
échantillon et quantifie ensuite le paramètre recherché.
Figure 2 : Schéma du principe de mesure des capteurs et instruments in situ, en ligne et sur
site.
I.5.3. Les performances techniques
Les performances techniques (gamme de concentration, limite de détection / quantification,
résolution et exactitude)
10
Chapitre I
A noter que la majorité des fabricants et distributeurs utilise le terme précision qui en français
prête à confusion (en anglais « précision » signifie fidélité, alors qu’en français une notion
d’exactitude est incluse dans le terme). Certains fabricants fournissent les données de
répétabilité, ou de reproductibilité, certains indiquent aussi l’erreur moyenne (justesse) et
enfin d’autres donnent l’exactitude.
I.5.4. Le type de capteurs / instruments
On trouve différents types de capteurs :
- Sondes et capteurs pour mesure in situ (autonome, poste fixe, chambre de mesure, sur
canalisation, en dérivation)
o monoparamètre ou jusqu’à 3 paramètres
o multiparamètres (4 paramètres et +)
- Analyseurs en ligne (sans réactifs, avec réactifs, avec sondes intégrées, in situ)
- Stations complètes
- Appareils portables pour mesure sur site
Il est important de noter que les sondes et capteurs peuvent être utilisés, soit in situ, soit en
ligne dans un bac, ou en piquage sur une conduite. Le tableau suivant (Tableau 1) montre les
différents paramètres mesurables a l’aide de capteurs :
11
Chapitre I
Tableau1 : Liste des paramètres concernés par l’inventaire de capteurs et instruments de
mesure
Paramètres physico-chimique
pH, Conductivité, Oxygène dissous, turbidité
Paramètres chimiques
Nutriments (ammonium, nitrites, nitrates, azote total,
phosphate, phosphore total)
Matière organique (demande chimique en oxygèneDCO, demande biologique en oxygène-DBO,
carbone organique dissous-COD,
carbone organique total-COT,
carbone total-CT,
coefficient d’absorption spécifique à 254 nm-CAS-254,
matière organique dissoute colorée-CDOM)
Chlorures
Cyanures
Paramètres
toxicité
biologiques
Micropolluants
et Toxicité (générale, génotoxicité, neurotoxicité)
Chlorophylle
Cyanobactéries, algues et pigments
HAP, Hydrocarbures, métaux, polluants organiques
diverses
D’autres paramètre peuvent être aussi intéressants a mesurer a l’aide de capteurs comme :
-
le chlore (résiduel, libre ou total),
-
les cations (calcium, potassium etc.),
-
la silice et les fluorures,
I.5.4.1.Sondes in situ et capteurs
Les sondes in situ disponibles dans le commerce sont des sondes immergeables vendues,
soit seules soit avec un boîtier transmetteur (poste fixe) pouvant accueillir une ou plusieurs
sondes. Pour les paramètres physico-chimiques, les caractéristiques et performances des
sondes sont assez proches, même si les principes de mesure peuvent être légèrement différents
(notamment pour l’oxygène dissous et la turbidité). Pour les autres paramètres comme les
12
Chapitre I
nitrates, la matière organique, la chlorophylle, les cyanobactéries ou les HAP, le principe de
mesure sur lequel les sondes in situ repose est un principe physique : l’absorption dans l’UVvisible ou la fluorescence UV.
Il existe 2 principaux types de mesure pour ces paramètres :
1) La mesure à une ou plusieurs longueurs d’onde prédéterminées (notamment pour
compenser de la turbidité ou des matières organiques),
2) La mesure sur l’ensemble du spectre UV-visible. Une déconvolution du signal ou
un modèle de régression multilinéaire permet ensuite de déterminer les concentrations
des différentes espèces après étalonnage avec des échantillons analysés au laboratoire.
L’intérêt de mesurer la totalité du spectre UV-visible est que l’utilisateur peut avoir une
information quantitative par l’estimation de la concentration des paramètres surveillés en
fonction de l’étalonnage réalisé. Ceci suppose que le modèle d’étalonnage intègre l’ensemble
des paramètres susceptibles d’absorber dans l’UV-visible. Par ailleurs, l’utilisateur peut aussi
avoir une information qualitative, car le spectre est comparé au modèle numérique interne et
chaque résultat peut être alors validé par un écart de restitution ce qui permet de détecter
l’apparition d’anomalies ou de substances indésirables (Figure 3).
13
Chapitre I
Figure 3 : Exemples de paramètres analysables au moyen d’un spectre UV-Visible avec les
zones de longueur d’onde caractéristiques (COD : DCO, TSS : MES).
I.5.4.2Analyseurs en ligne
Il existe deux types d’analyseurs en ligne : les analyseurs avec réactifs et les analyseurs
sans réactifs.
Le principe de mesure des analyseurs en ligne sans réactif repose sur un principe physique :
l’absorption dans l’UV-visible et/ou la fluorescence UV. Le principe de mesure des
analyseurs avec réactifs est soit la potentiométrie avec l’utilisation d’électrodes sélectives, soit
la titrimétrie (dosage acide base par exemple), soit la colorimétrie (réaction chimique suivie
d’une mesure spectrométrique) soit l’oxydation (chimique ou thermique) suivi d’une
détection (oxygène dissous, détecteur IR du CO2). Enfin, pour des applications en eau de mer,
des analyseurs en ligne ont été développés pour être immergés totalement (in situ) [16].
(ANNEXE I, II, III)
14
Chapitre I
I.5.4.3. Stations complètes
Quelques fabricants et distributeurs proposent des solutions clé en main pour la surveillance
de la qualité des eaux comme Anhydre, Bionef, Endress Hauser, Hocer et Mesureo,
comprenant :
- les capteurs et les transmetteurs
- le circuit hydraulique (pompe + canalisation)
- l’option pour un préleveur automatique
- l’armoire extérieure
- les accessoires (compresseurs, modem etc.)
Ces stations présentent l’avantage d’intégrer les capteurs et le préleveur automatique dans une
configuration très compacte [17] (ANNEXE IV).
I.5.4.4.Appareils portables pour mesure sur site
Les appareils portables permettent de mesurer rapidement les composés d’intérêt.
Il en existe pour les paramètres physico-chimiques comme les sondes multiparamètres qui
peuvent être utilisées en mode itinérant ou des appareils sur lesquels des sondes
monoparamètre peuvent être connectées (par exemple Hach Lange, Hanna instruments,
Horiba, Mettler Toledo, Neotek Ponsel, WTW, YSI).
La détermination des composés organiques et des nitrates peut être réalisée au moyen du
Pastel UV ou de l’Assitemo développés par Secomam (version portable de l’analyseur en
ligne STAC). STS propose un fluorimètre portable pour la détermination de la DBO et de
polluants organiques divers. Aquadiagnostic propose un appareil portable pour la
détermination de la DCO (PeCOD F100). Enfin Systea propose un appareil immergeable basé
sur de la colorimétrie pour les nutriments.
BBE (Bionef) propose un appareil portable, l’ALA, pour la détermination des algues, des
cyanobactéries et de l’activité photosynthétique.
En ce qui concerne les métaux, Cogent Environment propose un système basé sur la
voltampérométrie, avec des limites de détection de l’ordre du μg/L.
Ecobioservices développe des capteurs jetables pour déterminer la génotoxicité, la
15
Chapitre I
neurotoxicité et les teneurs en herbicides et en métaux dans les eaux qui peuvent être utilisé
avec un voltampéromètre de terrain (Palmsens).
Lab_bell et BBE proposent des appareils, le Luminotox et le Toxmini respectivement, pour la
détermination sur site de la toxicité.
16
Chapitre II
Détermination des paramètres physico-chimique de l’eau en ligne
Chapitre II
II.1. Introduction
Un paramètre est une grandeur mesurable qui fournit des informations essentielles sur la
qualité de l’eau. Ces paramètres sont souvent mesurés à l'aide d'une sonde ou font l’objet
d'une analyse en laboratoire. Les principaux indicateurs de la qualité d’eau retenus par les
différents organismes sont ceux compris dans l’indice de qualité bactériologique et physicochimique de l’eau (IQBP) qui comprend un total de dix paramètres :
- Le phosphore total (PT),
- Les coliformes fécaux (CF),
- La turbidité,
- Les matières en suspension (MES),
- pH…..
Les paramètres de l’IQBP servent à évaluer la qualité générale de l’eau des rivières et des
petits cours d’eau en fonction de l’usage et la protection de l’intégrité de l’écosystème
aquatique. À ces paramètres sont associés des seuils à partir desquels les teneurs peuvent
affecter la santé humaine (en fonction de l’usage) et le milieu aquatique. Le contrôle
permanent et automatique des processus de traitement implique la mesure d'un certain nombre
de paramètres à l’aide de capteurs en continu. Ceux-ci peuvent se classer en deux grandes
familles :
- Les paramètres usuels
- Les paramètres spécifiques.
Les paramètres usuels sont principalement les débits, les niveaux de liquides ou de solides, les
pressions, les températures. La mesure en continu d'un certain nombre de paramètres
spécifiques permet de libérer l'opérateur de l'astreinte d'analyse de routine et d'optimiser les
traitements en réduisant les temps de réponse. Elle porte principalement sur la turbidité, la
conductivité, le pH et la concentration de certains corps dissous.
La turbidité est la réduction de la transparence d'un liquide due à la présence de matières en
suspension non dissoutes. Elle permet de connaître le degré de pollution physique des eaux à
traiter ainsi que la qualité d'une eau livrée à la consommation humaine. Des corrélations sont
18
Chapitre II
souvent établies entre turbidité, matières en suspension. La mesure de la conductivité ou de
son inverse, la résistivité, est impérative pour le contrôle des eaux de très haute pureté. La
mesure en continu du pH d'une eau, pratiquée à de nombreux stades du traitement, est en
particulier utilisable pour le contrôle de la coagulation-floculation, de la désinfection, etc. La
mesure en continu de l'oxygène dissous permet de contrôler le maintien en fonctionnement
aérobie dans les installations d'épuration par voie biologique, ainsi que les conditions
nécessaires à la vie aquatique dans les eaux de surface. La mesure de l'alcalinité et de la
dureté de l'eau permet, par le maintien de ces paramètres en deçà de certaines limites, de
rester à l'équilibre calco-carbonique de l'eau et donc d'éviter les phénomènes d'entartrage ou
de corrosion des canalisations. Le contrôle habituel de la désinfection se fait par la mesure de
la quantité résiduelle de l'agent désinfectant : chlore, ozone, etc.
II.2 Principes de mesures des principaux paramètres
II.2.1 Mesure des paramètres usuels
Les mesures de débits
Elles diffèrent selon que l'écoulement du liquide s'effectue à l'air libre ou dans une tuyauterie.
Dans le cas d'une usine de traitement d'eau potable la majeure partie des mesures de débit
s'effectue en tuyauterie fermée. La mesure de débit en tuyauterie est réalisée selon des
principes variés ; suivant le type de fluide (eau brute ou eau traitée) et selon la gamme de
débit.
Les mesures de perte de charge
La mesure de perte de charge est très importante pour la conduite du procédé de filtration.
Elle se ramène toujours à des mesures de pression. On peut utiliser des capsules
manométriques différentielles soumises aux pressions régnant de part et d'autre du lit
granulaire du filtre ; la différence représente alors la perte de charge.
La température
La température de l'eau est généralement mesurée à l'aide d'un thermomètre à résistance afin
de pouvoir être transmise à distance. On utilise la croissance de la résistivité des métaux avec
la température. Le courant électrique traversant une telle résistance alimentée sous tension
sera donc inversement proportionnel à la température du milieu environnant.
19
Chapitre II
II.2.2 Mesure des paramètres spécifiques
Dans les appareils utilisés pour la mesure des paramètres spécifiques de l'eau, les différentes
méthodes d'analyse sont mises en œuvre de façon automatique, en particulier :
- La néphélométrie (mesure de turbidité),
- La mesure de résistivité ou de conductivité,
- La potentiométrie (mesure de pH),
- L'ampèremètre (mesure de concentration en agent oxydant, chlore, ozone),
- La photocolorimétrie
- La titrimétrie (mesure de la concentration de certaines substances dissoutes dans l'eau).
On peut classer ces différents appareils en deux grandes catégories : celle des capteurs
physiques et celle des analyseurs chimiques qui réalisent, préalablement à toute mesure, une
ou plusieurs réactions chimiques. Le turbidimètre mesure la quantité de lumière diffusée par
un échantillon d’eau brute du fait de la présence de particules dans l'eau. Cette valeur est
directement proportionnelle à la turbidité de l’échantillon mesuré. Un faisceau lumineux vient
toucher la surface sous une incidence telle que ni lui-même ni le faisceau réfléchi ne peuvent
impressionner une cellule photorésistante placée sensiblement perpendiculairement au
faisceau incident. Par contre, la lumière diffusée par les particules en suspension vient
modifier d'autant plus l'éclairement de la cellule que leur nombre est élevé, ce qui permet
d'obtenir la mesure de la turbidité de cette eau. Selon l'appareil de mesure, les gammes de
mesure s'étendent de 0 à 5 000 unités néphélométrique de la turbidité (NTU).
Le principe mis en œuvre pour la mesure de la conductivité, et de son inverse la résistivité, est
simple puisqu'il consiste à mesurer l'intensité du courant électrique recueilli aux bornes de
deux électrodes de géométries connues, plongées dans l'eau et soumises à une différence de
potentiel alternatif, dont la fréquence doit être d'autant plus élevée que la concentration en
acides, sels ou bases dissous est grande, pour éviter les phénomènes de polarisation. La
résistivité d'une eau étant fonction du degré de dissociation des molécules dissoutes, la plupart
des appareils comportent une compensation automatique de température pour ramener la
valeur de la mesure à une température de référence donnée.
Industriellement, la mesure du pH se fait toujours par potentiométrie à l'aide de deux
électrodes : une électrode de référence et une électrode de mesure. L'électrode de référence est
20
Chapitre II
plongée dans une solution de concentration constante en ions hydrogène. Une cloison, laissant
passer le courant électrique, sépare la solution de référence de celle dont on veut mesurer le
pH et dans laquelle est plongée l'électrode de mesure. Une tension, fonction linéaire de la
concentration en ions hydrogène de la solution, apparaît alors aux bornes des électrodes. Il
suffit donc de relier ces bornes à un voltmètre pour connaître la valeur du pH. En pratique, les
électrodes sont réunies pour former une sonde.
L’ampèremètre est utilisé industriellement en traitement des eaux pour la mesure en continu
de la concentration en agents oxydants et met en œuvre une méthode simplifiée d'analyse par
ampérométrie. La cellule de mesure, qui est alimentée à débit constant en eau à analyser,
comporte une cathode inattaquable, par exemple en platine, et une anode qui peut-être en
cuivre, en cadmium, en argent, etc. En l'absence d'agent oxydant, la pile ainsi formée est
polarisée et n'est traversée que par un courant très faible. Sa dépolarisation et, par conséquent,
l'intensité du courant qu'elle débite sont sensiblement proportionnelles à la concentration de
l'agent oxydant qui vient se réduire à la cathode. On mesure ainsi la concentration en chlore,
ozone, oxygène d'une eau. L'inconvénient de ces appareils réside dans le fait qu'ils mesurent
la somme des agents oxydants et qu'ils ne peuvent être vraiment utilisés que dans le cas où un
seul corps se trouve en solution à concentration variable. L'effet d'un autre corps,
éventuellement présent à concentration constante, peut être annulé par action sur le zéro de
l'appareil.
Les photocolorimètres automatiques réalisent automatiquement les opérations préliminaires à
l'analyse quantitative par photocolorimétrie de certains éléments à l'état dissous dans l'eau.
Ces opérations consistent à transformer, à l'aide de réactifs, l'élément dont on recherche la
concentration en un composé coloré, le plus souvent complexe, dont l'intensité de la
coloration est d'autant plus grande que la concentration est grande. Ainsi, sont actuellement
mesurées, de façon entièrement automatique, les concentrations en silice, phosphate, phénols,
détergents, fer, la dureté de l'eau douce, etc.
21
Chapitre II
II.3. Turbidimétrie
II.3.1. Introduction
La turbidimétrie fait partie de la photométrie industrielle, elle représente l’un des
principaux paramètres de détermination de la qualité de l’eau de boisson /portable ou l’eau
usée. En effet, la clarté et la transparence de l’eau sont l’image d’une haute qualité de l’eau
pour la plupart des personnes.
Les applications des turbidimètres sont très diverses et nous rencontrons dans :
- Le traitement des eaux potables pour contrôler le bon fonctionnement
des
équipements de sédimentations, floculation, décantation, filtration.
- Le traitement des eaux résiduaires.
- La recherche microbiologique
- L’industrie alimentaire : boissons, soupes, laiterie, fromagerie, etc.
- Les installations thermiques pour le contrôle de la qualité des eaux :
Contrôle de la silice colloïdale pour la protection des chaudières et des turbines ; des
particules de fer entraînées dans la production de vapeur provenant de sites géothermiques.
- L’industrie de la pate à papier.
- L’industrie chimique.
La turbidité du fluide peut être modifiée suite à des évolutions de ses propriétés physiques,
microbiologiques, chimiques et radiologiques. Une turbidité excessive altère l’aspect de l’eau
traitée et peut nuire au processus de désinfection ainsi qu’au maintien d’une concentration de
chlore résiduel suffisante dans le réseau de distribution. La mesure de turbidité peut être
utilisée comme substitut d’autres paramètres et à titre d’exemples, nous pouvons citer :
- La détection des bactéries et des virus.
- L’arsenic dans l’eau naturelle dont la turbidité donne une image de la teneur.
- L’eau de traitement de surface, dont la mesure de pH (neutralisation) est suivie par
la mesure de la turbidité.
- Les matières contenues dans l’eau se présentent soit sous une forme dissoute, soit la
forme de particules en suspension.
22
Chapitre II
La turbidité correspond à un phénomène de dispersion de la lumière par les particules
solides en suspension (MES _ matières minérales non solubles, microorganismes, débris
organiques) La mesure dans un liquide. Le faisceau lumineux est en partie dispersé dans
toutes les directions. Une autre partie sera absorbée par les matériaux. Les proportions
dépendent de la surface, de la taille et de la couleur des particules comme l’indique la figure
suivante :
Figure 4: Néphélométrie-ISO7027.
II.3.2. Turbidité / MES
Le niveau de turbidité croit et décroît selon que la concentration de solides en suspension
augmente et diminue. Cependant, la quantité et la couleur de la lumière dispersée par chaque
particule dépendent de leur taille, de leur forme, de leur composition et de l’indice de
réfraction.
Des solutions de concentrations égales de solides en suspension mais de
composition différente ne dispersent pas forcément la même quantité de lumière. De ce fait la
turbidité est liée aux solides en suspensions, mais cette relation ne peut être quantifiée. Les
matières en suspension MES correspondent à la concentration en éléments non dissous d’un
échantillon.
23
Chapitre II
Elles sont obtenues soit par filtration, soit par centrifugation des solutions concentrées, puis
séchage à 105°, cependant trois heures environ jusqu’à obtention du résidu sec.
Il existe aussi les matières volatiles en suspensions MVS qui représentent la partie organique
non dissoute d’un échantillon. La calcination du résidu sec à 525°C pendant une heure
conduit à la volatisation des matières organiques. La différence de masse entre résidu sec et
résidu calciné correspond donc au MVS.
Ces mesures décrivent l’incidence de la concentration des particules dans l’eau, mais les
mesures et leurs significations diffèrent. Une corrélation empirique peut être déduite au cas
par cas si les mesures en laboratoire des échantillons prélevés sont réalisées.
Les MES seront exprimées en masse par unité de volume ou en % (100 g/L correspondant à 1,
2, 3 ... ou 1000 particules).
La turbidité sera exprimée en Unité de Turbidité (quantité de lumière dispersée mesurée à 90°
par néphélométrie).
Les mesures sont faites sur site et en continu.
– La norme ISO 7027 énonce la turbidité en FNU, pour une lumière infrarouge (860 ±60 nm),
mesurée sous 90° d’angle.
– La norme ISO 7027 énonce la turbidité en FAU, pour une lumière infrarouge (860 ±60 nm),
mesurée sous 180° d’angle.
– La méthode EPA 180.1 énonce la turbidité en NTU, pour une lumière visible (lampe
tungstène), mesurée sous 90° d’angle. La turbidité s’énonce en FTU si la méthode de mesure
est réalisée sans angle précis [18].
II.3.3.Turbidimètre
Il existe deux sortes de turbidimètres : les turbidimètres de laboratoire et ceux dit en continu.
Les résultats des turbidimètres de laboratoire sont le reflet d’une situation ponctuelle. Il s’agit
dans la plupart des cas de prendre un échantillon d’eau et de placer cet échantillon dans un
analyseur. La mesure de turbidité en continu requiert une instrumentation conçue pour pallier
à différents problèmes pratiques tels que l’encrassement des capteurs, l’interférence des bulles
d’air et l’étalonnage.
On peut aussi voir les turbidimètres dit de terrain qui sont des appareils de laboratoire "
adaptés " à la mesure sur site (alimentation par pile, sonde de mesure, portable, etc.).
24
Chapitre II
Figure 5: Turbidimètre WGZ 2000 de palliasse mesurant jusqu’à 2000 NTU.
Trois facteurs importants affectent la réponse d’un turbidimètre face à un échantillon, à
savoir la source de lumière, les photodétecteurs et la configuration physique entre
les
photodétecteurs et la cellule d’échantillon (géométrie optique). Des sources de lumières
différentes donnent des caractéristiques spectrales différentes; leur intensité de couleur varie.
Les photodétecteurs présentent également des caractéristiques spectrales différentes. Le
tableau 3 présente sept méthodes néphélométrique pour la mesure de la turbidité dans l’eau
potable qui ont été élaborées de façon consensuelle par des organismes de normalisation ou
qui sont approuvées par des organismes reconnus. Ces méthodes ont été élaborées pour
normaliser la conception et l’étalonnage des instruments afin d’assurer l’uniformité des
mesures de turbidité. Selon la plage de turbidité de l’eau de la source d’approvisionnement,
certains instruments conformes à ces normes peuvent ne pas être appropriés pour la
surveillance de la turbidité.
L’U.S. Environmental Protection Agency (U.S. EPA), l’American Public Health Association
(APHA) de concert avec l’American Water Works Association (AWWA) et la Water
Environment Federation (WEF), ainsi que l’Organisation internationale de normalisation
(ISO) et ASTM International (ASTM) ont élaboré ou approuvé ces méthodes normalisées.
Les services publics d’eau potable doivent utiliser des turbidimètres conformes à l’une ou
l’autre des méthodes présentées plus bas pour la surveillance de la turbidité.
25
Chapitre II
Tableau 3 : Méthode d’analyse reconnue pour mesurer la turbidité dans l’eau.
Méthode
Référence
Description
Méthode standard 213
d’APHA/AWWA/WEF.
APHA et coll (2012)
Méthode 180.1, rév. 2.0 de l’U.S.EPA.
U.S.EPA (1993)
Méthode 7027 de l’ISO
ISO (1991)
Méthode 2 de GLI
GLI International Inc. (1992).
Méthode Filter Trak 10133, rév 2.0 de
Hach
Hach Company (2000).
Méthode D6698-07 d’ASTM
ASTM International (2007)
Méthode D6855-10 d’ASTM
ASTM International (2010)
Lampe au tungstène à 2 200-3 000°K et ou
plusieurs
détecteurs
(et
filtres)
perpendiculaires dont la réponse spectrale
atteint un sommet à 400-600nm. Trajet de
la lumière : 10cm ou moins. La plage de
mesures s’étend de 0 à plus de 1000 UTN.
Lampe au tungstène à 2 200-3 000°K et un
ou plusieurs détecteurs (et filters)
perpendiculaires dont la réponse spectrale
atteint un sommet à 400-600nm. Trajet de
la lumière : 10cm ou moins. La plage de
mesures s’étend de 0 à plus de 40 UTN.
Lampe au tungstène (et filtres), source de
radiation diode ou laser à 860nm (ou
550nm si l’échantillon est incolore) avec
un détecteur perpendiculaires et un angle
d’ouverture de 20- 30°. Il existe deux
plages de mesures, selon la méthode choisi
. La méthode fondée sur le rayonnement
diffus offre une plage de mesure de 0 à 40
FNU. La méthode fondée sur l’atténuation
du flux radiant offre une plage de mesures
de 40 à 4 000 FAU.
Deux sources perpendiculaires de lumière
à 860 nm qui produisent des impulsions en
alternance aux 0,5 secondes, et deux
détecteurs perpendiculaires qui mesurent
en alternance des signaux “de référence”
et “actifs”. La plage de mesure va de 0 à
40 NTU. La méthode permet une dilution
pour la mesure d’échantillons dont la
turbidité est de plus de 40 UTN.
Diode laser à 660 nm à 90° par rapport au
détecteur/récepteur (trajet de la lumière de
10cm ou moins), qui peut utiliser un tube
photomultiplicateur et un câble à fibre
optique. La plage de mesures s’étend de 0
à 5 000 UTN (0-5,0 UTN).
Cette méthode est conçue pour la mesure
en ligne de la turbidité au dessous de
5UTN dans l’eau. Elle permet l’emploi
d’instruments
présentant
des
caractéristiques techniques diverses, dont
celles utilisées dans les méthodes décrites
ci-dessus. La plage de mesures s’étend de
moins de 0,02 à 5,0 UTN.
Cette méthode est conçue pour la mesure
statistique des turbidités inférieures à
5UTN dans l’eau. Elle permet l’emploi
d’instruments
présentant
des
caractéristiques techniques diverses, dont
celles utilisées dans les méthodes décrites
ci-dessus. La plage de mesures s’étend de
moins de 0,02 à 5,0 UTN ou FNU.
26
Chapitre II
Chaque méthode a ses propres avantages et inconvénients. Ainsi, la lampe au tungstène de la
norme EPA 180.1 requiert une alimentation électrique stable et un réétalonnage fréquent. Elle
émet dans de nombreuses longueurs d’onde qui sont absorbées par les particules présentes
dans l’eau, ce qui réduit l’intensité de la lumière dispersée. Au-delà de 40 NTU, le signal n’est
plus linéaire du fait de l’absorption par les particules environnantes de la lumière dispersée.
Dans la plupart des eaux naturelles les interférences liées à la couleur et à l’absorbance de
particules diminuent quand la valeur de la turbidité diminue. Les mesures selon la méthode
ISO ont tendance à être inférieures aux mesures selon la méthode EPA de 0,01 à 0,02 unités,
quand les interférences sont minimisées. En pratique, quand les interférences sont sensibles,
les résultats diffèrent selon la méthode et il n’existe pas de règles de transposition.
27
Réalisation de la cellule de mesure en ligne
CHAPITRE III
Chapitre III
III.1.Introduction
La turbidité de l’eau vient de la présence de diverses matières en suspension telles que limon,
argile, matières organiques et inorganiques en fines particules, composés organiques colorés
solubles, plancton et autres microorganismes. La turbidité correspond à la propriété optique de
l’eau qui fait que la lumière incidente est diffusée et absorbée plutôt transmise en ligne droite à
travers un échantillon. Il s’agit d’un paramètre dont la signification dépend beaucoup de la
technique de mesure utilisée. L’intensité totale et la distribution angulaire de la lumière diffusée
par l’eau trouble sont le résultat des effets cumulés des interactions intra particulaires et
interparticulaires et sont liées par un ensemble de relations complexes à des facteurs comme la
quantité de matières étrangères, leur taille, leur forme et leur indice de réfraction ainsi que la
longueur d’onde de la lumière incidente.
Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la turbidité, mais seulement deux d’entre elles, la
néphélométrie et la turbidimétrie, sont à la base des méthodes normalisées actuelles.
III.2.Acquisition de données expérimentales
Un système de mesure de turbidité complet comprend :
- Un capteur de turbidité avec un câble de mesure spécial
- Un transmetteur
- Une chambre de passage, une sonde à immersion ou une sonde rétractable.
III.3.Principe de mesure
Le principe de la lumière diffusée à 180° (atténuation) avec une longueur d’onde proche de
l’infrarouge (880 nm) selon ISO 7027 enregistre des valeurs de turbidité sous des conditions
standardisées et comparables. Outre le signal de turbidité, le système peut exploiter également un
signal de température. Un rayonnement infrarouge est émis dans le milieu. Cette lumière vient
heurter les particules présentes qui vont ensuite en absorber une partie et diffuser le reste. La
29
CHAPITRE III
lumière diffusée est mesurée par une diode infrarouge réceptrice selon 180°. Le cas le plus
performant nécessite deux photodiodes selon des angles bien définis par rapport à l’émission.
Une photodiode de référence contrôle en permanence l’intensité de la lumière émise.
La solution de référence standard est la formazine (C2H4N2) qui est cancérigène et instable
(durée de vie courte)[19].
Figure 6: Principe de la mesure de turbidité par néphélométrie.
III.4.Les influences de la mesure de turbidité
La mesure de la turbidité est influencée par :
- Le changement du type de particules
- La fluctuation de débit
- La présence d’air ou de mousse
- La rétrodiffusion (résultant d’un signal plus élevé) causée par l’installation du capteur dans
une conduite ou très près d’une paroi
- Des dépôts sur les optiques du capteur.
III.5.Fonctionnement et Maintenance
La maintenance comprend :
30
CHAPITRE III
- Nettoyage de la sonde et du capteur
- Contrôle des câbles et des raccords
- Étalonnage.
II.6.Étalonnage et ajustage
Le capteur contient toutes les données d’étalonnage :
• En mode FNU, le capteur est étalonné en usine avec de la formazine traçable selon ISO 7027.
• En mode ppm, les blocs de données d’étalonnage pour le kaolin et le SiO2 sont dérivés des
blocs de données FNU.
• En mode %, les blocs de données d’étalonnage sont réglés à la moyenne des différentes eaux
résiduelles de béton. Ils sont préréglés de sorte que des valeurs correctes soient affichées pour
une clarté moyenne. Ces réglages ne suivent cependant aucune norme actuellement en vigueur.
• Même en mode g/l, le capteur n’est pas étalonné sur une valeur fixe, car il n’existe aucune
norme. Les produits des différentes applications étant trop différents, il faut dans tous les cas
effectuer un étalonnage.
Les données d’étalonnage sont sauvegardées dans un EEPROM directement dans le capteur,
c’est pourquoi :
-Le réétalonnage n’est pas nécessaire en cas de coupure de courant
- Le réétalonnage n’est pas nécessaire en cas de remplacement du transmetteur
- Un réétalonnage spécifique à l’utilisateur est toutefois nécessaire en cas de remplacement
du capteur.
Le capteur a en mémoire trois blocs de données d’étalonnage pour chacun des quatre modes de
fonctionnement principaux.
L’étalonnage standard est l’étalonnage en 3 points du capteur. Il est indispensable :
- lors de la mise en service du capteur dans des applications de boues.
-lors de la mesure d’un autre type de boue.
III.7. Montage semi automatique pour la determination des ions SO 42- dans
l’eau de robinet :
31
CHAPITRE III
Le turbidimètre sujet de l’étude qui suit, mesure en continu la turbidité en sortie du robinet de
notre laboratoire : reseau de distribution d’eau potable :( annexe 5).
Il signale par une alarme un dépassement de seuil (0,5 NTU) afin de stopper la distribution
d’eau.L’appareil effectue la mesure par néphélométrie, son schéma de principe est donné à la
figure 10.
Le turbidimètre est constitué d’une source lumineuse infrarouge de longueur d’onde normalisée,
égale à 850 nm ± 30 nm. Cette valeur permet de réduire le phénomène d’absorption du à la
colorationdu liquide provoquée par les éléments dissouts dans l’eau.
Un photodétecteur placé à 180° mesure la quantité de lumière transmise. Il permet de compenser
la mesure la quantité de lumière diffusée par les particules en suspension dans l’eau.
Un second photodétecteur placé à 180° mesure la quantité de lumière transmise. Il permet de
compenser la mesure en tenant compte d’une éventuelle coloration du liquide et du
vieillissement du photodétecteur.
Figure 7: Montage semi automatique conçu au laboratoire (USTO).
32
CHAPITRE III
Figure 8 : Motteur de pression d’air
Figure 9:Stabilisateur de tension.
Figure 10 : Schéma fonctionnel de la chaîne de mesure.
33
CHAPITRE III
III.8.Processus de la turbidité
Mesures de turbidité électroniques sont faits que le produit est fabriqué ou raffiné dans le
processus. L'avantage de la mesure en ligne est que les résultats de mesure se produisent de
façon continue, en "temps réel", et de fournir une évaluation plus représentatif des conditions de
procédé réelles.
III.9.Qualité des capteurs
Nous allons maintenant aborder les problèmes liés à la qualité et à l’utilisation en continu de ces
différents capteurs. En effet, pour que le fonctionnement de l’ensemble d’une boucle de mesure
soit correct, il est essentiel de s’assurer la compatibilité de chacun des instruments de la boucle
et en particulier du capteur. L’information ainsi délivrée, surtout si elle est utilisée dans une
régulation automatique ou comme entrée d’un modèle, doit être la plus représentative possible de
la valeur vraie du paramètre mesuré et être très fiable.
III.10.Éléments technologiques
Le but est de présenter diverses caractéristiques technologiques des appareils et leurs possibilités.
Cet inventaire n’a pas la prétention d’être exhaustif, notamment en raison du nombre élevé des
appareils commercialisés (plusieurs dizaines d’appareils sont commercialisés en 1999 - voir par
exemple Mizier (1998) et de leurs évolutions très fréquentes.
Les appareils décrits sont ceux qui permettent, sur le terrain, le mesurage automatique et en
continu par voie optique de différents paramètres polluants, avec une haute fréquence de mesure
correspondant généralement à un pas de temps compris entre 1 minute et un quart d’heure, voire
une demi-heure. Ne sont donc pas concernés les appareils portatifs qui nécessitent l’intervention
d’un opérateur pour la réalisation du mesurage.
34
CHAPITRE IV Application du montage pour la détermination SO42- dans l’eau
Chapitre IV
Application du montage pour la détermination en ligne des ions SO42- dans
l’eau du robinet (USTO).
IV.I Introduction
Les trois sources les plus importantes de soufre sont le soufre élémentaire, le sulfure
d’hydrogène (H2S) et les sulfures métalliques comme la pyrite de fer. Et en se combinant à
l’oxygène, le soufre hexavalent donne l’ion sulfate (SO42–), qui existent à l’état naturel dans
de nombreux minéraux, dont la baryte (BaSO4), l’epsomite (MgSO4·7H2O) et le gypse
(CaSO4·2H2O). Dans les eaux naturelles, les sulfates proviennent principalement de la
dissolution du gypse et de l’oxydation des sulfures en sulfates dans les déchets miniers. Car
les principales sources d’origine industrielle sont les effluents des tanneries, des ateliers de
décapage métallique, des usines de textile et des fabriques de pâtes et papiers. L'ion sulfate est
très soluble et sa concentration est très variable dans les eaux naturelles. Les concentrations
mesurées varient généralement entre 2,5 et 22,0 mg/l. Une eau trop riche en ions sulfate peut
avoir un effet laxatif. La teneur maximale admise en ions sulfate SO42- d’après les normes de
potabilité est de 250 mg/L. Dans les eaux de robinet prises en compte dans ce travail les
concentrations en ions SO42- peuvent aussi exister suite à l’ajout des réactifs de traitement :
coagulants.
La détermination de l'ion sulfate dans l'eau est une analyse très importante. Il est possible de
doser les sulfates en solution aqueuse par chromatographie ionique avec un détecteur
conductimétrique; la limite de détection de cette méthode est environ 0,05 mg/L. Il existe
plusieurs méthodes pour la quantification de cet
ion et des nouvelles méthodes
spectrométriques ont été publiées au cours de ces dernières années. La majorité de ces
méthodes utilisent la simple méthode de précipitation des sulfates sous forme : Sulfates de
baryum après ajout de chlorure de baryum. Sulfates de plomb après ajout de chlorure de
plomb. Toutes ces méthodes utilisent la lumière indigo de longueur d’onde avoisinante les
450 nm. Une revue des méthodes existantes pour la détermination des concentrations en ions
sulfate dans les eaux montre plusieurs possibilités de méthodes titrimétriques.
36
Le capteur utilise un système optique pour mesurer l'évolution de la turbidité au cours du
titrage. Ce capteur est un dispositif simple qui a été conçu dans notre laboratoire, le système
d'acquisition consiste en :
Datalogger accompagné par un logiciel d’acquisition [Benouali et al. PJAEC 2012- Annexe
et Benouali et col. RIGEL 2010- Annexe ]
Donc le but de ce travail, est d’adapter notre simple capteur (sonde d’immersion) infrarouge
(IR-LED émettant à 940 nm, la réception IR-LED, angle de diffusion 0 -10 °), qui est en
mesure de quantifier les MES en fonction du temps et du volume du titrant et ainsi élaborer
une procédure précise et rapide pour la quantification des ions sulfates dans l'eau et en ligne.
Pour cela nous avons tenté de réalisé une cellule de mesure en ligne (Chapitre III).
IV.2 Les différentes méthodes de dosage des sulfates
IV.2.1. Méthode Conductimétrique
Principe
Les ions SO4- - ont dosés volumétriquement par un sel de baryum en présence d’un support
précipitation, avec enregistrement de la courbe de la conductivité du volume du réactif et
détermination du point équivalent.
Matériel spécial
Conductimètre enregistreur avec burette à piston synchrone.
Réactifs
-Support d’adsorption au sulfate de baryum.
Verser 1 litre d’eau distillée dans une fiole de 14 litres (type fiole à vide) et ajouter avec
précaution 60 ml d’acide sulfurique pur. Dissoudre d’autre part 200 g de chlorure de baryum
dans 1 litre d’eau. Verser la solution de chlorure de baryum dans l’acide sulfurique par petites
fractions en agitant vigoureusement. Laisser reposer le précipité 24 heures. Décanter le
liquide surnageant. Ajouter 3 litres d’eau agiter et laisser décanter. Laver le précipité plusieurs
fois jusqu’à disparition des ions sulfates en excès. La résistivité de la dernière eau de lavage
doit être supérieure à 180 000Ω.cm.
37
-Solution d’acide sulfurique N/100.
-Solution de chlorure de baryum N/10 :
-Chlorure de baryum (BaCl2, 2 H2O)....................................... 12,2 g
-Eau distillée ...................................................................q.s.p 1000 ml
-Solution de chlorure de baryum N/10..................................... 100 ml
ajuster le pH à 2,6 au pH-mètre .
-Eau distillé.................................................................... q.s.p 1000 ml
Mode opératoire
-Vérification du titre de la solution de chlorure de baryum.
Effectuer cette vérification en utilisant 10 ml d’une solution d’acide sulfurique N/100 et en
procédant selon le mode opératoire indiqué ci- dessous.
-Dosage proprement dit.
Dans un bécher de 150 ml verser 20 gouttes de suspension aqueuse de sulfate et 50 ml d’eau.
Agiter un moment au moyen d’un agitateur magnétique et introduire la pointe de la burette
contenant le chlorure de baryum N/100 et l’électrode du conductimètre. Régler l’appareil dans
la gamme de conductivité correspondant à l’échantillon à doser.la valeur exacte de la
conductivité n’a pas à être connue. Au cours du dosage on obtient une courbe de titrage dont
le point équivalent est déterminé par l’intersection de deux demi-droites. Soit x le nombre de
millilitre de chlorure de baryum N/100 utiliser.
Expression et résultats
Pour une prise d’essai de 50 ml : 0,49× X × 20 donne la teneur en sulfates exprimée en
milligrammes de H2 SO4 par litre d’eau 0,48× X × 20 donne la teneur en sulfates exprimée en
milligramme de SO4- - par litre d’eau.
Remarque
-Le volume de la prise d’essai et le titre de la solution de chlorure de baryum à employer
peuvent varier. Ils dépendent de la teneur en sulfates et de la conductivité du milieu.
38
-La précipitation des carbonates, phosphates, oxalate de baryum est évitée en acidifiant au
préalable l’échantillon par de l’acide chlorhydrique.
IV.2.2 Méthode volumétrique
Principe
Les ions SO4-
-
sont dosés par volumétrie en présence de sulfate de baryum et en milieu
alcoolique. L’alizarine sulfonâtes de sodium est utilisée comme indicateur. Les ions gênants
sont éliminés par passage de l’échantillon sur résine cationique.
Réactifs
-Résine dowex 50 (100-200 mesh).
-Support d’adsorption au sulfate de baryum.
Préparer une solution de chlorure de baryum concentrée, la traiter par un excès d’acide
sulfurique. Recueillir le précipité et le laver soigneusement 8 et 10 fois par décantations
successives avec de l’eau distillée. Puis attendre 24 heures pour siphonner le liquide
surnageant ; la fraction blanche restante constitue la suspension de sulfate de baryum.
Vérifier que le lavage a été suffisant en effectuant un dosage témoin avec de l’eau distillée et
les réactifs. La résistivité de la dernière eau de lavage doit être supérieure à 180 000Ω-cm. La
suspension garde ses propriétés adsorbantes plusieurs mois si elle ne se dessèche pas.
-Solution tampon pH 2,2 :
acide monochloracétique....................................................... 94,5 g
hydroxyde de sodium environ N, q.s.p pH 2,2 au pH-mètre.
-alcool éthylique 96°.
-solution d’alizarine sulfonâtes de sodium à 0,2 %.
alizarine sulfonâtes de sodium ................................................... 0,2 g
eau distillée.......................................................................q.s.p 100 ml
-Solution d’acide sulfurique N/100.
chlorure de baryum (BaCl2, 2H2O)......................................... 12,2 g
eau distillée ................................................................ . q.s.p 1000 ml
Solution de chlorure de baryum N/10 .....................................100 ml
ajuster le pH à 2,6 au pH-mètre
eau distillée ................................................................ . q.s.p 1000 ml
39
Vérifier le titre de cette solution sur 1 ml de solution d’acide sulfurique N/100.
Mode opératoire
Introduire dans un bécher 200ml environ d’eau à analyser et 10 g de résine Dowex 50. Laisser
en contact 1 heure environ en agitant de temps à autre. Filtrer sur filtre sans cendres. Prélever
50 ml d’eau ainsi traitée, ajouter 40 ml d’alcool à 95°, 1,5 ml environ de suspension de sulfate
de baryum, 1 ml de solution tampon et enfin 3 gouttes de solution d’alizarine sulfonâtes de
sodium. Titrer avec la solution de chlorure de baryum N/100 en agitant énergiquement après
chaque addition. Faire un témoin de coloration avec l’eau distillée pour saisir avec plus de
facilité le moment du virage du jaune au rouge. Soit x le nombre de millilitres de solution de
chlorure de baryum N/100 utilisés.
Expression des résultats
Pour une prise d’essai de 50 ml :0,49 × x × 20 donne la teneur en sulfates exprimée en
milligrammes de H2SO4 par litre d’eau.
Remarque
-Après un certain temps d’utilisation, la résine a tendance à se décolorer ; il est alors
indispensable de la régénérer en la faisant traverser lentement par 100 ml d’une solution
d’acide chlorhydrique 2 ou 3 N.
-Dans le cas d’eaux fortement phosphatées, éliminer les phosphates au préalable par
précipitation au carbonate de magnésie.
-Pour une prise d’échantillon de 50 ml, le dosage de 5 mg/l d’acide sulfurique est effectué
avec une précision de ±10% et de ±1% pour des quantités d’acide sulfurique de 50 mg/l.
IV.2.3. Méthode par flux continu
Principe
En présence de baryum, les sulfates précipitent à l’état de sulfate de baryum maintenu en
suspension homogène au moyen de polyvinyl pyrrolidone. Pour éviter la précipitation des
40
carbonates, chromates, phosphates et oxalate de baryum, La réaction est effectuée en milieu
acide.
Circuit analytique
Le chlorure de baryum et l E.D.T.A tétrasodique sont distribués séquentiellement par le même
tube de pompe, de la même façon que l’échantillon et l’eau de rinçage. Il est donc nécessaire
de disposer de plateaux à double couronne avec bras de prélèvements à 2 embouts de
prélèvements et de 2 cuves de rinçage, l’une pour l’eau de rinçage, l’autre pour l’E.D.T.A
tétrasodique.
-La réalisation du dosage nécessite un temps de contact entre l’échantillon et le chlorure de
baryum compris entre 30 et 60 secondes. Etant donné la cadence de prélèvement, le chlorure
de baryum doit arriver au point de mélange avec l’échantillon entre 30 et 60 secondes avant
ce dernier.
MÉTHODE ADAPTEE AUX TENEURS EN SO4-- A 800 mg/l
Réactifs
-Solution d’ammoniaque diluée au 1/10, obtenu par dilution de solution concentrée du
commerce.
-Solution d’E.D.T.A.
E.D.T.A. Na .......................................................... ............50 g
Solution d’ammoniaque au 1/10..............................q.s.p
1 litre
-Solution de chlorure de baryum.
Chlorure de baryum............................................................... 1 g
Polyvinyl pyrrolidone............................................................. 2 g
Eau distillée.............................................. ............... q.s.p 200 ml
Placer un flacon de 500 ml contenant 200 ml d’eau sur un agitateur électromagnétique,
introduire le chlorure de baryum, le Polyvinyl pyrrolidone, mélanger vivement
Jusqu’à complète dissolution, ajuster le volume à 500 ml .Préparer cette solution chaque jour.
-Solution d’acide phosphorique.
Acide phosphorique..........................................................3 ml
Brij 35..............................................................................2,5 ml
Eau distillée............................................................ q.s.p
1 litre
-Solution étalon à 2 g/l de SO4-41
Sulfate de sodium anhydre.........................................2,9582 g
Eau distillée............................................................ q.s.p
1 litre
Établissement de la courbe d’étalonnage
Préparer à partir e la solution étalon une série de dilution comprises entre 0 et 800 mg/l.
Traiter ces solution selon le procédé décrit dans le mode opératoire. Construire la courbe
d’étalonnage.
Mode opératoire
Se reporter au schéma d’utilisation n°1. La solution d’E.D.T.A. est utilisée entre chaque
échantillon pour solubiliser le précipité. La cadence des détermination est de 20 échantillons
par heure à raison d’un rinçage de 90 secondes pour une prise d’échantillons de 90 secondes.
Faire fonctionner l’appareil avec les réactifs et de l’eau distillée jusqu’à établissement d’une
ligne de base stable. Effectuer les lectures à la longueur d’onde de 520nm.
Dans les mêmes conditions d’utilisation, la courbe donne directement la teneur en sulfates
exprimée en milligrammes par litre de SO42- .
IV.2.4. Méthode spectrométrique de dosage des sulfates.
IV.2.4.1. Méthode spectrophotométrique
Principe
Les sulfates sont précipités en milieu chlorhydrique à l’état de sulfate de baryum. Le précipité
ainsi obtenu est stabilisé à l’aide d’une solution de « Tween 20». Les suspensions homogènes
sont mesurées au spectromètre.(spectrophotomètre utilisé : LKB )
Réactifs
- solution d’acide chlorhydrique au 1 /10.
-solution de polyvinyl-pyrrolidone ou Tween 20 à 25 %.
-solution de chlorure de baryum stabilisée :
Chlorure de baryum …………………………………10 g
42
Solution « Tween 20 » …………………………. 20 ml
Eau distillée……………………………….q.s.p.
100 ml
-solution étalon de sulfate de sodium à 120 mg/l de SO4- - :
Sulfate de sodium anhydre..............................0,1775 g
Eau distillée……………………………….q.s.p.
1000 ml
Établissement de la courbe d’étalonnage
Dans une série de tubes à essai numérotés, introduire successivement :
Agiter 2 ou 3 fois énergiquement. Après 15 minutes de repose, agiter à nouveau et faire la
lecture au spectromètre à la longueur d’onde de 650 nm.
Mode opératoire
Dans un tube à essai, introduire successivement :
Eau à analyser .......................................................................................... 39 ml
Acide chlorhydrique au 1/10..................................................................... 1 ml
Solution de chlorure de baryum+ « tween20 » ................................................. 5ml
Préparer dans les mêmes conditions un tube témoin en remplaçant l’eau à analyser par de
l’eau distillée.
Agiter énergiquement et laisser reposer 15 minutes. Agiter de nouveau et faire les lectures au
spectromètre à la longueur d’onde 650 nm. Tenir compte de la valeur lue pour le témoin.
Se reporter à la courbe d’étalonnage (Figure ).
Pour une prise d’essai de 39 ml, la courbe donne directement la teneur en sulfates exprimée en
milligrammes de SO4- - par litre d’eau.
Remarque
-la prise d’essai doit contenir une quantité de sulfates inférieure à 2 mg, la courbe
représentative étant une droite parfaite pour ces teneurs. Dans le cas d’eaux fortement
chargées en SO4- - , préparer des dilution en vérifiant chaque fois qu’elles se trouvent dans la
zone d’utilisation de la courbe d’étalonnage.
43
IV.2.4.2. Dosage IR-turbidimétrique
Dans cette partie de notre travail nous allons décrire une méthode de dosage en ligne IRturbidimétrique pour la détermination des ions sulfate (SO42-) dans les eaux de robinet de
notre laboratoire en utilisant le capteur de turbidité infrarouge.
- Une suspension de sulfate de baryum est produite dans la cellule de mesure en ligne (Figure
) dans l’échantillon d’eau de robinet par l’ajout de solution de chlorure de baryum a l’aide
d‘une seringue de 10 mL et la turbidité est contrôlée et suivi à l’aide du capteur infrarouge.
- Le capteur utilise un système optique pour mesurer l’évolution de la turbidité au cours du
titrage. Ce capteur est un dispositif simple qui a été conçu dans notre laboratoire (chapitre III),
nous avons fixé directement les LED infrarouge en atténuation (angle de réception 180 °)
dans la cellule de mesure. le système d’acquisition de données retenu parmi les différents
systèmes ( Benouali et col. RIGEL 2010 – Annexe VI) est :
- Système datalogger
- Carte DDSJ 308A Accompagnée du logiciel DRAW.
Remarque
- Toutes les méthodes spectrophotométrique utilisent la lumière indigo de longueur d’onde
avoisinante les 45O nm. Cependant l’utilisation en batch du spectrophotomètre n’aide pas à
réalisé une analyse en ligne.
- La méthode de dosage IR-turbidimétrique proposée dans ce travail résous efficacement ces
inconvénients et serait très intéressante et pourrait être facilement adaptée à la détermination
en ligne.
44
Courbe d’étalonnages
Figure 2 : Courbe d’étalonnage du dosage spectrométrique des SO42(λ = 450 nm) méthode avec réactif
Figure 3 : Courbe d’étalonnage du dosage IR-turbidimétrique des SO42méthode avec réactif
45
Pour déterminer la concentration des ions sulfate dans le mode titrage, après l'ajout de la
première goutte de chlorure de baryum, le titrer devient trouble (dan la cellule contenant 55
mL) et, comme le titrage continu, la lumière transmise détecté diminue progressivement et la
courbe de titrage (Figure 2). La détermination du point d’équivalence pour le titrage IRturbidimétrique est facile et précis. Le seul problème du titrage est la précipitation qui
demande une agitation. Nous avons réalisé l’agitation a l’aide d’un bain ultrason (Figure 3).
Figure 5 : Titrage IR-Tur. des sulfates dans l’eau de robinet (USTO) par BaCl2 (0,56 10-3 M)
46
Figure 6 : Agitation par ultrason
Les résultats confirment que le titrage IR-turbidimétrique en ligne est possible et donne des
résultats fiables. Nous avons comparé les résultats dosage des sulfates par méthode IRturbidimétrique a ceux obtenus a l’aide d’un spectrophotomètre.
Et en utilisant la courbe d'étalonnage linéaire (C = A+0.0
; R2 = 0,998)
de la méthode
spectrophotométrique obtenus avec les solutions standards du sulfate de K2SO4. Les résultats
obtenus sont donnés dans le tableau IV-3; le titrage a été répété six fois. D’après la figure IV.7
le point d’équivalence du titrage IR-turbidimétrique de l’échantillon d'eau saumâtre a été
estimé à 4.7 ml. Les résultats de sont regroupés dans le tableau IV-3. D’après ce tableau la
méthode de spectrométrie et du titrage IR-turbidimétrique donne des résultats avec la même
précision. Le grand avantage du titrage IR-turbidimétrique est son instrumentation
(acquisition de données expérimentales) qui rend cette dernière rapide et utile pour un suivi
on-line.
47
Tableau 3. Indication des points finals par titrage IR-turbidimétrique et spectrométriques
pour l'échantillon d'eau de robinet.
Point équivalent (ml) et concentration en ppm
Eau minérale
Eau de robinet(USTO)
méthode spectrométrique
Absorbance
C (ppm)
0,280
85*3=255
méthode IR- Turb.
C
Tu-IR
ppm
67
82,5*3
La lecture des résultats est effectuée directement à partir de la courbe d’étalonnage par
extrapolation. Si nécessaire, multiplier le résultat par le facteur de dilution. Toutefois, il est
nécessaire de vérifier la linéarité de la courbe d’étalonnage.
48
Conclusion Générale
Conclusion générale
le but de ce travail est
d’adapter notre simple capteur infrarouge (IR-LED émettant à
940nm, la réception IR-LED,angle de diffusion 180°) a la mesure en ligne.
Notre capteur infrarouge est en mesure de quantifier les MES et ainsi il est possible
d’élaborer une procédure précise et rapide pour la quantification des ions sulfates dans l’eau
par précipitation.
Le signal analogique délivré par le capteur infrarouge (la diode réceptrice) est
communiqué au PC via système datalogger. Ainsi, les données de l’évolution de la turbidité
en fonction du volume du titrant consommée(BaCl2) ou ajouter en exces sont transmis au PC.
Les données sont ensuite transférées vers le tableur EXCEL pour traitement.
La turbidité, qui est en relation avec les matières en suspension (précipité de BaSO4), est
déduite par la mesure de la quantité de lumière infrarouge transmise (atténuation du faisceau
incident) après addition chlorure de baryum. Ainsi, le capteur incorporé a la cellule de mesure
en ligne sont réalisés avec peu de moyen et sont peu coûteux.
La détermination en ligne n’est pas facile car nous avons rencontré des problèmes
majeurs :
- Colmatage du capteur
- Nécessité de clapé anti retour
- Automatisation
-Rinçage
- Agitation
Nous avons tenté de résoudre ces problèmes par :
- Petit robinet en PVC (500DA), les électrovannes coutes (4000 DA).
- Nous avons utilisé un dataloger pour l’acquisition des données. Il nous manque un automate
programmable ( prix minimum 30 000DA).
- nous avons utilisé une pompe d’air pour la vidange de la cellule. Cependant une mesure de
référence est nécessaire soit à l’air soit a l’eau distillée.
Liste des tableaux et figures
LISTE DES TABLEAUX
Chapitre I
 Tableau 1 : Liste des paramètres concernés par l’inventaire de capteurs et instruments de
mesure.
Chapitre II

Tableau 2: Méthode d’analyse reconnue pour mesurer la turbidité dans l’eau.
Chapitre III

Tableau 3 : Point final Indication par IR-turbidimétrique et titrage de spectrométrie pour
l'échantillon d'eau de robinet.
Chapitre IV

Tableau 4 : Analyses physicochimiques de l’eau de robinet

Tableau 5 : Indication des points finals par titrage IR-turbidimétrique et spectrométriques
pour l'échantillon d'eau de robinet.

Tableau 6 : Titrage Turbidimétrique par capteur infrarouge.
LISTE DES FIGURES
Chapitre I

Figure 1 : Etude détaillée de la variabilité des paramètres dans le temps.
Liste des tableaux et figures

Figure 2 : Schéma du principe de mesure des capteurs et instruments in situ, en ligne et
sur site, d’après Greenwood et al. (2007).

Figure 3 : Exemples de paramètres analysables au moyen d’un spectre UV-Visible avec
les zones de longueur d’onde caractéristiques (COD : DCO, TSS : MES).
Chapitre II

Figure 4 : Néphélométrie-ISO7027.

Figure 5 : Turbidimètre WGZ 2000 de palliasse mesurant jusqu’à 2000 NTU.
Chapitre III

Figure 10 : Schéma électronique du capteur infrarouge de turbidité.

Figure 11: Schéma fonctionnel de la chaîne de mesure

Figure 12: Enregistreur de données électronique et réglage.

Figure 13: Logiciel d'acquisition et le réglage.

Figure 14 : Schéma du système d’acquisition en utilisant le datalloger comme interface.
Chapitre IV

Figure 15: Courbe d’étalonnage du dosage spectrométrique des SO42- (λ = 650nm)

Figure 16: Courbes de titrage IR-turbidimétrique d'ion sulfate dans l'eau de robinet.
REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR
ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE
MOHAMMED BOUDIAF (U.S.T.O)
FACULTE DE CHIMIE
Spécialité : Contrôle et Qualité
Mémoire
Pour l’obtention du diplôme de Master
Présenté Par :
-KARA ZAITRI BAHIA.
-YAHI HALIMA.
Contribution au dosage IR-Turbidimétrie en ligne
Des ions SO42- dans l’eau
Soutenu publiquement le : 25 / 06 /2014, devant le jury composé de :
Mme.Hadj Abd El Kader
Mr. Djillali Benouali
Mr. Mohammed Mustapha Belkandouci
Mme.Hammou Zakia
Année Universitaire : 2013 /2014.
Présidente
Encadreur
Co-Encadreur
Examinatrice.
Nomenclature
A: absorbance.
a’ : le coefficient d’absorption.
DCO : Demande chimique en oxygène.
DBO : Demande biologique en oxygène.
ddp : Différence de potentielle.
D : Diamètre d’une particule.
FNU: Formazine Nephelometric Unity.
FTU: Formazine Turbidity Unity.
FAU : Formazine Attenuation Unity.
I0 : intensité du rayon incident.
I : intensité du rayon transmis.
L : longueur du chemin optique (L).
LED-IR : led-infrarouge.
nm : La partie réelle de l’indice de réfraction complexe.
M : La masse molaire de l’échantillon titré.
MES : Matière en suspension.
mV : milli volt.
TDS : Taux des sels dissout.
T°(C): Température en degré Celsius.
Tu : Turbidité.
V0 : Volume de BaCl2 titrée à blanc (sans ajout de la crème de tartre).
V : Volume de Na2SO4 titrée de la solution de crème de tartre ou de l’acide tartrique avec
ajout de BaCl2 en ml.
Vech : Volume de l’échantillon.
Introduction général
Pour mieux répondre à des exigences réglementaires dans le domaine des eaux, la mesure
en continu de la concentration en MES via la mesure de turbidité sera essentielle. Les
concentrations en MES sont classiquement estimées à partir d’analyses en laboratoire
effectuées sur des échantillons prélevés in situ a l’aide de la méthode gravimétrique et
spectrométrique. La méthode gravimétrique est strictement réalisée au laboratoire. Cependant,
la méthode spectrométrique peut être réalisée in situ à l’aide de spectrophotomètre portable, et
même dans ce cas cette mesure ne peut se faire que dans le mode batch. La méthode
gravimétrique en plus de l’impossibilité de l’utiliser in-situ elle présente d’autre
inconvénients comme : Le transport des échantillons du site au laboratoire ; Le
conditionnement et conservation des échantillons ; Les délais pour obtenir les résultats et coût
élevé des prélèvements et des analyses. Les analyses réalisées au laboratoire « méthode (off
line) » demeurent fiables et dés fois même nécessaires pour la confirmation des résultats
obtenus in situ ou on line. Mais on remarque actuellement une grande tendance vers les
mesures on line vu le développement énorme de l’outil informatique et en matière de
capteurs. Notre travail concerne la mesure on line de turbidité et par conséquent les MES. La
mesure de la turbidité (Tu- MES) dans les eaux résiduaires, les eaux de surface et les eaux
souterraines est un paramètre essentiel, mais difficile à gérer en continu. Dans d’autres
domaines industriels, la mesure de turbidité permet de vérifier l’efficacité des filtres ou la
formation de la pré-couche. En pétrochimie, cette mesure sert à contrôler la filtration des
huiles ou la présence d’eau dans les hydrocarbures. Cependant, d’une part les MES
responsables de la turbidité présentent une variabilité spatio-temporelle importante et d’autre
part la concentration, la granulométrie, la nature, la densité, la forme, l’aptitude à
l’agglomération et l’évolution dans le temps, font que l’étude de la turbidité demeure délicate
et d’actualité.
La turbidité se prête parfaitement à une mesure en continu par l’utilisation de capteur de
turbidité. Donc Pratiquement, nous nous intéressons à l’utilisation d’un capteur pour la
mesure de turbidité selon ISO 7027 qui préconise une mesure utilisant une source de lumière
infrarouge et un étalonnage à l’aide des solutions standards de formazine. Un simple capteur
infrarouge à bas pris accompagné d’un software a été réalisé et utilisé dans notre laboratoire.
Dans ce travail nous allons tenter de réaliser un dosage on continu des ions sulfates (SO42-).
Ainsi nous effectuons le dosage des sulfates en continu de l’eau de robinet. Pour cela nous
avons tenté de réaliser une cellule de mesure en continu avec un système de seringues et de
pompes pour effectuer : le rinçage de la cellule ; L’introduction de l’eau à analyser et les
réactifs nécessaires pour le dosage. L’acquisition des données est réalisée à l’aide d’un
datalloger.
Nous avons organisé notre mémoire comme suit :
Un premier chapitre qui concerne des généralités sur la mesure en continu dans le domaine
Un deuxième chapitre sur la détermination des paramètres physico-chimique de l’eau en
ligne.
Un troisième chapitre sur réalisation de la cellule de mesure en continu
Un Quatrième et dernier chapitre ou nous avons exposé l’essentiel de nos résultats d’une
tentative de dosage des sulfates (SO42-) dans l’eau de robinet.
Et en fin une conclusion, des références bibliographiques et des annexes.
Ce travail a été réalisé au département de physico-chimique (USTO), au sein du laboratoire.
Nous tenons pour cela, et en premier, à remercier notre bon Dieu tout puissant de Nous
avoir donné le courage, la volonté ainsi que la conscience d’avoir pu aller jusqu’au bout de ce
travail.
Mme Hadj Abd El Kader d’avoir accepté de présider le jury de soutenance ainsi que Mme
Hammou et Mr. D. BENOUALI d’avoir consacré leur temps et accepter de juger ce travail
a qui Nous exprimons nos vives gratitudes.
Notre encadreur Mr. D. BENOUALI pour son dévouement, son aide, ses précieux conseils
qui nous a prodigué le long de ce projet, sa confiance, son assistance qu’il nous a témoigné,
son soutien moral ainsi que sa disponibilité, que nous trouvons ici le signe de notre
reconnaissance.
Notre Co-encadreur Mr. Mohammed Mustapha Belkandouci pour son aide et son précieux
conseil qui nous ont été utile tout au long de notre travail.
Mme Kherici, Mme Khiati, Mme Bennemra qui nous ont
fait l’honneur de leurs
participations.
Tous les enseignants durant l’année théorique de graduation.
Enfin, nous remercions tous ceux qui nous ont aidé de prés comme de loin à la réalisation de
ce travail.
Avec l’aide de Dieu, j’ai pu achever ce modeste travail qui est un couronnement de tant de
sacrifices et d’endurances, que je dédie :
A ma tendre mère qui a tant sacrifié pour me voir réussir aujourd’hui.
A Mon cher père.
A Mon cher oncle Hadj Noureddine.
A Mes deux grands frères Abd el Karim et Redouane.
A Ma très chère copine Saidj Nesrine.
A Mes meilleurs amis (es) Leila, Nabila, Selma,Hanene,Freha,Fatima et Mourad, Houari,
Lakhder, Ben Ouda, Mohammed ,Abd Kader.
A Mes amis(es) et ma promotion de l’USTO de Master Chimie 2013-2014.
Et enfin a tous ceux qui ont contribué à l’élaboration de ce projet de prés ou de loin en
particulier Mr. D. BENOUALI.
Bahia.
Grace à mon Dieu « el kadir »
Je dédie ce travail à :
Mes chers parents que j’aime plus que tout le monde « Dieu les protèges »
Ma chère grande mère que son amour et ses prières me protège.
A mon grand frère Djilali et sa petite famille
Ma sœur Nabila
Mon frère Mohammed.
Ma tente Hakima et son mari
Et ses enfants Mohammed, Nour et Amira
A Mes meilleurs amis (es) Fatima, Aicha, Hanane, Fareha, Asma, Souad et Ali, Houari,
Lakhder.
A Mes amis(es) et ma promotion de l’USTO de Master Chimie 2013-2014.
Et enfin a tous ceux qui ont contribué à l’élaboration de ce projet de prés ou de loin
spécialement Mr. D. BENOUALI.
Halima.
Table des matières
TABLE DES MATIERES
Remerciements..........................................................................................................................
Table des matières.....................................................................................................................
Liste des tableaux et figures.....................................................................................................
Abréviation................................................................................................................................
Introduction Générale............................................................................................................
Chapitre I : Généralité sur les mesures en continu (on-line) dans le domaine de l’analyse et
contrôle de l’eau.
I .1.Introduction………………………………………………………………………………..4
I .2.L’analyse automatique………………………………………………………………….....4
I .3.Le contrôle en continu…………………………………………………………………......5
I.3.1.Les appareillages automatiques..............................................................................5
I.3.2.Les analyses directes..............................................................................................7
I.3.3.Les analyses faisant intervenir des réactions chimiques........................................7
I .4.Intérêt de la mesure en continu…………………………………………………………....8
I .5.Inventaire des capteurs et instruments………………………………………………….....9
I.5.1.Introduction............................................................................................................9
I.5.2.Le principe de mesure...........................................................................................10
I.5.3.Les performances techniques................................................................................10
I.5.4.Le type de capteurs /instruments..........................................................................11
I.5.4.1.Sonde in situ et capteurs........................................................................12
I.5.4.2.Analyseurs en ligne................................................................................14
I.5.4.3.Stations complètes.................................................................................15
Table des matières
I.5.4.4.Appareils portables pour mesure...........................................................15
Chapitre II : La détermination des paramètres physico-chimique de l’eau en continu.
II.1.Introduction………………………………………………………………………………18
II.2.Principe de mesures des principaux paramètres………………………………………....19
II.2.1.Mesure des paramètres usuels.............................................................................19
II.2.2.Mesure des paramètres spécifiques.....................................................................20
II.3.Turbidimétrie.....................................................................................................................22
II.3.1.Introduction.........................................................................................................22
II.3.2.Turbidité/MES.....................................................................................................23
II.3.3.Turbidimètre........................................................................................................24
Chapitre III : Réalisation de la cellule de mesure en continu.
III.1.Introduction……………………………………………………………………………...26
III.2.Acquisition de données expérimentales ………………………………………………...27
III.3.Principe de mesure………………………………………………………………………27
III.4.Les influences de la mesure de turbidité………………………………………………...30
III.5.Fonctionnement et Maintenance………………………………………………………...30
II.6.Étalonnage et ajustage……………………………………………………………………31
III.7. Montage semi automatique pour la determination des ions SO 42- dans l’eau de
robinet ………………………………………………………………………………………..31
III.8.Processus de la turbidité………………………………………………………………..34
III.9.Qualité des capteurs……………………………………………………………………..34
III.10.Éléments technologiques……………………………………………………………….34
Table des matières
Chapitre IV : Application du montage pour la détermination en ligne des ions SO42- dans
l’eau de robinet.
IV.1.Introduction.................................................................................................36
IV.2. Les différentes méthodes de dosage des sulfates.....................................37
IV.2.1.Méthode conductimétrique.............................................................37
IV.2.2.Méthode volumétrique.................................................................. 39
IV.2.3.Méthode par flux continu...............................................................40
IV.2.4.Méthode spectrométrique de dosage des sulfates..........................42
IV.2.4.1.Méthode spectrophotométrique.........................................42
IV.2.4.2.Dosage IR-turbidimétrique...............................................44
.
.

Contribution au dosage IR-Turbidimétrie en ligne

Transcription

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