Gestion des déchets dangereux GCI LABORATOIRE Description des appareils et procédures Département de génie civil Université Laval

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1 1 Gestion des déchets dangereux GCI LABORATOIRE Description des appareils et procédures Département de génie civil Université Laval 1. SPECTROPHOTOMÉTRIE D ABSORPTION ATOMIQUE 1.1 Introduction à la technique La spectrométrie d absorption atomique permet de quantifier les éléments métalliques en solutions. Chaque élément a un nombre spécifique d électrons associés à son noyau. La configuration orbitale normale et la plus stable des électrons est appelée état de base. Lorsque qu une énergie est fournie à un atome, ce dernier l absorbe et adopte une configuration électronique appelée état d excitation. Cet état est instable et l atome retourne immédiatement à son état de base libérant ainsi une énergie lumineuse. Lors du procédé d absorption atomique l énergie fournie à l atome provient d une source lumineuse appelée lampe à cathode creuse. L atome dans son état de base absorbe l énergie lumineuse à une longueur d onde spécifique et passe à un état d excitation. Un détecteur mesure la quantité de lumière absorbée et un signal électronique est produit en fonction de l intensité lumineuse. Ce signal est traité et la quantité d analyte dans l échantillon est déterminée en fonction de l absorbance mesurée. Le contact entre les atomes et la source lumineuse est assuré par la cellule d absorption. La cellule d absorption est en fait une flamme générée par la combustion d acétylène en présence d oxygène. L échantillon à analyser est aspiré par l appareil et transformé en aérosol. La flamme atomise ensuite les éléments contenus dans l aérosol et les place en travers du faisceau de la lampe à cathode creuse. La lampe à cathode creuse émet le spectre lumineux spécifique à l élément analysé. La cathode et l anode de la lampe sont composées uniquement de l élément dont le spectre lumineux doit être produit. Un potentiel électrique est appliqué entre l anode et la cathode, ce qui a pour effet d ioniser le gaz contenu dans la lampe. Les ions de gaz vont ensuite entrer en collision avec la cathode, ce qui déloge des atomes métallique. Ces atomes vont aussi entrer en collision avec les ions de gaz ce qui les fait passer à un état d excitation. Ils retournent aussitôt à leur état de base ce qui produit l énergie lumineuse désirée Opération de l appareil Mise en marche et optimisation du spectromètre 1- Mettre l appareil à On. 2- Appuyer sur AA-BG pour choisir la méthode d analyse par absorption atomique avec correction automatique du bruit de fond. 3- Choisir la cathode creuse correspondant à l analyte qui est dosé et l installer dans le compartiment à la droite de l appareil. 4- Appuyer sur Param Entry. À Lamp Current écrire la valeur du courant indiquée sur la lampe et appuyer sur Enter. 5- Appuyer sur Energy. 6- Ajuster le détecteur à la longueur d onde d absorption de l élément à doser à l aide de la roulette située à gauche de l appareil. La longueur d onde est ajustée lorsque l énergie affichée est maximale. Lorsque CTS est plus grand que 125, appuyer sur Gain. 7- Ajuster la largeur de la fente spectrale à 0,2 ou 0,7 nm selon l élément à doser. 8- À l aide des vis d ajustements de la cathode creuse, ajuster cette dernière de manière à avoir le maximum d énergie.

2 Ajustement du brûleur 1- Ajuster la hauteur du brûleur à environ 5 mm sous le faisceau de la lampe. 2- À l aide des deux vis d ajustement (translation horizontale et rotation) situées sous le brûleur, ajuster la fente du brûleur de manière parallèle avec le faisceau de la cathode Mise en marche du brûleur acétylène-air 1- Ouvrir les valves derrière l appareil et ajuster la pression d air à 60 lbs/po Ouvrir les valves du cylindre d acétylène et ajuster la pression à la sortie du cylindre à 14 lbs/po 2. Ne pas dépasser 15 lbs/po 2. Vérifier que la pression du cylindre est supérieure à 75 lbs/po Placer le bouton Oxidant à la position Air. 4- À l aide des vis situées sous les manomètres, ajuster le débit d acétylène, Fuel à 2,5 (sous la bille), et le débit d air, Oxidant à Appuyer sur Ignite Entrée des paramètres Appuyer sur Param Entry, pour changer les titres appuyer et appuyer sur Enter pour valider. LAMP CUR.: Lamp current. Courant indiqué sur la cathode creuse. Ne pas excéder la valeur indiquée. INT. TIME: Integration time. Temps d'accumulation des cycles de lecture par l'appareil. Normalement entre 0,2 et 1 seconde. REPLICATES: Nombre de lecture faites. Normalement entre AA TECHNIQUE: Mode d'analyse. Choisir FLAME (1), soit atomisation par flamme Analyses 1- Appuyer sur Cont et faire aspirer de l eau déionisée. Appuyer sur A/Z. 2- Faire aspirer un étalon du domaine linéaire. 3- Ajuster le brûleur pour avoir le maximum d absorbance. Prendre garde de ne pas obstruer le faisceau de la lampe avec le brûleur. 4- Appuyer sur Data. 5- Faire aspirer de l eau déionisée et appuyer sur A/Z. 6- Faire aspirer l étalon le plus dilué et appuyer sur Read. Noter l absorbance et l écart-type. 7- Répéter l étape précédente pour tous les étalons. 8- Faire aspirer l échantillon et appuyer sur Read. Noter l absorbance et l écart-type. 1.3 Courbe de calibration À partir des lectures d absorbance pour les étalons, tracer un graphique nuage de points (utiliser un chiffrier ex. EXCEL) de l absorbance en fonction de la concentration. Tracer la courbe de régression linéaire et obtenir l équation de la régression ainsi que le coefficient de détermination. L équation de régression représente la courbe de calibration de l appareil. 1.4 Dosage des échantillons À l aide de la courbe de calibration déterminer les concentrations des éléments à doser. Pour les échantillons dilués, multiplier la concentration déterminée par le facteur de dilution.

3 3 1.5 Expression des résultats Exprimer les résultats obtenus en mg/kg selon la relation suivante : mg/kg = (mg/l x dilution primaire x dilution secondaire)/masse (g) 1.6 Limite de détection Exemples : Fe : 0.03 mg/l; Pb : 0.18 mg/l; Zn : 0.01 mg/l 2. CHROMATOGRAPHIE IONIQUE 2.1 Introduction à la technique Le chromatographe ionique permet de détecter et de quantifier une grande variété d anions. Cette technique est fondée sur des processus d échange entre une phase liquide (éluant et échantillon) et une phase solide (résine échangeuse d ions). Un échantillon liquide est injecté dans l appareil et ensuite poussé à l aide d une pompe dans une colonne faite d une résine échangeuse d ions. L échantillon est mélangé à un éluant, c est-à-dire, une solution facilitant la séparation des différents ions contenus dans l échantillon à l intérieur de la colonne. Les ions contenus dans l échantillon sont séparés parce qu ils se déplacent à différentes vitesses dans la colonne, tout dépendant de leur affinité pour la résine échangeuse d ions. La séparation des ions est fonction de leur charge et de leur taille. Plus les ions sont petits, moins ils seront retenus (F - < Cl - < Br - < I - ). Plus les ions sont chargés, plus ils seront retenus (HPO 4-2 > NO 3 - ). L éluant et l échantillon passe à travers un supresseur, un module permettant d augmenter la sensibilité du détecteur en soustrayant la conductivité électrique spécifique à l éluant et en diminuant les bruits de fond. Un détecteur mesure la conductivité électrique de chaque ion séparé contenu dans l échantillon et un signal est envoyé à l ordinateur. Les ions des solutions électrolytiques ont des conductivités électriques spécifiques qui peuvent être quantifiées. Le dosage est possible en comparant le signal obtenu pour un échantillon avec le signal d une solution de concentration connue. L identification des ions est possible grâce à leur temps de rétention particulier, obtenus préalablement lors de la préparation des courbes de calibration tracées à partir de solutions témoins. 2.2 Préparation des échantillons 1- Peser 4 g de sol sec 2- Ajouter 40 ml d eau déionisée 3- Agiter sur la plaque agitatrice durant 24 heures 4- Centrifuger les échantillons durant 10 min à 3600 rpm 5- Récupérer le surnageant 6- Effectuer les dilutions suivantes: 1% et 10% 7- Conserver les échantillons non-dilués au congélateur s ils ne sont pas analysés dans les 24 heures. Ne contenant aucun agent de conservation, les bactéries potentiellement présentes pourraient proliférer et détériorer la colonne échangeuse d ions 2.3 Opération de l appareil Démarrage de l appareil

4 4 1- Mettre l appareil DIONEX à ON 2- Ouvrir la bonbonne d hélium servant à pressuriser le système 3- Ajuster la pression du régénérant à 5 lbs/po 2 4- Ajuster la pression de l éluant entre 5 et 10 lbs/po 2 5- Mettre en fonction la pompe et ajuster le débit à 2 ml/min, laisser la pression se stabiliser durant 20 min entre 1300 et 1400 lbs/po 2 6- S assurer qu il n y a pas de bulles d air dans le circuit 7- Démarrer le logiciel DIONEX 8- Démarrer le module interface ACI 9- Dans le sous-programme MÉTHODE, sélectionner et actualiser une méthode 10- L appareil est prêt à effectuer les analyses Analyse des échantillons 1- Dans le sous-programme RUN, sélectionner une méthode 2- Nommer l échantillon à analyser 3- Vérifier la sensibilité du détecteur (habituellement 30 µs) 4- Sur le chromatographe, placer le paramètre CONTROL en mode LOCAL 5- Appuyer sur AUTO OFFSET trois secondes pour ramener la ligne de base à zéro 6- Placer le mode CONTROL du chromatographe en mode RELAY 7- Injecter 1 ml de l échantillon le plus dilué en prenant soins d enlever l air contenu dans la seringue. Les échantillons contenant de la matière en suspension doivent être filtrés à l aide d un filtre de 0.2 µm adaptable aux seringues afin de ne pas obstruer le système 8- Sur le module interface ACI appuyer sur RUN 9- Attendre la fin de l analyse avant de procéder à une autre injection 2.4 Courbe de calibration Tracer les courbes de calibration des quatres anions suivant cl - ; NO 3 -, SO 4-2 ; PO Dosage des échantillons 1- Déterminer l équation de la courbe de calibration 2- Calculer la valeur de la concentration (mg/l) correspondant à l aire sous la courbe donnée par le chromatographe ionique 3. GRANULOMETRIE PAR COMPTEUR DE PARTICULES LASER 3.1 Introduction Le Master sizer microplus est un compteur laser qui permet d obtenir la granulométrie de particules ayant un diamètre compris entre 0,05µm et 556µm (fraction fine du sol). Il est

5 5 composé d'une unité optique reliée à un système informatique qui reçoit, gère et analyse les données. Le principe physique de base est la diffraction de la lumière. La méthode d'analyse respecte la théorie de "Mie". La distribution fondamentale, à partir de laquelle tous les résultats sont obtenus, est définie par le pourcentage du volume total des particules. Les particules, mises en suspension dans un support liquide, appelé le dispersant, sont pompées en continu à travers la cellule. Celle-ci se compose de deux surfaces transparentes distantes de 2 mm qui forment un plan perpendiculaire au faisceau lumineux. La cellule est située entre la source du laser et les détecteurs qui captent la lumière diffractée. Lorsqu'une particule se présente dans la cellule, elle diffracte la lumière et produit un modèle de diffraction sur les détecteurs. Lorsque plusieurs particules sont présentes dans la cellule, la lumière mesurée sur les détecteurs est la somme de tous les modèles particulaires superposés. Plusieurs lectures sont prises sur une période de temps définie, permettant ainsi une analyse de plusieurs centaines de particules. Une analyse des donnés est ensuite faite afin d'établir la distribution des particules de l'échantillon analysé. L'analyse des donnés est basée sur la théorie de "Mie". Cette dernière est une description complète de la diffraction de la lumière pour des particules sphériques ayant des propriétés optiques homogènes. L'analyse est une méthode itérative. Premièrement, une distribution initiale des particules est choisie, ensuite, suivant le modèle théorique qui tient compte ici des propriétés optiques des particules, le logiciel conçoit un schéma de diffraction propre cette à cette distribution initiale. C'est une première itération qui sera par la suite corrigée en ajustant ce schéma de diffraction aux données mesurées par l'analyseur de particules. Les résultats peuvent être, par le biais du logiciel, présentés sous la forme d'un tableau, regroupant certaines caractéristiques comme les diamètres moyens, la surface spécifique, l'étalement et l'uniformité de la distribution, etc., et/ou sous la forme d'un graphique représentant, par exemple, le pourcentage passant (ou inférieur) en fonction du diamètre des particules. 3.2 Préparation de l'échantillon Le Mastersizer Microplus offre la possibilité d'analyser un échantillon liquide ou sec. La préparation de l'échantillon est une étape importante afin d'obtenir des résultats justes et reproductibles. L'échantillon prélevé doit représenter le plus fidèlement possible la totalité du matériau étudié. Il faut assurer en tout temps une homogénéité de la dispersion de l'échantillon dans le dispersant. L'échantillon ne doit pas contenir de particules de dimensions supérieures à 2 mm. La quantité requise est habituellement inférieure à 5 ml. 3.3 Choix du dispersant Le dispersant doit être transparent, pour une longueur d'onde de 633 nm, son indice de réfraction doit obligatoirement être différent de celui des particules de l'échantillon et il ne doit pas réagir avec celles-ci, ce qui influencerait la dimension des particules. Il peut être, par exemple, de l'eau, de l'éthanol, de l'acétone, de l'hexane, etc. La quantité requise est 600 ml ou 1 litre selon la grosseur des particules. 3.4 Mécanismes de dispersion Deux mécanismes sont disponibles à même l'appareil afin d'assurer la dispersion des particules dans le dispersant. En premier lieu, une petite hélice, dont la vitesse peut être ajustée, agite le mélange afin de garder les particules en suspension. Deuxièmement, une sonde ultrasonique émet des ondes afin de briser les liens entre les agglomérations de particules

6 6 réduisant celles-ci à leur dimension unitaire. L'intensité et la durée de ce procédé ultrasonique sont quantifiées en faisant des mesures expérimentales sur le Mastersizer Microplus. Une mesure est prise en utilisant l'agitateur (hélice) seulement. Ensuite, en utilisant progressivement les ultrasons sur une période de temps précise, il est possible de déterminer l'intensité requise pour que les résultats soient stables, indiquant une dispersion complète. La sonde ultrasonique devra être utilisée avec la plus faible intensité qui procure une dispersion complète. 3.5 Détermination des paramètres descriptifs La première opération consiste à définir certains paramètres descriptifs afin d'effectuer une analyse représentative de l'échantillon. Il faut choisir le modèle d'analyse qui convient le mieux à notre échantillon. Trois choix sont offerts. Le premier est un modèle d'analyse générale ("polydisperse"), qui convient pour les échantillons dont le diamètre des particules s'étend sur plus de cinq unités de grandeur. Le second modèle est l'analyse mono-modale qui est utilisé lorsque l'échantillon présente une distribution uniforme, c'est-à-dire que les particules sont de la même grandeur ou presque. Le troisième modèle est l'analyse multi-modale qui permet l'analyse de plusieurs groupes (six au maximum) de particules de même dimensions, présents dans l'échantillon. Outre le choix du modèle d'analyse, il faut déterminer les constantes représentant les propriétés optiques des particules et du dispersant. Celles-ci sont: l'indice de réfraction des particules (U s ) et du dispersant (U m ) et l'indice d'absorption des particules(u a ). L'ensemble de ces constantes se nomme la présentation de l'échantillon. Par défaut, une présentation standard est utilisée par cet appareil et celle-ci conviendra pour plusieurs échantillons. Toutefois, pour certains échantillons contenant des particules très fines, il est important de bien choisir les propriétés optiques afin d'accroître la précision des résultats. En effet, lorsque le diamètre des particules se rapproche de la longueur d'onde de la lumière laser (633 nm), l'interaction entre la lumière et les particules devient complexe. De plus, la longueur du chemin optique à travers une particule devient plus petit et la lumière qui subit des diffractions internes n'est plus absorbée complètement. 3.6 Analyses - Préciser au logiciel les paramètres descriptifs. - Aligner le faisceau lumineux convergent sur le détecteur central. - Mesurer le bruit de fond, c'est-à-dire la lumière diffractée par le dispersant et celle provenant de sources lumineuses environnantes. - Ajouter l'échantillon au dispersant. La quantité de particules à ajouter au dispersant est limitée. Elle doit être assez grande pour que les lectures soient dissociables de celles prises lors de la mesure du bruit de fond. Cependant, elle ne doit pas être trop élevée puisque les hypothèses de base pour l'analyse ne seront plus respectées. - Prendre un nombre déterminé de lectures, sur une période de temps précise, afin de représenter correctement l'échantillon. - Analyser les données et produire la distribution de la granulométrie de l'échantillon. 4. CHROMATOGRAPHIE EN PHASE GAZEUSE

7 7 4.1 Introduction à la technique La détermination des HAP s'effectue en deux étapes. La première étape consiste à extraire les HAP à l'aide de dichlorométhane. Dans la seconde étape, après concentration du dichlorométhane si nécessaire, les HAP sont analysés par chromatographie en phase gazeuse (détecteur FID - injecteur PSS ). La concentration des HAP est déterminée par comparaison de la surface(aire) obtenue à un temps de rétention donné pour l'échantillon à celles données par la courbe de calibration - standard externe. Il y a 7 HAP qui nous intéressent plus particulièrement. Ces HAP sont les suivants: fluorène, phénanthrène, anthracène, fluoranthène, chrysène, benzo(g,h,i)pérylène et benzo(a)pyrène. 4.2 Appareillage Une colonne chromatographique capillaire d'une longueur de 30 m * 0,25 mm d.i., de type PE-5 dont la phase est d'une épaisseur de 0,25 um. 4.3 Réactifs et étalons Il est possible d'acheter commercialement sous forme de mélange les HAP. Sinon, il faut des produits d'une pureté acceptable c'est-à-dire 98% et plus. En ce qui concerne les standards internes, le chromatographe n'étant pas couplé à un MS, il n'est pas nécessaire d'acheter du hexachlorobenzène-c13 et du p-terpényl-d14.du simple hexachlorobenzène et p-terpényl sont parfaits et beaucoup moins chère Temps de rétention 1- Pour débuter, on doit connaitre le temps de rétention de chaque HAP. Donc on prépare une solution d'environ 100ug/ml pour chaque HAP. Suite à l'injection au GC de ces différentes solutions, on détermine le temps de rétention de ces HAP. Prendre en note que toutes modifications concernants les conditions chromatographiques et la colonne peuvent amener des variations au niveau des temps de rétention. Noter aussi que la plupart des HAP sont considérés des produit potentiellement cancérigènes donc pour des raisons évidentes de sécurité ils doivent être manipulés sous la hotte. HAP Temps de rétention(min) fluorène phénanthrène anthracène fluoranthène chrysène benzo(a)pyrène benzo(g,h,i)pérylène Préparation de solutions standards 1- Solution mère a) Peser environ 40 mg de chaque HAP (utiliser un vial de 40 ml avec large goulot - il est important de noter très précisément la masse de chacun des HAP) b) Ajouter 20 ml de dichlorométhane. Vous obtenez ainsi une solution mère d'une concentration d'environ 2 mg/ml.

8 8 2- Solutions filles À partir de la solution mère de 2mg/ml, préparer une série de solutions avec du dichlorométhane. Les concentrations suggérées sont 200, 150, 100, 40, 20 et 10 ug/ml 4.4 Protocole analytique - Conditions chromatographiques Injecteur: température initiale 70 degrés C 0 min programmation de température(rampe #1) 30 degrésc/min température finale 120 degrés C 1 min programmation de température(rampe #2) 100 degrésc/min température finale 280 degrés C 999 min Détecteur: 300 degrés C ( température constante) Four: température initiale 90 degrés C 6 min programmation de température(rampe #1) 10 degrésc/min température finale 180 degrés C 0 min programmation de température(rampe #2) 5 degrésc/min température finale 310 degrés C 15 min Mode d'injection: solvent purge mode Split flow: 30 ml/min Gaz vecteur: hélium Pression: 10 psi (débit constant) Volume d'injection: 2 ul Type de colonne: PE-5