Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs dans l'environnement par réseaux de capteurs

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Thomas Beausoleil
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1 Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs dans l'environnement par réseaux de capteurs Jacques NICOLAS Université de Liège (Belgique) Site d Arlon Département «Sciences et Gestion de l Environnement» Unité «Surveillance de l Environnement»

Principal objectif de recherche : estimer

2 Principal objectif de recherche : estimer la nuisance olfactive générée dans l environnement par différentes sources industrielles ou agricoles. Centres d Enfouissement Technique Installations de compostage Stations d épuration Bassins de décantation de sucrerie Porcheries, poulaillers Détection de moisissures dans les bâtiments

3 Différents outils : Analyse de laboratoire (GC-MS) Olfactométrie dynamique Inspection de terrain + modélisation de la dispersion atmosphérique

4 et le nez électronique Possibilités très prometteuses + Stress Monitoring des émissions d odeur et prédiction de la nuisance olfactive dans l environnement Contrôle des systèmes d abattement d odeur Utiliser l odeur comme variable de process pour détecter des anomalies de fonctionnement

5 Dans le domaine des odeurs, aucune méthode ne peut être considérée comme une "référence". Toutes les méthodes doivent être considérées comme complémentaires pour fournir une aide à la décision.

6 Rappel du principe de la mesure olfactométrique Prélèvement d un sac (Tedlar) sur le terrain Mesure (olfactomètre) en laboratoire par un panel de 6 personnes

7 Principe de l olfactométrie dynamique Echantillon odorant prélevé sur le terrain Air pur

l'olfactométrie Le "niveau" d'odeur est défini par le nombre de fois qu'il faut diluer l'échantillon odorant avec de l'air pur pour arriver au seuil de perception olfactive (50% des personnes sentent

8 l'olfactométrie Le "niveau" d'odeur est défini par le nombre de fois qu'il faut diluer l'échantillon odorant avec de l'air pur pour arriver au seuil de perception olfactive (50% des personnes sentent et 50% ne sentent plus) Compost Dilué 300 fois Concentration de l'odeur = 300 "unités odeur" Air à 500m de la source Déjà tel quel au seuil de perception = Dilué 1 fois Concentration de l'odeur = 1 "unité odeur" = seuil de perception

9 l'olfactométrie La seule méthode normalisée pour mesurer une concentration d'odeur. Reconnue au niveau européen par la norme EN Définie par un protocole rigoureux le niveau de l'odeur est défini par sa concentration en uo E /m 3 (unité-odeur européenne par mètre cube) Pour rappel : 1 uo E /m 3 correspond à la concentration au seuil de perception?!?!!?

10 Rappel : Le nez électronique Principe : réseau de capteurs-gaz non spécifiques C1 : Composés soufrés, H S 2 C2 : Solvants organiques, alcools C3 : Contaminants de l'air, CO, hydrogène, fumée de cigarette Dans notre cas: capteurs à oxydes d'étain commerciaux (Figaro, FIS, Capteur) C4 : Vapeur d'eau C5 : Gaz combustibles, propane, butane C6 : Composés aminés, NH 3

11 Le nez électronique ex. dans une station d'épuration C1 C2 C3 C4 Boues C5 C6

12 Le nez électronique C1 C2 C3 C4 C5 Eaux brutes C6

13 Le nez électronique C1 Boues C2 Eaux brutes C3 C4 Gaz d échappement C5 C6 Produit désodorisant

Le nez électronique : détection de l émergence d une odeur un des problèmes = trouver un indice "global", image de l'odeur 20 10 odor event 15 10 5 0-5 "odour event" pointed out Classification

14 Le nez électronique : détection de l émergence d une odeur un des problèmes = trouver un indice "global", image de l'odeur odor event "odour event" pointed out Classification functions values The classification function for biogas decreases The classification function for fresh waste remains nearly stable -10 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 time (hours) -10 Moving away from the landfill gas extraction well

15 Si indice "global" suivi continu possible C1 C2 C3 C4 C5 C6

Autre problème : La concentration descend sous la limite de détection des capteurs Au niveau de l'émission, ou à proximité de la source, un nez électronique est capable de détecter et de reconnaître

16 Autre problème : La concentration descend sous la limite de détection des capteurs Au niveau de l'émission, ou à proximité de la source, un nez électronique est capable de détecter et de reconnaître une odeur, mais pas dans l'environnement Composition chimique typique? Installation de compostage esters 23% alcohols 27% & aldehydes ketones 17% aromatics 1% terpens 28% aliphatic hydrocarbons 3% sulfur compounds 1% Station d'épuration Composés azotés Composés soufrés Acides organiques Aldéhydes Cétones Ammoniac Diméthylamine Méthylamine Ethylamine Scatole Indole Cadavérine Sulfure de diméthyle Methanthiol Ethanethiol Sulfure d'hydrogène Acide acétique Acide butyrique Acide valérique Méthanal Ethanal Butanal Acétone

17 Concentrations typiques à l'émission? Installation de compostage Exemples de composés 3-methyl-butanal Ethyl ester d'acide butanoïque 2-butanol Phénol Acetate d'éthyl 1-propanol 2-butanone Limonène Ethanol ppm(v) Station d'épuration (stabilisation des boues) Exemples de composés Ammoniac Toluène Sulfure de diméthyle ppm(v) Abattoir Exemples de composés Sulfure de diméthyle Sulfure de triméthyle Tétramethyle pyrazine Acétone ppm(v) Rarement au dessus de 1 ppm(v) Mais le nez électronique réagit à l'émission globale (pas aux composés individuels) Somme? - pas représentative de la réponse globale du réseau de capteurs - pas représentative de la concentration d'odeur (en uo/m 3 )

18 Pour avoir une idée de l'ordre de grandeur de la "concentration chimique globale" détectée par le réseau de capteurs Trouver une équivalence entre la "concentration chimique globale" du mélange odorant et la concentration de vapeur d'éthanol Caractéristique commune = signaux des capteurs Resistance des capteurs Ethanol Ambiance odorante Concentration d'éthanol Dilution du mélange gazeux odorant

19 E T H A N O L Ethanol Gaz odorant (compost) 1 25 ppmv équivalents-éthanol

20 Quelle est la limite de détection en "équivalents-éthanol"? Limite de détection rapport signal-bruit S/N = 3 Bruit = écart-type σ du signal stabilisé (p.ex. en kω) Pour notre configuration σ [ 0.07,1.8kΩ] selon le type de capteur Correspond à ppm(v) en équivalents-éthanol Ou à une dilution de pour un échantillon typique prélevé au dessus du compost (R0-R) sensor TGS2620 (kω) (R0-R) sensor TGS2620 (kω) σ = 1.35 kω Ethanol concentration (ppmv) Ethanol concentration (ppmv) Ethanol concentration = 0.20 ppmv

21 et la limite de résolution peut encore être plus élevée (p.ex. reconnaître une odeur de compost parmi d'autres) Decreasing concentration 0.5 Factor Decreasing concentration Factor 1 compost neutralizing product

22 Lorsqu'on s'éloigne de la source, la concentration "globale" descend rapidement sous la limite de détection des capteurs gaz 10 ppm 1 ppm 100 ppb 10 ppb Il est donc essentiel d'améliorer le prélèvement du gaz

23 Correspondance avec la "concentration d'odeur" Echantillons prélevés en double

24 "Courbe de calibration" entre la concentration d'odeur et les signaux des capteurs 3σ = 1.35 kω (R0-R) sensor TGS2620 (kω) uo/m 3 ou/m3 Pour une émission de compost, la concentration d'odeur correspondant à la limite de détection des capteurs est faible et proche du seuil de détection olfactif, défini par 1 uo/m3. Pour les différents capteurs : de 10 à 80 ou/m 3.

25 Problème supplémentaire : mesurer une odeur Objectif du nez électronique : reconnaître une odeur (ex. : émission de compost) et la suivre en continu p.ex. : détecter que le niveau d'odeur dépasse un "seuil d'alerte" exhaust gaz of a truck 700 uoe/m³ : seuil d'alerte de la concentration d'odeur 9:40 9:46 9:51 9:56 10:01 10:07 10:12 10:17 10:23 10:28 10:33 10:39 10:44 10:49 10:54 11:00 11:05 11:10 11:16 11:21 11:26 11:32 11:37 Time

Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants Le signal global du nez électronique "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la

26 Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants Le signal global du nez électronique "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur TGS 822 Concentration = *(G-G 0 ) with G 0 = r² = Conductance G(kS) OK pour les émissions de compost Concentration odeur TGS 800 TGS Conductance (G, ks) PAS pour les émissions d'une imprimerie

27 Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants Le signal global du nez électronique "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur TGS 822 Concentration = *(G-G 0 ) with G 0 = r² = Conductance G(kS) Concentration odeur Conserver cette relation après préconcentration OK pour les émissions de compost

La signature fongique caractéristique ("odeur de moisi") n'inclut pas nécessairement de

28 Parfois : aucun composé spécifique, mais "signature" caractéristique Exemple (pollution de l'air "indoor") : détection de la contamination aux moisissures de matériaux en bois La signature fongique caractéristique ("odeur de moisi") n'inclut pas nécessairement de nouveaux composés par rapport aux matériaux sains α-pinène β-pinène α-pinène β-pinène

29 Problème : Préserver la dynamique de la détection Monitoring continu 0 c o m p o s t p i l e m o v i n g c o m p o s t a e r a t i o n 1 0 Mahalanobis distance (D²) w o r k i n g d a y s o f f w e e k - e n d : : : : : : : : : : : : 5 7

30 Idéalement Une pré-concentration devrait travailler de manière quasi continue, pour permettre l'analyse d'un grand nombre "d'échantillons" durant une période donnée. 9:40 9:45 9:50 9:55 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:23 10:28 10:33 10:38 10:43 10:47 10:52 10:57 11:02 11:07 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:35 Time

31 Time 9:40 9:45 9:50 9:55 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:23 10:28 10:33 10:38 10:43 10:47 10:52 10:57 11:02 11:07 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:35 OK

32 Time 9:40 9:45 9:50 9:55 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:23 10:28 10:33 10:38 10:43 10:47 10:52 10:57 11:02 11:07 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:35 Trop de "filtrage"

33 En dépit de ces problèmes, le nez électronique (même sous sa forme actuelle) peut s'avérer être un outil efficace pour le monitoring d'odeurs environnementales Hall de compostage d'habay

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