Exploration des possibilités du dispositif Chemcatcher pour la surveillance de polluants organiques dans le milieu marin

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1 TOULON Laboratoire d Analyses de Surveillance et d Expertise de la Marine Rapport de stage Master 1 Chimie et Matériaux option environnement Laure DAVY Exploration des possibilités du dispositif Chemcatcher pour la surveillance de polluants organiques dans le milieu marin Maitre de stage : Pharmacien en Chef Jean-Ulrich MULLOT Tuteur de stage : IEF David FRANCOIS Période de stage : du 2 Avril 2012 au 1 Juin

2 Remerciement Tout d abord, je tiens à remercier Mme Cordat, Pharmacienne en Chef du LASEM de Toulon, de m avoir accueillie au sein de son laboratoire. J aimerais remercier tout particulièrement, Mr Mullot Jean-Ulrich, mon maitre de stage et Mr David François, mon tuteur de stage pour leur aide et leur soutien pendant les 2 mois du stage. Pour finir, je remercie tout le personnel du laboratoire expertise, gaz, eaux et amiante ainsi que les stagiaires et apprentis de ces différentes unités, pour leur attention et leur bonne humeur. 2

3 Sommaire Résumé.4 I. Introduction.5 II. Présentation du LASEM.6 1. Organisation du laboratoire Les services.7 3. Activités du LASEM 8 4. Démarche qualité..8 III. Synthèse bibliographique..9 IV. Matériels et méthodes Le Chemcatcher La chromatographie gazeuse Protocole expérimental..15 a. Solvants utilisés.15 b. La gamme étalon..15 c. Le conditionnement...17 d. Le temps d exposition...18 e. L extraction 18 f. L analyse Objectifs.19 V. Résultats et discussions Tests de capacité d adsorption Essais des Chemcatchers dans une matrice simple Essais des Chemcatchers dans une matrice complexe Taux d échantillonnage et coefficient de transfert.30 VI. Conclusion 32 Bibliographie 33 Tables des illustrations...34 Annexes.35 3

4 Résumé Mots clés : Chemcatcher, chromatographie en phase gazeuse, pollution, hydrocarbures L étude du Chemcatcher pour échantillonner les hydrocarbures en milieu marin, a été proposée par le Laboratoire d Analyses, de Surveillance et d Expertise de la Marine (LASEM) de la Base Navale de Toulon. La présence de la structure du Lazaret, qui traite les carburants des cuves des bâtiments militaires, et le risque toujours présent, d accidents type marée noire, ont motivé le laboratoire à lancer cette étude. Des recherches ont été réalisées sur l utilisation de ce dispositif pour le dosage des pesticides et des HAP en milieu marin mais pas pour les hydrocarbures linéaires, composés majoritaires des carburants. Les premiers essais ont été réalisés en laboratoire. Tout d abord, dans une matrice simple, l eau milliq dopée en hydrocarbures, après avoir vérifié que le disque pouvait retenir le composé ciblé et que l extraction était possible. Puis, dans une matrice plus complexe, l eau de mer, elle aussi dopée en hydrocarbures. Les principales manipulations ont été réalisées en utilisant des Chemcatchers ne disposant ni de membrane ni de couche de diffusion. Les résultats obtenus ont montré que ce dispositif pouvait être utilisé en situation réelle, en milieu marin ; cette matrice complexe ne gène pas l adsorption des hydrocarbures par le disque de C 18. Il faut noter également que le système doit être déployé au minimum une semaine ou plus longtemps pour de faibles pollutions, afin que la réponse soit significative. Les essais en milieu marin n ont été que préliminaires en raison de la durée de ce stage. Des études plus poussées sont donc nécessaire avant l utilisation des Chemcatcher, principalement sur l optimisation de sa configuration. 4

5 I. Introduction La rade de Toulon peut souvent être sujette à des pollutions par les hydrocarbures du fait de la présence de bâtiments civils et militaires. Ces pollutions, lorsqu elles sont connues, sont contrôlées et caractérisées par le Laboratoire d Analyses, de Surveillance et d Expertise de la Marine (LASEM). Le laboratoire souhaite développer l utilisation d échantillonneurs passifs afin de faciliter et d améliorer la surveillance des eaux de la rade. Il y a plusieurs objectifs concrets à la réalisation d échantillons intégrés dans le temps : - améliorer la surveillance environnementale de l installation du Lazaret, structure de la base de défense de Toulon, traitant les hydrocarbures des cuves des bateaux militaires (caisses à huile et eaux mazoutteuses). Les exploitants de cette installation sont tenus de respecter un arrêté ministériel qui, impose un seuil de rejet de 100 g/jour et la concentration maximale rejetée ne doit pas dépasser 10mg/L (selon la norme de mesure NF T portant sur les hydrocarbures totaux). Une surveillance mensuelle est mise en place [1]. Cependant, un échantillonnage plus régulier par des capteurs passifs pourrait apporter des éléments complémentaires d aide à la décision. - en situation d urgence, pour la surveillance de sites sensibles (marée noire par exemple). Dans ces situations, l échantillonneur passif possède de nombreux avantages : faible cout, rapidement déployable, sensible, etc Le choix de l échantillonneur passif s est porté sur le Chemcatcher pour sa simplicité d utilisation. Aucune étude n a été réalisée avec ce dispositif pour le dosage des mélanges d hydrocarbures linéaires type alcanes, composants majoritaires des carburants. Sa capacité à les échantillonner convenablement n est donc pas assurée. Durant ce stage, les tout premiers essais en laboratoire ont été réalisés. Dans un premier temps, il a été vérifié que le disque, contenu dans le dispositif, captait les hydrocarbures et que le laboratoire pouvait ensuite procéder à son analyse. Dans un second temps, le Chemcatcher a été soumis à différentes situations simulées. Les solutions obtenues ont été analysées par chromatographie en phase gazeuse. Après une présentation du LASEM, le matériel et les techniques utilisés seront décris. Pour finir, les résultats obtenus lors du stage seront exposés et discutés. 5

6 II. Présentation du LASEM Le LASEM, Laboratoire d Analyses, de Surveillance et d Expertise de la Marine, est un laboratoire d état du ministère de la Défense, situé dans la Base Navale de Toulon. C est un pôle scientifique et technique du port militaire, né en 1997 de la fusion du Laboratoire de Chimie Analytique (LCA) et du Laboratoire de Surveillance Radiologique (LSR). Il en existe 3, à Brest, Cherbourg et Toulon qui ont chacun leur spécialité. L analyse des contaminants minéraux et organique dans l eau de mer, l analyse microbiologique des eaux destinées à la consommation humaine et l analyse de l atmosphère des sous marins pour Brest, l analyse des sédiments pour Cherbourg et les mesures d empoussièrement par l amiante et l analyse des autres contaminants particulaires atmosphérique pour Toulon. La plupart des analyses et prestations sont réalisées pour la Marine Nationale et elles sont prioritaires mais les autres armées ainsi que d autres organismes militaires ou civils peuvent en bénéficier. 1. Organisation du laboratoire Le LASEM est placé sous l autorité de l Etat Major de la Marine et est dirigé par un Pharmacien du Service de Santé des Armées. Il composé de personnel militaire et civil. Le personnel militaire comprend : - des pharmaciens des Armées - des officiers sous contrat - des officiers mariniers et officiers mariniers supérieurs (SSR) Quant au personnel civil, il est composé : - de fonctionnaires de l ordre technique - de fonctionnaires de l ordre administratifs - de personnels à statut ouvrier Le LASEM est constitué au minimum, de 3 services ; le Laboratoire de Chimie Analytique (LCA), le Laboratoire de Surveillance Radiologique (LSR) et le Service de Surveillance Radiologique (SSR). Ces services sont eux même divisés en plusieurs unités techniques. 6

7 2. Les Services Le LCA est divisé en 4 unités techniques et une unité prélèvement : - L unité de prélèvements s occupe de récupérer tous les échantillons qui vont être analysés par les différentes unités techniques. - L unité technique amiante identifie l amiante éventuellement présente dans les échantillons reçus. - L unité technique eaux vérifie, par des analyses physicochimiques, que les eaux de consommation humaine, les effluents, les eaux déminéralisées, les eaux de piscine et de baignade, les eaux traitées et de réfrigération ne soient pas polluées. - L unité technique gaz analyse des atmosphères de travail ou confinées, de l air respirable et de plongée et des mélanges respiratoires. - L unité technique expertise identifie des produits inconnus au profit de l action d état en mer. Le LSR est constitué de 3 unités dont une unité prélèvement également : - L unité prélèvement s occupe de prendre tous les échantillons nécessaires à la surveillance radiologique de l environnement, ainsi que du traitement physique. - L unité technique radiochimie, s occupe du traitement et de l analyse chimique des échantillons de l environnement et du domaine industriel. - L unité technique mesure physique mesure l activité des radionucléides contenus dans les échantillons. Le SSR, service récemment intégré au LASEM a pour mission la prévention des risques nucléaires. Il est divisé en 3 secteurs : - Le secteur intervention, qui s occupe du soutien des bâtiments en entretien en matière de radioprotection, de l instruction des demandes d expertises formulées par les unités et de l organisation d exercice d entrainement à l intervention en milieu radiologique. - Le secteur 2SNM, pour la mise en œuvre et l entretien du système de surveillance nucléaire marine en temps réel. - Le secteur formation qui soutien la PCR du bord pour l élaboration des analyses des postes et la formation des équipages et qui fait des formations au profit des unités ou services soutenus. L organigramme du LASEM est présenté en Annexe 1 7

8 3. Activités du LASEM Les activités du LASEM se font dans différents domaines. Surveillance et protection de l environnement Cela permet de garantir le respect de la réglementation et consiste à intervenir dans la protection de l environnement des sites industriels et des installations nucléaires par l analyse des effluents. En cas d accident, le LASEM pourrait déterminer l origine, la nature et la concentration des polluants, ainsi qu évaluer les risques pour la population et l environnement. Santé, sécurité au travail La sécurité du personnel et la viabilité de l environnement de travail sont vérifiées et assurées, ainsi que la conformité des gaz et de l atmosphère de travail, des eaux destinées à la consommation humaine et des eaux de piscine ou de baignade. Soutien et aide à la décision des forces navales par des analyses de type industriel Cela consiste à un contrôle chimique d eaux déminéralisées, d eaux traitées, d électrolytes de bains de traitement de surfaces et de dépôts divers et à la mesure de radioactivité des liquides de circuits de chaufferies nucléaires, d eaux et de prélèvements divers. Action de l Etat en mer Domaine mis en place lors d un sinistre mettant en jeu des produits dangereux ou lors d un accident écologique survenant en mer. Activités extérieures à la marine A pour but de maintenir un certain niveau scientifique et technique nécessaire à l obtention ou la conservation d une accréditation on d un agrément. 4. Démarche qualité Plusieurs unités techniques (UT) du LASEM, l UT eaux et l UT amiante, sont accrédités et l UT gaz est en cours d accréditation, par le COFRAC, organisme national. Les accréditations suivent le référentiel NF EN ISO Ce label permet de garantir au client un niveau de service dans les domaines suivants : - application et respect des normes d essais, - traçabilité et qualité des résultats, - formation du personnel et amélioration constante des équipements d essais. Donc, par le respect de ces normes, la crédibilité du laboratoire est maintenue et cela va permettre de rechercher une amélioration constante des moyens analytiques, de préserver l indépendance des activités techniques, de garantir l intégrité des résultats et pour finir de soutenir les laboratoires dans l obtention des moyens humains (personnels et formations), matériels et financiers 8

9 III. Synthèse bibliographique Lors d une pollution, qu elle se produise en milieu aqueux, sur la terre ou dans l air, des prélèvements sont nécessaires afin de caractériser la pollution et d évaluer ses impacts écologiques et sanitaires éventuels. Ils permettent également de surveiller les rejets d usines. Si des prélèvements ponctuels sont souvent réalisés, le suivi répété dans le temps d une contamination étendue est très difficile en situation critique. L utilisation d échantillonneurs passifs peut alors être utile. En effet, ils peuvent rester en place de quelques jours à plusieurs semaines. Ils mesurent des concentrations moyennées sur la période d exposition presque sans intervention humaine. Différents types d échantillonneurs passifs existent et ils ont chacun leurs spécificités. Pour l analyse de contaminants inorganiques [2] [3], le plus connu est le DGT (Diffusive Gradients in Thin film). Il est constitué de 2 couches, la première contenant la phase réceptrice et l autre est une fine couche de diffusion. Il permet de connaitre la spéciation et la disponibilité de beaucoup de métaux vis-à-vis du milieu biologique. En ce qui concerne l analyse des contaminants organiques [2] [3], les plus connus sont : - POCIS (Polar Organic Chemical Integrative Sampler), qui permet l analyse de composés hydrophiles et polaires comme les herbicides. - SPME (Solid Phase MicroExtraction), qui permet l analyse de composés hydrophobes comme les HAP (Hydrocarbures Aromatiques polycyclique) ou les pesticides. Sa sensibilité n est pas très élevée. - SPMD (Semi Permeable Membrane Device), qui permet l analyse de composés hydrophobes et apolaires, même type de composés que ceux captés par le Chemcatcher. Mais l extraction des polluants est compliquée (dialyse), longues et nécessite d importantes quantités de solvants. C est pour cela que le choix de l échantillonneur passif s est porté sur le Chemcatcher. De nombreuses études pour le dosage de pesticides [4] [5], par le Chemcatcher ont été menées et les résultats sont concluants, mais peu d études portent sur les hydrocarbures à longues chaines carbonées. 9

10 IV. Matériels et méthodes 1. Le Chemcatcher [2] [6] [7] [8] Support en PTFE Phase réceptrice Membrane de diffusion Figure 1 : photographie d un Chemcatcher Le Chemcatcher est un échantillonneur passif permettant l analyse de composés organiques ou inorganiques, polaires ou non polaires, en milieu marin. Il est constitué d une phase réceptrice et d une membrane de diffusion placées dans un support en PTFE (polytétrafluoroéthylene). Les composés ciblés passent à travers la membrane et sont accumulés dans la phase réceptrice. La nature de la membrane et de la phase réceptrice va dépendre des propriétés des contaminants que l on veut analyser. Dans le cadre du stage, le Chemcatcher va servir à l analyse des hydrocarbures qui pourraient être présents dans la rade de Toulon, la phase réceptrice sera donc un disque Empore C18 de 47 mm de diamètre qui a de fortes affinités et capacités de capture pour les contaminants organiques apolaires. La membrane de diffusion pourra être en LDPE (low density polyéthylene) avec une couche d octanol comme recommandé dans la littérature scientifique. L utilisation du Chemcatcher a des avantages. En effet, sa sélectivité est ajustable par la modification de la membrane de diffusion de la phase réceptrice, ses données de calibration sont disponibles pour de nombreux produits chimiques, son équilibrage est rapide, son coût est faible et son utilisation est simple. Cependant il présente certains inconvénients. Sa capacité de capture est faible et le système et donc son rendement d échantillonnage, est sensible aux mécanismes de turbulence et au biofouling. 10

11 Partie théorique : Le fonctionnement d un échantillonneur passif est soumis à quelques équations révélant le comportement dynamique des contaminants. La capacité d adsorption du disque ainsi que l échange qui a lieu entre le milieu contaminé et le dispositif en sont les principales caractéristiques. La capacité d adsorption, pour un polluant donné est déterminée par le taux d échantillonnage Rs. Rs = m(d)/(cw*t) Avec m(d) = masse de l analyte dans la phase réceptrice (g/disque) Cw = concentration de l eau pendant le déploiement (g/l) t = temps d équilibre (heures) L échange qui a lieu entre le milieu et le dispositif est caractérisé par le coefficient de transfert k o k o = Rs/A Où A=πr², est l aire du disque de C18. On fait l approximation que l épaisseur du disque est nulle. 2. La chromatographie en phase gazeuse (GC) [9] [10] Figure 2 : photographie du chromatographe en phase gazeuse Arnel Clarus 500 La chromatographie est une technique analytique qualitative et quantitative permettant la séparation et la quantification des analytes présents dans un échantillon. En effet, l aspect qualitatif se traduit par la position des pics sur l axe du temps permettant d identifier les composés. L aspect quantitatif est montré par les valeurs des aires des pics, les concentrations en analytes dans l échantillon sont alors connues. 11

12 Elle s applique aux composés gazeux ou susceptible d être vaporisés par chauffage, sans décomposition. Le principal avantage de cette méthode est la possibilité d analyser de très petite quantité, généralement en dessous du milligramme ainsi qu en très faible concentration (du ppm : 10-3 mg/g au ppb : 10-6 mg/g voir moins) L analyse des composés organiques est le principal domaine d application de cette méthode. Principe : Une microseringue vient injecter l échantillon à travers une pastille en caoutchouc, appelé septum, dans le liner qui se trouve dans le premier compartiment, l injecteur. C est dans le liner que la vaporisation a lieu. Il contient de la laine de verre qui va éviter que des microgouttelettes passent dans la colonne avant d être vaporisées. La partie injecteur du GC est portée à une température appropriée à la volatilisation de l échantillon. Ce dernier est ainsi entrainé par le gaz vecteur jusqu à la colonne de séparation. Les différentes molécules vont alors rester plus ou moins longtemps dans cette colonne suivant leurs interactions avec les molécules contenues dans la phase stationnaire. Un détecteur va ensuite pouvoir différencier les composés de l échantillon injecté. La bonne séparation d un échantillon est caractérisée par les temps de rétention de chaque molécule c est-à-dire le temps qu elles mettent à sortir de la colonne et donc à arriver au détecteur. Le chromatographe se compose : - d un injecteur - d une colonne contenue dans une enceinte à une température contrôlée - d un détecteur en sortie de colonne suivi d un système d acquisition Figure 3 : schéma d un chromatographe Il existe beaucoup d injecteurs, de colonnes, de détecteurs différents suivant l utilisation souhaitée et l application. Les descriptions qui vont suivre ne concernent que le chromatographe Perkin Elmer Arnel Clarus 500, appareil utilisé pendant le stage. Il possède une colonne capillaire dont la phase stationnaire est de type Elite-5 MS. Elle a une longueur de 30 m, un diamètre de 0.32 mm et une épaisseur de phase de 0.25 µm. 12

13 Le gaz vecteur : En GC, la phase mobile est un gaz inerte tel que l hélium, l argon, l azote, le dioxyde de carbone et l hydrogène. L hélium est le gaz vecteur le plus couramment employé. Il est injecté à un débit connu. L injecteur : Joue plusieurs rôles, pour des échantillons liquide, solide ou gazeux. - rôle d interface permettant l introduction de l échantillon dans le chromatographe. - rôle de système de vaporisation pour les échantillons solides ou liquides. - rôle d organe de transfert dans la colonne chromatographique. Il doit posséder les caractéristiques suivantes : - assurer une récupération représentative de l échantillon. - avoir une répétabilité et une justesse suffisante pour les analyses quantitatives. - permettre l utilisation de n importe quelle colonne. - autoriser l introduction de tous les échantillons quelque soit leurs propriétés. - posséder une bonne inertie chimique. - être simple d utilisation. - permettre l automatisation du cycle d injection. - avoir un coût le plus bas possible. Le système le plus répandu est le système d injection split/splitless. Il permet un transfert rapide de l échantillon ainsi que la diminution de la quantité injectée. Contrairement à un système d injection normal, l injecteur en mode split a pour caractéristique d évacuer une partie de l échantillon vaporisé. En effet, une vanne (la fuite) est ouverte, et la partie gazeuse s échappe. Pour cela, l injecteur est chauffé à la température d ébullition du solvant et le débit de fuite est réglé. De cette manière le solvant part mais les analytes peuvent aller dans la colonne. Le problème de cet injecteur est le risque élevé quant à la perte d une certaine quantité de molécules lors de la fuite mais il permet d éliminer une grande quantité de solvant ce qui évite les pics larges de solvant en début de chromatogramme. Ce système d injection est celui utilisé pour les analyses faites durant mon stage. Méthode d analyse : LVI (injection à large volume) En général, les volumes injectés en GC sont de 0.5 à 2µL. Le mode d injection LVI a pour but de concentrer les analytes dans l injecteur. Cette méthode n est valable que pour des analytes moins volatils que le solvant utilisé. Dans le cadre du stage, le solvant d extraction des hydrocarbures est l éther de pétrole et la concentration en hydrocarbures est recherchée. La température d ébullition de ces derniers est plus élevée que celle de l éther de pétrole. La méthode est donc applicable au dosage des hydrocarbures. L analyse en LVI va permettre d abaisser la valeur de limite de quantification (LQ). Cette limite est la valeur basse où le résultat obtenu est fiable à 60 %, d après la norme NF EN ISO Cette norme est également prise en compte dans la détermination de l indice hydrocarbures, indice permettant la quantification de ceux-ci. La méthode consiste à injecter 30 µl d échantillons dans l appareil. 13

14 La température de l injecteur est fixée à une température supérieure à la température d ébullition du solvant. En étant en split ouvert, la vanne est dégagée, le solvant sort du système et les molécules de l échantillon à poids moléculaires plus important restent dans l injecteur. Au bout de quelques minutes, le split est fermé et on augmente fortement le débit et la température pour permettre aux molécules restées dans l injecteur de passer dans la colonne. Elles passent alors dans celle-ci puis se dirige vers le détecteur. La Colonne : Figure 4 : photographie d une colonne capillaire C est un tube, plus ou moins perméable, aux gaz où se trouve la phase stationnaire qui peut être solide ou liquide, déposée ou greffé sur la surface interne de la colonne. Cette dernière est balayée en permanence par le gaz vecteur. Elle se trouve dans le four qui est maintenu à une température constante. Le détecteur à ionisation de flamme (FID) : Figure 5 : schéma d un détecteur à ionisation de flamme 14

15 Il est très couramment utilisé car il a une grande sensibilité, une bonne linéarité et est quasiuniversel pour les composés organiques grâce à la présence de carbone. Le courant gazeux issu de la colonne pénètre dans la flamme d un petit brûleur alimenté par un mélange d hydrogène et d air. Ce détecteur détruit l échantillon dont la combustion produit des ions et particules chargées, responsable du passage d un courant ionique extrêmement faible (10-12 ma) entre 2 électrodes. L intensité du signal est sensible au débit massique de l échantillon et la réponse est proportionnelle au débit du soluté de l appareil. Le FID possède une détection limite très faible (10-12 g /s) et un domaine de linéarité étendu. Pour mon stage, le choix s est porté sur la GC/FID car l étude se fait sur le dosage des hydrocarbures. Ce sont de longues chaines carbonées, contenant entre 10 et 40 atomes de carbone pour l application de la norme sur l indice hydrocarbure, la détection se fera donc très bien. De plus, ce sont des composés volatilisables ce qui justifie le choix de la chromatographie gaz. 3. Protocole expérimental [8] [10] [11] a. Solvants utilisés Pendant toute la durée du stage, les solvants utilisés sont : - l éther de pétrole ultra pur, qualité ATRASOL - l acétone, qualité Carlo Erba Reagents - le méthanol, dans un premier temps de qualité Analar Normapur, puis de qualité Carlo Erba Reagents. - l Octanol, de marque Acros Organics. Les fiches de sécurité de ces différents solvants figurent en annexes. b. Préparation de la gamme d étalonnage Pour préparer la gamme d étalonnage, la norme européenne NF EN ISO , a été utilisée. Cette norme explique les différentes étapes nécessaires à la détermination de l indice hydrocarbure. Préparation de la solution étalon interne, éther de pétrole dopé en décane et tetracontane : Dans mon cas, l étalon interne est du tetracontane C 40. Il va permettre la quantification des hydrocarbures dans les échantillons, par la méthode de l étalonnage interne. L étalonnage interne consiste à ajouter dans des solutions étalons et dans les échantillons, une molécule dont la quantité est parfaitement connue. Elle va servir de référence pendant l analyse et va permettre de corriger les écarts de linéarité qui peuvent se présenter lors d un étalonnage externe. 15

16 Pour que cette méthode puisse être utilisée il faut que l étalon interne suive quelques propriétés : - Il ne doit pas se trouver dans l échantillon, - doit être distinguable des analytes ciblés, - avoir des propriétés physiques et chimiques proches des molécules ciblées. Une solution d éther de pétrole(ep) va donc être utilisé, dans laquelle aura été ajouté du decane (C 10 ), composé liquide et du tretracontane (C 40 ), composé solide. Ces deux composés servent à borner le chromatogramme, c est-à-dire que la somme de tous les pics contenus entre ces 2 composés sera intégrée et considérée comme faisant partie de l indice hydrocarbures (que ces composés entre 10 et 40 atomes de carbone soient résolus ou non par le système chromatographique). Solution EP 1 : 50.3 mg de C 40 et 100 µl de C 10 sont introduit dans une fiole jaugée de 100mL La solution a donc une concentration de 500 mg/l en C 40. Solution EP 2 : 10mL de la solution EP 1 sont mis dans une fiole jaugée de 50mL. La concentration de la solution est de 100 mg/l en C 40 Solution EP 3 : 5mL de solution EP 2 sont ajoutés dans une fiole jaugée de 250mL. La concentration de la solution est de 2 mg/l en C 40. C est cette solution qui sera le solvant de dilution pour notre gamme étalon. Ces 3 fioles sont complétées jusqu au trait de jauge à l éther de pétrole. Préparation gamme étalon ; Cet étalonnage va également permettre de quantifier les hydrocarbures présents dans les échantillons analysés. Une gamme de linéarité est établie à partir de solutions de concentrations connues. Pour cela, la gamme doit englober les concentrations attendues et donc être assez étendue. La gamme faite dans le cas de l étude des hydrocarbures s étend de 20 mg/l à 160 mg/l dans le solvant d extraction. Les points sont les suivants : 20 mg/l, 40 mg/l, 80 mg/l, 100 mg/l, 120 mg/l, 160 mg/l. Ces solutions ont été préparées à partir d une solution mère (SM) contenant des hydrocarbures de référence. Comme décrit dans la norme , 0.32 g d huile et 0.68 g de gasoil ont été ajouté à de l éther de pétrole dans une fiole jaugée de 100mL afin d obtenir une solution a 10 g/l d hydrocarbures. 16

17 Concentration (mg/l) Volume du solvant de dilution (ml) Volume de solution (ml) Solution fille (SF) de SM étalon de SF étalon de SF étalon de SF étalon de SF étalon de SF Tableau 1 : préparation de la gamme étalon Le solvant utilisé pour diluer cette gamme étalon est la solution d éther de pétrole bornée entre le C 10 et le C 40, EP3. L analyse de ces différentes solutions se fait par GC/FID. Les chromatogrammes de la gamme et la droite d étalonnage seront présentés en Annexe 6. c. Conditionnement du disque Figure 6 : photographie de l appareil à filtration Comme expliqué dans la première partie, les Chemcatchers contiennent un disque C18 qui joue le rôle de phase réceptrice. Avant de le mettre en place dans l enceinte en PTFE, les publications indiquent qu il faut le conditionner, c est-à-dire le nettoyer et le mettre sous certaines conditions afin qu il soit capable d adsorber les molécules ciblées. Dans le cas des analytes apolaires et organiques, comme les hydrocarbures, le disque doit être, dans un premier temps, trempé dans du méthanol pendant environ 20 min sous agitation. Cette étape permettra de désorber toutes les impuretés que la manipulation du disque aurait pu apporter. 17

18 Dans un second temps, 10mL de méthanol suivis de 20mL d eau milliq devront être percolés à travers le disque à l aide d un appareil à filtration. L eau va éliminer le méthanol qui pourrait empêcher ou limiter l adsorption des hydrocarbures sur le disque. Le disque est alors prêt à être mis dans le support. Il faut souligner que cette étape de conditionnement doit se faire peu de temps avant la mise en place des Chemcatcher dans le milieu à analyser et est très importante. En effet, le disque pourrait récupérer des impuretés si on le laissait à l air libre avant sa mis en place dans le support, et si cette étape est mal faite des molécules pourraient rester sur le disque et être détectées lors de l analyse. Cela pourrait empêcher la mise en évidence d analytes ciblés. d. Temps d exposition Figure 7 : photographie des Chemcatchers mis en place Le temps d exposition dans le milieu naturel peut varier de 14 jours à 1 mois. [3] Dans le cadre de cette étude, pour des raisons pratiques, le temps d exposition ne sera que de quelques jours. Afin de mimer les courants et donc de reproduire le mouvement que l eau et les Chemcatchers peuvent avoir en milieu naturel, les béchers où ils sont placées, sont placés sur un plateau oscillant. e. Extraction Après avoir été exposés quelques jours dans l eau, les Chemcatchers sont retirés et les disques récupérés. Ils sont mis à sécher sur un support propre et sec, le temps de séchage est variable. 18

19 Le disque est alors placé dans un récipient pouvant se fermer, un ballon à fond plat a été utilisé. Deux fois 5mL de solution EP 3, précédemment préparés, sont introduites dans le ballon. Une agitation d environ 2 minutes est nécessaire après chaque ajout de solvant d extraction. Le solvant peut ainsi désorber les hydrocarbures présent sur le disque. Il est alors récupéré dans une fiole jaugée de 10mL. L éther de pétrole borné est très volatil, il y a donc des pertes de volume lors de l extraction. Les pertes sont d environ 30%. L ajout d éther de pétrole pour compléter la fiole jusqu au trait de jauge est nécessaire. f. L analyse Le solvant, concentré en hydrocarbures, peut alors être analysé en chromatographie en phase gazeuse, couplé à un détecteur à ionisation de flamme, dans les mêmes conditions que la gamme d étalonnage. 4. Objectifs L utilisation du Chemcatcher pour le dosage des hydrocarbures linéaires, n ayant jamais été décrit, il a fallut dans un premier temps s assurer que le dispositif était capable de les retenir en concentration suffisante pour qu ils soient détectables et quantifiables, lors d une utilisation en milieu naturel. Pour cela, une étude bibliographique é été mis en œuvre afin de connaitre la manière d utiliser le dispositif et d extraire les composés ciblés. Des solutions d hydrocarbures ont été préparées : Solution mère : par un rapport de 70% de gasoil et 30 % d huile, 0.68g de gasoil et 0.32g de gasoil ont été mis dans une fiole jaugée de 100mL, complété par de l éther de pétrole, afin d obtenir une concentration en hydrocarbures de 10g/L. Solution fille 1 : 2mL de la solution mère ont été prélevé et mis dans une fiole jaugée de 20mL, complété à l acétone. L acétone va permettre le mélange des hydrocarbures avec l eau ; c est un tiers solvant. Une solution à 1 g/l en hydrocarbures est ainsi préparée. Solution fille 2 : solution de 1L d eau distillée concentrée en hydrocarbures à partir de la solution fille 1. Le volume prélevé dépendra de la concentration voulue lors des différentes étapes de l expérience. Les concentrations vont être de 1, 2 et 5 mg/l. C est cette solution qui va permettre de tester les disques de C18. 19

20 Test de capacité d adsorption Afin de s assurer que les disques allaient bien permettre le dosage des hydrocarbures et avoir un protocole le plus adapté possible, des tests ont été effectué sur les disques C18 hors Chemcatcher. Trois protocoles différents ont été essayés. Après le conditionnement de 3 disques, la solution fille 2 concentrée à 1mg/L en hydrocarbures a été percolée sur chaque disque grâce à un appareil de filtration type buchner. - disque 1 : mis à sécher sous hotte - disque 2 : 0.8mL d acétone ajouté à la fin de la filtration puis mis à sécher sous hotte - disque 3 : 0.8mL d acétone ajouté à la fin de la filtration puis mis à sécher sous hotte. 0.5g de Florisil ajouté à la solution d hydrocarbures extraite du disque. Le Florisil élimine les substances polaires de la solution lorsque celles- ci sont susceptibles d être présentes (échantillonnage en milieu naturel avec présence de matière organique oxydée). Essais dans une matrice simple : eau milliq Si les tests sur les disques sont concluants, les premiers essais avec les Chemcatchers peuvent être entrepris. Ils consistent à tester le dispositif dans une matrice simple, l eau distillée dopée aux hydrocarbures. Deux béchers contiennent de l eau dopée à 1 mg/l où il y a respectivement un Chemcatcher avec et sans membrane de diffusion en LDPE. Trois autres béchers contiennent de l eau dopée à 2 mg/l où se trouvent deux Chemcatchers, respectivement avec et sans membrane et un autre possédant une membrane et environ 1mL d une solution de n-octanol entre la membrane et le disque. Leur comportement peut alors être comparé suivant les éléments constituants le système et la concentration d hydrocarbures dans la solution. La membrane et la couche de diffusion permettrait de limiter le passage des hydrocarbures afin de ne pas saturer le disque au bout de quelques jours d exposition. Puis, dans des béchers contenant de l eau dopée à 1,2 et 5 mg/l, des Chemcatchers sont entreposés afin de suivre l évolution de la quantité d hydrocarbures adsorbée sur le disque en fonction du temps. Dans chaque bécher, un échantillonneur passif est enlevé à 24, 48 et 192h. Essais dans une matrice complexe : eau de mer Une fois les expériences et les analyses terminées et concluantes, les essais des Chemcatchers dans une matrice plus compliquée, l eau de mer, peuvent débuter. Pour cela, de l eau de mer a été prélevée aux Sablettes, à côté de la Seyne sur Mer, dans le Var (eau de mer dont la contamination naturelle en hydrocarbures est inférieure à la limite de quantification du laboratoire, 0.2mg/L). 20

21 Afin de rester dans le même schéma que pour l eau milliq, l eau de mer a été dopée à 5 mg/l en hydrocarbures à partir de la solution fille 1. Trois Chemcatchers ont été mis en place et retirés à 24, 48 et 192h. Des tests avec de l eau de mer concentrée à 1 et 2 mg/l en hydrocarbures et en présence ou non de membrane et/ou de solution de n-octanol n ont pas été réalisés au vu des premiers résultats et par manque de temps. Pour chaque essai effectué, le taux d échantillonnage (Rs) et le coefficient de transfert (k o ) seront calculés afin de connaitre leur variabilité vis-à-vis des différentes situations dans lequel le dispositif est exposé. 21

22 V. Résultats 1. Tests de capacité d adsorption Dans un premier temps, 1L d eau distillée dopée à 1mg/L a été passé sur un disque C18 conditionné afin de vérifier qu il n y a pas d impuretés qui peuvent rester sur le disque après conditionnement. Pollution C 10 C 40 Figure 8 : blanc : chromatogramme d un disque après filtration de 1L d eau milliq L analyse en GC montre qu il y a des impuretés sur le disque, pollution d environ 0.2mg/L. Cela peut provenir du greffage de ce dernier. Les premiers tests sur les disques C18 sont toutefois mis en route car cette pollution n est pas significative par rapport aux signaux habituellement obtenus lors des étalonnages. Les résultats sont les suivants : - en étalonnage interne : caractéristiques concentration (mg/l) rendement (%) disque 1 séchage air 65,04 65 disque 2 acétone + séchage air 70,78 71 disque 3 acétone + Florisil + séchage air 285, Tableau 2 : résultats des premiers tests sur les disques en étalonnage interne - en étalonnage externe : caractéristiques concentration (mg/l) rendement (%) disque 1 séchage air 81,19 81 disque 2 acétone + séchage air 91,65 92 disque 3 acétone + Florisil + séchage air 151, Tableau 3 : résultats des premiers tests en étalonnage externe 22

23 C 10 Disque 2 + acétone Disque 3 + acetone + florisil C 40 Disque 1 séchage air Figure 9 : chromatogrammes des disques soumis à différents modes de séchage et/ou purification après filtration de 1L d eau milliq dopée à 1mg/L Les valeurs obtenues en étalonnage interne sont plus faibles que celles obtenues en étalonnage externe. Cela peut être expliqué par le fait que l étalonnage interne compense les variations d aires dues au chromatographe. En effet, beaucoup de paramètres de l appareillage peuvent varier à force d être utilisé. Les valeurs obtenues en étalonnage interne sont donc corrigées des interférences de l appareil. Ces résultats montrent que le disque retient bien les hydrocarbures et que leur désorption est réalisable et quantifiable (rendement moyen proche de 80%). La concentration obtenue pour le disque 3, disque où 0.8mL d acétone et 0.5g de Florisil ont été ajoutés, est très élevée par rapport aux autres. Afin d éliminer l hypothèse que le Florisil en est la cause, des analyses de ce purificateur mis dans de l éther de pétrole borné ont été réalisées. La concentration en hydrocarbures obtenue est nulle, le Florisil n est donc pas responsable de cette forte augmentation de la quantité d hydrocarbures retrouvée. Une contamination en hydrocarbures au moment du conditionnement des disques et/ou de la filtration est une hypothèse plus probable. Pour la suite des essais, il a été choisi de n utiliser ni le Florisil ni l acétone. Les variations entre les concentrations des différents disques sont trop faibles pour dire s il y a une influence de l un ou de l autre sur la désorption des hydrocarbures sur le disque de C18. Les premiers essais avec les Chemcatchers ont pu alors débuter. 23

24 2. Essais des Chemcatchers dans une matrice simple : l eau milliq Les concentrations qui sont indiquées ci-après seront des valeurs trouvées en étalonnage externe. En effet, entre le moment où les gammes d étalonnages (externe et interne) et les premiers essais avec les Chemcatchers ont été réalisés, le système chromatographique a connu quelques disfonctionnements. L aire du pic de C 40 (étalon interne) est passée d environ à environ Par manque de temps une nouvelle gamme d étalonnage n a pu être réalisée et le travail a donc été effectué en étalonnage externe. Comme pour les premiers tests sur les disques, des blancs ont été fait. De la même manière, une légère pollution est révélée. La concentration en hydrocarbures est d environ 25mg/L dans EP. Cela peut provenir du flaconnage, de la manipulation ou des alcanes présents sur le disque de par sa composition. Des béchers contenant de l eau milliq dopée à différentes concentrations en hydrocarbures sont mis en place. impureté C 10 5mg/L 2mg/L C 40 1mg/L Figure 10 : chromatogramme des analytes extraits après déploiement de 8 jours dans de l eau distillée dopée à différentes concentrations. L analyse qualitative de ces chromatogrammes montre bien que la quantité d hydrocarbures présents sur le disque est de plus en plus importante lorsque la concentration en polluants dans le milieu augmente. L adsorption sur le disque se fait donc correctement. L analyse quantitative des chromatogrammes obtenus après analyse en GC donne les concentrations en hydrocarbures totaux de la solution extraite du disque. Les variations de ces concentrations sont montrées en fonction du temps et de la concentration du milieu de déploiement. 24

25 concentration (mg/disque) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, temps d'exposition (jours) 5 mg/l 2 mg/l 1 mg/l Figure 11 : évolution de la quantité d hydrocarbures présents sur le disque en fonction du temps d exposition pour un milieu dopée à différentes concentrations Ce graphe montre que pour de faibles concentrations de polluants, la quantité d hydrocarbures captée par le disque est faible. La courbe représentant le milieu concentré à 1mg/L indique que la quantité adsorbée n augmente pas malgré un temps d exposition de plus en plus long alors que pour des concentrations plus élevées (2 et 5 mg/l) la quantité augmente. Les résultats obtenus pour 1mg/L ne sont donc pas concluants. En effet, la concentration diminue quand le temps d exposition augmente. Cela peut être du à une évaporation des hydrocarbures présent dans l eau ou du à la variabilité de la méthode sur des faibles concentrations. Il conviendrait de refaire des tests en augmentant le temps d exposition à plusieurs semaines et en renouvelant la solution d hydrocarbures où est mis le Chemctacher dans le but de voir si le dispositif est applicable à des situations de faibles contaminations en milieu naturel. Les autres courbes, pour 2 et 5 mg/l montrent un bon schéma de fonctionnement. Plus la concentration du milieu est élevée et le temps d exposition long plus les concentrations trouvées sur le disque sont fortes. De plus l évolution des courbes est semblables pour ces 2 concentrations, le disque réagit donc de la même manière quelque soit le degré de contamination. Lors d une pollution, il serait donc possible d approcher la quantité moyenne présente dans le milieu pendant le déploiement du dispositif. Cette capacité est illustrée dans le graphe suivant. 25

26 concentration du milieu de déploiement (mg/l) y = 0,0573x - 0,7042 R² = 0, concentration dans la soltion d'élution du disque (mg/l) 1 jour 2 j 8 j Linéaire (8 j) Figure 12 : étude de l influence de la concentration du milieu de déploiement sur la quantité d hydrocarbures adsorbée par le disque pour différents temps d exposition Pour un déploiement de 24h, la quantité adsorbée par le disque est presque constante et croit légèrement pour 2 jours d exposition. La réponse n est linéaire que pour 8 jours d exposition. Cela indique qu un déploiement de 24h ou 48h n est pas valable. A ce stade de la compréhension du fonctionnement du dispositif, lors d une pollution, il faudrait rester exposé au minimum 1 semaine afin d estimer au mieux la concentration du milieu. Cette concentration pourrait être connue grâce à l équation de la droite (en vert) pour 8 jours mais ces premiers résultats encourageant doivent être complétés par des études en matrice plus complexe et proche de la réalité. D après les recherches de J.Camilleri [7] sur le dosage des pesticides par le Chemcatcher, la mise en place d une membrane et d une couche interstitielle de n-octanol permettrait d éviter une saturation trop rapide du disque. Cette saturation est mise en évidence sur la figure 11 pour les solutions d eau distillée dopée à 2 et 5mg/L. Des Chemcatchers contenant une membrane en LDPE ont donc été mis dans une eau dopée à 5mg/L. La capacité du disque à capter les hydrocarbures lorsqu il y a ou pas une membrane va être comparée. C 10 gasoil huile C 40 Avec LDPE Sans LDPE Figure 13 : chromatogramme comparant un Chemcatcher contenant une membrane et un sans pour un déploiement de 24h dans de l eau milliq dopée à 5mg/L 26

27 concentration (mg/disque) L étude des chromatogrammes d un Chemcatcher ne contenant pas de membrane de diffusion et d un autre qui en contient montre que la différence ne se fait pas uniquement quantitativement mais aussi qualitativement. Le dispositif où une membrane a été placée présente un UCM (Unresolved Complexe Mixture), pics caractéristiques de l huile, moins important mais les pics de gasoil sont mieux définis. La membrane de LDPE permettrait donc une meilleure diffusion du gasoil mais limiterait le passage de l huile. L analyse quantitative peut confirmer cette hypothèse. 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, temps d'exposition (jours) disque seul disque + LDPE Figure 14 : quantité d hydrocarbures adsorbée du disque en fonction du temps d exposition pour un milieu concentré à 5mg/L Ce graphe montre bien que la membrane en LDPE limite le passage des hydrocarbures du milieu vers le disque. Les concentrations en hydrocarbures sont plus faibles mais les 2 courbes évoluent de la même façon. La membrane permettrait donc d éviter la saturation du disque lors d un déploiement prolongé ou d une forte pollution mais modifieraient potentiellement le comportement du disque vis-à-vis des analytes. Pour un temps d exposition de 24h, la concentration est la même que le Chemcatcher possède ou non une membrane. Le temps d exposition est donc trop court pour qu il y ait une réelle différence. Pour une exposition de courte durée, la membrane n a pas d utilité. Il faudrait continuer les comparaisons afin de vérifier si, pour un milieu beaucoup plus concentré, la membrane jouerait un rôle dans le but de vérifier qu en cas de forte et ponctuelle contamination, le dispositif pourrait être mis en place sans risque de saturation rapide. 27

28 Concentration (mg/l EP) concentration du milieu (mg/l) sans LDPE avec LDPE Figure 15 : comparatif de la quantité adsorbée avec et sans membrane pour un temps d exposition de 48 h Pour l eau distillée dopée à 2 et 5 mg/l en hydrocarbures, ce graphe confirme que la membrane perturbe le passage des hydrocarbures du milieu vers le disque et que la solution à 1mg/L ne contient pas assez d hydrocarbures pour que la membrane ait une utilité. Il est possible qu une couche interstitielle de n-octanol, entre la membrane et le disque, permette une meilleure diffusion des polluants [7]. Des essais avec des Chemcatchers contenant cette couche pourraient le montrer mais par manque de temps, cela n a pas pu être fait pendant le stage. 3. Essais des Chemcatchers dans une matrice complexe : eau de mer Le Chemcatcher a pour but d être utilisé en milieu marin pour les mesures de concentrations en hydrocarbures pouvant être présents. Les premiers essais dans de l eau de mer ont donc été réalisés. Un Chemcatcher a été mis en place dans l eau de mer sans ajouts de polluants ; c est le blanc. (Annexe 7) Trois autres sont placés dans un bécher contenant l eau de mer dopée en hydrocarbures à 5 mg/l et ont été déployé pendant 24h, 48h et 192h. 28

29 concentration (mg/disque) impureté C 10 C 40 24h 192h 48h Figure 16 : chromatogramme des analytes extraits des disques contenus dans les Chemcatchers pour différents temps d exposition Qualitativement, ces chromatogrammes montrent bien que le Chemcatcher joue son rôle dans l eau mer comme dans l eau distillée. La désorption des hydrocarbures n est pas gênée par cette nouvelle matrice. Il peut donc être mis en place dans l environnement. Le chromatogramme correspondant au Chemcatcher sortis du bécher à 24h est au dessus de celui sortis à 48h. Cela est du au fait qu entre 24 et 48h le laps de temps est court. Le disque n a donc pas le temps d adsorber plus d hydrocarbures en 48h qu en 24h. La forme de ces chromatogrammes est la même il y a donc une quantité d huile et de gasoil adsorbée qui croit avec le temps d exposition. 1 0,8 0,6 0,4 0,2 eau milliq sans membrane eau milliq avec membrane eau de mer temps d'exposition (jour) Figure 17 : concentration en hydrocarbures du disque en fonction du temps d exposition dans des milieux dopés à 5 mg/l La courbe représentative des Chemcatchers placés dans l eau de mer montre des concentrations plus basses que lorsque le disque est placé dans de l eau milliq sans membrane de diffusion mais supérieures à celles obtenues pour le disque auquel une membrane en LDPE a été ajoutée. La diffusion se ferait donc moins bien dans l eau de mer que dans l eau milliq pouvant être dû à une activité biologique plus importante dans l eau de mer. Il faudrait le confirmer par des essais de Chemcatchers dans l eau de mer et l eau distillée où les temps d exposition seraient plus longs. 29

30 ko (L/h/m^3) Rs (L/h) La quantité obtenue pour un déploiement de 24h est, par contre, supérieure à celles des disques avec et sans membrane placés dans l eau milliq. Cela peut s expliquer par un effet de «saltingout». Dans une extraction solide/liquide, le sel aide à la désorption des analytes ciblés. Comme remarqué lors de l analyse qualitative des chromatogrammes, la concentration en hydrocarbures est inférieure pour un déploiement de 48h que pour celui de 24h. Ceci confirme ce qui a été dit précédemment, c est-à-dire que un temps d exposition de 1 ou 2 jours n est pas suffisant pour que le Chemcatcher soit représentatif de la pollution. 4. taux d échantillonnage et coefficient de transfert 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0, temps d'exposition (heures) 5 mg/l sans ldpe 5mg/L avec ldpe eau de mer dopée à 5mg/L 2mg/L 1 mg/l Figure 18 : évolution de la capacité du disque à capter les hydrocarbures en fonction du temps 0,250 0,200 0,150 5 mg/l sans ldpe 5 mg/l sans ldpe 0,100 0,050 0, temps d'exposition (heures) eau de mer dopée à 5mg/L 2 mg/l 1 mg/l Figure 19 : évolution de l échange existant entre le milieu et le disque en fonction du temps Rs et ko sont liés par la relation mathématiques énoncée plus haut, graphiquement ils évoluent donc de la même manière. 30

31 Ces graphiques montrent que plus le Chemcatcher reste longtemps dans le milieu contaminé plus sa capacité à adsorber les hydrocarbures diminue. La saturation du disque peut en être la cause. Mais il n y a pas de différence entre les disques portant une membrane et ceux n en portant pas, ce qui infirmerait cette hypothèse. Les échanges entre le milieu et le disque suivent le même schéma. Les échanges se font de moins en moins quand le temps d exposition augmente. Ces résultats évoquent une diminution constante de la quantité d hydrocarbures dans le milieu due à leur évaporation, à leur adsorption ailleurs que sur le disque ou à une dégradation. Pour des temps d exposition longs, les valeurs de ko et Rs pour l eau de mer et l eau milliq dopée à 5mg/L, avec ou sans LDPE, sont les mêmes. Le changement de matrice ne semble donc pas jouer un rôle déterminant dans la capacité du disque à échanger avec le milieu ou à capter les hydrocarbures. 31

32 VI. Conclusion Le Chemcatcher, échantillonneur passif, permet de doser les contaminants pouvant être présent en milieu aquatique, sur une longue période. La principale utilisation de ce dispositif, pour le moment, a été pour l étude de contaminants organiques, principalement des pesticides et des PCB. Le laboratoire, a décidé d étudier ce dispositif afin de voir si il serait possible de le mettre en place pour une surveillance plus accrue de la structure du Lazaret qui rejette, sous contrôle, une très faible quantité des hydrocarbures se trouvant dans les cuves qu il traite, ainsi que dans le cas de situation d urgence mettant en jeu des hydrocarbures. L utilisation de ce dispositif pour l étude des hydrocarbures linéaires n ayant jamais eu lieu, les premiers essais ont été réalisés en laboratoire. Dans un premier temps, dans de l eau distillée dopée en hydrocarbures. Les résultats ont montré que le disque de C 18 utilisé pouvait capter les molécules et que le laboratoire était capable de les désorber puis de les analyser avec la technique existante en routine en GC. Les résultats ont montré que pour de faibles concentrations de polluants, le dispositif ne fonctionnait pas convenablement s il n était mis en place que quelques jours mais que la réponse était bonne pour des concentrations supérieures à 2mg/L. Au bout de 8 jours, un léger palier a pu être mis en évidence. Ceci peut être dû à une saturation du disque ou à un appauvrissement du milieu en hydrocarbures. Différents tests mettant en jeu des membranes de diffusion en LDPE ainsi qu une couche interstitielle de n-octanol ont également été réalisés afin de savoir qu elle était la meilleure configuration du Chemcatcher. Les résultats obtenus n ont permis que de faire une étude comparative entre les différentes configurations. Par manque de temps, il a été décidé de se tenir à une configuration basique, c est-à-dire sans membrane ni couche interstitielle. Dans un second temps, les premiers essais dans l eau de mer ont commencé. Les Chemcatchers mis dans l eau de mer dopée en hydrocarbures à 5mg/L répondent convenablement malgré une baisse des concentrations entre 24 et 48h ainsi qu une moins bonne adsorption que pour l eau distillée. Ces essais confirment les hypothèses émises pour ceux réalisés dans l eau distillée. Le Chemcatcher peut donc être mis en place en milieu marin mais sur des temps d exposition supérieurs à une semaine afin d avoir une réponse linéaire. Afin de compléter les résultats obtenus lors de ce stage, il faudrait pousser les tests établis sur la configuration du Chemcatcher. Une membrane en LDPE, ainsi qu une couche interstitielle de n-octanol, devrait permettre une meilleure diffusion dans le temps des hydrocarbures du milieu vers le disque et éviter la saturation. De plus, les essais en eau de mer n ont été qu abordés, ils devront être approfondis. Il serait également intéressant de vérifier que les hydrocarbures ne se dégradent pas lorsque les Chemcatchers sont mis en place en situation expérimentale au laboratoire. Un renouvellement des solutions contaminées peut s avérer nécessaire. De nombreuses études sont donc encore indispensables avant de pouvoir utiliser le Chemcatcher en situation réelle avec une finalité quantitative. Dors et déjà des applications qualitatives ou semi-quantitatives, par exemple en situation accidentelles, pourraient être proposées. 32

33 Bibliographie [1] Arrêté ministériel d autorisation de mise en service d installations classées pour la protection de l environnement, situé sur le territoire de la commune de Saint-Mandrier (Var), en date du [2] Masselot G., Michel J., Pôle «risques et techniques durable», direction des Risques Chroniques, Moreno R, Projet Metrocap-Synthése bibliographique relative aux capteurs passifs utilisés pour la mesure de la qualité des eaux souterraines. Rapport d étude. [3] Vrana B., Mills G.A., Allan I.J., Dominiak E., Swensson K., Knutsson J., Morrison G., Greenwood R., Passive sampling techniques for monitoring pollutants in water. Trends in Analytical Chemistry, vol.24, No10. [4] De la Cal A., Kuster M., Lopez de Abla M., Eljarrat E., Barceló D., 2008, Evaluation of the aquatic passive sampler Chemcatcher for the monitoring of highly hydrophobic compounds in water, Talanta 76, [5]Schäfer R.B., Paschke A., Vrana B., Mueller R., Liess M., 2008, Performance of the Chemcatcher passive sampler when used to monitor 10 polar and semi polar pesticides in 16 Central European streams, Water Research 42, [6] Lobpreis T., Lopuchin E., Vrana B., Dercová K., Mills G.A., Greenwood R., Monitoring of polycyclic aromatic hydrocarbons in the Porthsmouth Harbour, United Kingdom, using the Chemcatcher passive sampling devices. Acta Chimica Slovaca, vol.3, No.1, [7] Vrana B., Mills G.A., Dominiak E., Greenwood R., 2006, Calibration of the Chemcatcher passive sampler for the monitoring of priority organic pollutants in water, Environmental Pollution 142, [8] Camilleri J., Morin N., Miege C., Coquery M., Cren-Olivé C., 2012, Determination of the uptake and release rates of multifamilies of Endocrine Disruptor compounds on the polar C18 Chemcatcher. Three potential Performance Reference Compounds to monitor polar pollutants in surface water by integrative sampling, Journal of chromatography A [9] TRANCHANT J., Manuel pratique de chromatographie en phase gazeuse, 1995, 4 ème édition, Masson [10] Daziano B., Mise au point de l étalon interne, détermination de l Indice Hydrocarbure par Chromatographie en Phase Gazeuse, 2011, rapport d apprentissage 1 ère année DUT Chimie [11] Norme Française NF EN ISO Détermination de l indice hydrocarbure, Méthode par CPG 33

34 Tables des illustrations Figure 1 : photographie d un Chemcatcher Figure 2 : photographie du chromatographe en phase gazeuse Arnel Clarus 500 Figure 3 : schéma d un chromatographe Figure 4 : photographie d une colonne capillaire Figure 5 : schéma d un détecteur à ionisation de flamme Figure 6 : photographie de l appareil à filtration Figure 7 : photographie des Chemcatchers mis en place Figure 8 : blanc : chromatographe d un disque après filtration de 1L d eau milliq Figure 9 : chromatogrammes des disques soumis à différents modes de séchage et/ou purification après filtration de 1L d eau milliq dopée à 1mg/L Figure 10 : chromatogramme des analytes extraits après déploiement de 8 jours dans de l eau distillée dopée à différentes concentrations. Figure 11 : évolution de la quantité d hydrocarbures présents sur ledisque en fonction du temps d exposition pour un milieu dopée à différentes concentrations Figure 12 : étude de l influence de la concentration du milieu de déploiement sur la quantité d hydrocarbures adsorbée par le disque pour différents temps d exposition Figure 13 : quantité d hydrocarbures adsorbée du disque en fonction du temps d exposition pour un milieu concentré à 5mg/L Figure 14 : comparatif de la quantité adsorbée avec et sans membrane pour un temps d exposition de 48 h Figure 15 : chromatogramme comparant un Chemcatcher contenant une membrane et un sans pour un déploiement de 24h dans de l eau milliq dopée à 5mg/L Figure 16 : chromatogramme des analytes extraits des disques contenus dans les Chemcatchers pour différents temps d exposition Figure 17 : concentration en hydrocarbures du disque en fonction du temps d exposition dans des milieux dopés à 5 mg/l Figure 18 : évolution de la capacité du disque à capter les hydrocarbures en fonction du temps Figure 19 : évolution de l échange existant entre le milieu et le disque en fonction du temps Tableau 1 : préparation de la gamme étalon Tableau 2 : résultats des premiers tests sur les disques en étalonnage interne Tableau 3 : résultats des premiers tests en étalonnage externe 34

35 Tables des annexes Annexe 1 : organigramme du LASEM Annexe 2 : fiche de données de sécurité de l éther de pétrole Annexe 3 : fiche de données de sécurité de l acétone Annexe 4 : fiche de données de sécurité du méthanol pur 99% Annexe 5 : fiche de données de sécurité de l octanol Annexe 6 : chromatogramme et droite d étalonnage Annexe 7 : chromatogrammes du blanc de l eau de mer et d un disque avec membrane en LDPE Annexe 8 : chromatogrammes des solutions d eau milliq dopée à 1 et 2mg/L Annexe 9 : chromatogrammes des Chemcatchers avec et sans membrane dans eau milliq dopée à 5mg/L Annexe 10 : chromatogrammes des Chemcatchers avec et sans membrane dans eau milliq dopée à 1 et 2mg/L Annexe 11 : chromatogrammes des Chemcatchers avec et sans membrane à différentes concentrations Annexes 12 : chromatogramme du Chemcatcher avec membrane et couche de diffusion de n-octanol dans eau milliq dopée à 2mg/L 35

36 Annexe 1 : organigramme du LASEM Etat Major de la Marine National Commandant de la Base Navale de Toulon Commandant en Chef de la Méditerranée CECMD Direction du LASEM Secrétariat Qualité Laboratoire de Chimie Analytique (LCA) Service de Surveillance Radiologique (SSR) Laboratoire de Surveillance Radiologique (LSR) Unité prélèvements Unité prélèvements Secteur intervention Unité technique AMIANTE Unité technique radiochimie Secteur 2SNM Unité technique GAZ Unité technique mesures physiques Secteur formation Unité technique EAUX Unité technique EXPERTISE 36

37 Annexe 2 : fiche de données de sécurité de l éther de pétrole Mélange d hydrocarbures composé principalement de : 3-méthylpentane, n-hexane. Information réglementaire : Facilement inflammable, toxique R11 facilement inflammable R45 peut causer le cancer R65 nocif : peut provoquer une atteinte des poumons en cas d ingestion S9 conserver le récipient dans un endroit bien ventilé S16 conserver à l écart de toute flamme ou source d étincelles S29 ne pas fumer S53 ne pas jeter les résidus à l égout S45 eviter l exposition, se procurer des instructions spéciales avant l utilisation. Premiers soins : Indications générales : ne jamais donner à boire, ni provoquer des vomissements en cas de perte de connaissance. Inhalation : transporter la personne à l air libre. En cas d asphyxie, procéder à la respiration artificielle. Contact avec la peau : laver à grande eau. Retirer les vêtements contaminés. Yeux : laver à grande eau en gardant les paupières soulevées. Recourir à l assistance d un médecin. Ingestion : risque d aspiration. Recourir à l assistance d un médecin. Administrer de l huile de vaseline comme laxatif (3 ml/kg). Administrer une solution de charbon actif à usage médical. Ne pas boire de lait. Eviter le lavage d estomac. Ne pas administrer d huiles digestives. Mesures de lutte contre les incendies : Moyens d extinction appropriés : dioxyde de carbone. Mousse. Poudre sèche. Risques particuliers : inflammable. Conserver éloigné de sources d ignition. Les vapeurs sont plus lourdes que l air, et peuvent donc se déplacer au niveau du sol. Peut former des mélanges explosifs avec l air. Mesures en cas de déversement accidentel : Ne pas inhaler les vapeurs. Eviter la contamination du sol, des eaux et des égouts. Ramasser avec des matériaux absorbants, de la terre ou du sable sec et déposer dans des conteneurs pour résidus pour leur élimination postérieure, conformément à la législation en vigueur. Nettoyer les restes à grande eau. Manipulations et stockages : Eviter la formation de charges électrostatiques. Stockage : récipients bien fermés, dans un local aéré, éloigné de sources d ignition et de chaleur. Ne pas stocker dans des récipients en plastique. 37

38 Contrôles d exposition/protection personnelle : Mesures techniques de protection : garantir une bonne aération et la rénovation de l air du local. Protection respiratoire : en cas de formation de vapeurs/aérosols, utiliser un équipement respiratoire approprié. Protection des mains : gants appropriés. Protection des yeux : lunettes appropriées. Mesures d hygiène particulières : ôter les vêtements contaminés. Utiliser des vêtements de travail appropriés. Se laver les mains et le visage avant les pauses et après avoir terminé le travail. Contrôle d exposition lié à la protection de l environnement : remplir les engagements au titre de la législation locale relative à la protection de l environnement. Propriétés physiques et chimiques : Aspect : liquide transparent et incolore. Odeur : caractéristique Point d ébullition : C Point d inflammation : -20 C Température d auto-ignition : 250 C Limites d explosion (inf/sup) : 0.6/8 vol. % Pression de vapeur : (20 C) 350 hpa Densité (20/4) : 0.67 Solubilité : non miscible avec de l eau Stabilité et réactivité : Conditions devant être évitées : températures élevées. Matières devant être évitées : agents oxydants forts. Caoutchouc. Effets dangereux pour la santé : En contact avec la peau : irritations. Par contact oculaire : irritations. Par inhalation des vapeurs : irritation des voies respiratoires. Par ingestion : nausées, risque d aspiration en vomissant, peut provoquer pneumonie. Par absorption des grandes quantités : maux de tête, vertige, anxiété, spasmes, troubles cardio-vasculaires. 38

39 Annexe 3 : fiche de données de sécurité de l Acétone Emploi de la substance / de la préparation : Solvant. Solvant des huiles, graisses, résines (vinyliques), laques, vernis, nitrocellulose, acetylcelluloses, asphaltes Solvant d extraction et de cristallisation. Dissolvant. En synthèse organique Informations réglementaires : Irritant Facilement inflammable R11 facilement inflammable R36 irritant pour les yeux R 66 l exposition répétée peut provoquer dessèchement ou gerçures de la peau R67 l inhalation de vapeurs peut provoquer somnolence et vertiges S16 conserver à l écart de toute flamme ou source d étincelles ne pas fumer S23 ne pas respirer la vapeur/l aérosol S26 en cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l eau et consulter un spécialiste. S33 éviter l accumulation de charges électrostatiques S51 utiliser seulement dans des zones bien ventilées S60 éliminer le produit et son récipient comme un déchet dangereux Intervention : En cas de contact avec la peau (ou les cheveux) : enlever immédiatement les vêtements contaminés. Rincer la peau à l eau/se doucher. En cas d inhalation : transporter la victime à l extérieur et la maintenir au repos dans une position où elle peut respirer confortablement. En cas de contact avec les yeux : rincer avec précaution à l eau pendant plusieurs minutes. Après ingestion : ne pas faire vomir. Appeler un centre antipoison ou un médecin en cas de malaise En cas d incendie, utiliser : dioxyde de carbone, poudre d extinction, eau pulvérisée ou mousse résistant à l alccol. Mesures de cas de rejets accidentel : Précautions individuelles : porter un équipement de sécurité, éviter le contact avec la peau et les yeux. Mesures pour la protection de l environnement : éviter de rejeter à l égout, les fosses et les caves. Ne pas rejeter dans les canalisations, dans les eaux de surface et dans les nappes d eau souterraines. Stockage : Ne pas stocker avec des substances oxydantes ou acides. N utiliser que les emballages spécialement agrées pour le produit Protéger de la forte chaleur et du rayonnement direct du soleil. 39

40 Propriétés physiques et chimiques : Aspect : liquide incolore Odeur : caractéristiques Point de fusion : 94.7 C Point d ébullition : C Point d inflammation : <-18 C Température d inflammation : 465 C Limites d explosion (inf/ sup) : 2.6/13 Vol. % Pression de vapeur (20 C) : 233 hpa Densité (20 C) : 0.79 g/cm 3 Solubilité : entièrement miscible avec l eau Stabilité et réactivité : Substances à éviter : les bases fortes, peroxydes, acides oxydants et sels, oxydes métalliques, halogènes, halogénures métalliques 40

41 Annexe 4 : fiche de données de sécurité du Méthanol pur 99% Information réglementaire : Facilement inflammable, toxique R11 facilement inflammable R23/24/25 toxique par inhalation, contact avec la peau et par ingestion R39/23/24/25 toxique : danger d effets irréversibles très graves par inhalation, par contact avec la peau et par ingestion S7 conserver le récipient bien fermé S16 conserver à l écart de toute flamme ou source d étincelles S36/37 ne pas fumer S45 porter un vêtement de protection et des gants appropriés Premiers soins : Indications générales : ne jamais donner a boire, ni provoquer des vomissements en cas de perte de connaissances Inhalation : transporter la personne à l air libre. En cas d asphyxie, procéder immédiatement à la respiration artificielle. Recourir immédiatement à l assistance d un médecin. Contact avec la peau : laver à grande eau. Retirer les vêtements contaminés. Yeux : laver à grande eau en gardant les paupières soulevées. Recourir à l assistance d un médecin. Ingestion : transporter la personne à l air libre. Provoquer des vomissements. Boire de l alcool éthylique (environ 25 ml à 50%). Recourir à l assistance d un médecin. Mesures de lutte contre les incendies : Moyens d extinction appropriés : eau. Dioxyde de carbone. Mousse. Poudre sèche. Mesures à prendre en cas de déversement accidentel : Ne pas inhaler les vapeurs Eviter la contamination du sol, des eaux et des égouts. Ramasser avec des matériaux absorbants, de la terre ou du sable sec et déposer dans des conteneurs pour résidus pour leur élimination postérieure, conformément à la législation en vigueur. Nettoyer les restes à grande eau. Manipulation et stockage : Récipients bien fermés, dans un local aéré, éloigné de sources d ignition et de chaleur. Ne pas stocker dans des récipients en métal léger ou en plastique. Propriétés physiques et chimiques : Aspect : liquide transparent et incolore. Odeur : caractéristique Point d ébullition : 64.7 C Point de fusion : C Point d inflammation : 12 C Température d auto ignition : 455 C Limite d explosion (inf/sup) : 5.5/44 vol % Pression de vapeur : (20 C) 128 hpa 41

42 Densité (20/4) : Solubilité : miscible avec de l eau, de l éthanol, de l éther et du Trichlorométhane Stabilité et réactivité : Matières devant être évitées : Halogénures d acide. Métaux alcalins. Métaux alcalinaux terreux. Agents oxydants. Hydrures. Diéthyl de zinc. Halogènes Information complémentaire : hygroscopique. Les gaz/vapeurs peuvent former des mélanges explosifs avec l air. Effets dangereux pour la santé : Par inhalation des vapeurs : irritation des voies respiratoires En contact avec la peau : risque d absorption cutanée Par contact oculaire : irritation Par ingestion : nausées, vomissements, maux de tête, vertige, ébriété, troubles de la vision, cécité Effets systémiques : acidose, hypotension, anxiété, spasmes, narcose, coma. 42

43 Annexe 5 : fiche de données de sécurité de l Octanol Combustible, prévention : pas de flammes nues, en cas d incendies, utiliser une mousse résistante aux alcools, une poudre ou dioxyde de carbone, maintenir les fûts, etc, à basse température en les arrosant d eau. Inhalation : - risques/symptômes aigus : vertiges, maux de tête, nausées. - prévention : ventilation, aspiration locale ou protection respiratoire. - premiers secours : air frais, repos. Contact par la peau : - risques/symptômes aigus : peau sèche - prévention : vêtements de protection - premiers secours : rincer et laver la peau abondamment à l eau et au savon Contact avec les yeux : - risques/symptômes aigus : rougeur, douleur - prévention : lunettes de protection - premiers secours : rincer d abord abondamment à l eau pendant plusieurs minutes puis consulter un médecin. Ingestion : - risques/symptômes aigus : voir inhalation - prévention : ne pas manger, ne pas boire ni fumer pendant le travail. Se laver les mains avant de manger. Déversements et fuites : recueillir le liquide répandu dans des récipients hermétiques. Absorber le liquide restant avec du sable ou avec un absorbant inerte et emporter en lieu sûr. Stockage : ventilation au niveau du sol. Données importantes : - aspect physique : liquide incolore, huileux - voies d exposition : la substance peut être absorbée par l organisme par inhalation, à travers la peau et par ingestion. - effet d expositions de courte durée : l exposition peut provoquer une diminution de conscience. - effet d expositions prolongées ou répétées : le liquide dégraisse la peau. Propriétés physiques : - point d ébullition : C - point de fusion : 38.6 C - densité : solubilité dans l eau : nulle - tension de vapeur (25 C) : 32 Pa 43

44 Annexe 6 : chromatogramme et droite d étalonnage solvant C 10 C 40 Rose : 20mg/L Bleu foncé : 40mg/L Vert : 80mg/L Bleu clair : 100mg/L Orange : 120mg/L Noir : 160mg/L Chromatogramme Droite d étalonnage 44