Capteurs d analyse GPA-668

Capteurs d analyse GPA-668 Hiver 2010 Mesure de la turbidité Définition: Expression de la propriété optique des solutions à diffuser ou à absorber la lumière au lieu de la laisser passer. Diffusion de la lumière: Effet Tyndall. Indicateur universel de la qualité de l eau: Présence de particules en suspension. Source photo: http://ga2.er.usgs.gov/bacteria/helpturbidity.cfm 1

Effet Tyndall Diffusion de la lumière par un milieu trouble (un milieu transparent contenant des particules) Intensité de la lumière diffusée vs longueur d onde de la lumière incidente. I = k/λ 4 Loi applicable si la dimension des particules est inférieure à la longueur d onde. Sinon, la loi de réflexion normale s applique. NTU : Unités de mesure JTU: Jackson Turbidity Unit 5NTU 50 NTU 500 NTU 1 JTU = 1 ppm de terre à foulon dans de l eau pure FNU: Formazine Nephelometric Unit TE/F: Trübungseinheiten Formazin NTU: Nephelometric Turbidity Unit 1 NTU = 0.02 % de réflexion de la lumière FTU: Formazine Turbidity Unit NTU : 2

Produit de référence Formazine Toxique - couleur du lait Standard ISO 7027 contient la recette de la Formazine. NTU/FTU: http://www.optek.com/ Plages de valeurs typiques Pour l eau propre: 0 à 10 000 FNU Pour l épuration des eaux: de 0 à 300 gr/l 3

Quelques valeurs typiques de turbidité Eau usée non-traitée de 70 à 2000 FNU Eau traitée en sortie station d épuration de 4 à 20 FNU Eau de source de005à10fnu 0.05 Quelques valeurs typiques de turbidité Eau potable de 0.05 à 1.5 FNU Lait plus de 4000 FNU Jus d orange de 300 à 900 FNU 4

Quelques valeurs typiques de turbidité Boue primaire de 30 à 60 gr/l Boue activée de 3 à 7 gr/l Boue re-circulée de 6 à 8 gr/l Boue digérée de 50 à 80 gr/l Le turbidimètre Appareil mesurant le «trouble»d une solution contenant des particules non dissoutes. Basé sur la réflexion de la lumière. http://www.optek.com/ 5

Principe de mesure de la turbidité. Principe de mesure de la turbidité. Norme DIN 38404 Norme ISO 7027 Lumière: 860 nm +/- 30 nm Cônes de réception de 30. En laboratoire: L2 En usine: G/G1 6

Exemple d un turbidimètre (Endress + Hausser) Un des principes utilisés consiste à utiliser un émetteur (1) et deux photodiodes (2) et (3). Essuie-glace (4) Exemple d un turbidimètre (Endress + Hausser) Le récepteur le plus éloigné est le récepteur de mesure. La courbe du signal lumineux reçu croit de 0 à 4000 NTU, puis décroît. Pour un même niveau lumineux, deux turbidités possibles... 7

Exemple d un turbidimètre (Endress + Hausser) Le récepteur le plus près permet de distinguer quelle turbidité s applique. Effet de la couleur des parois sur la mesure Erreur de mesure inférieure si parois noires et loin. Enfoncer le capteur d au moins 4 cm dans le milieu à mesurer. 8

Montage en conduite Face incliné en direction de la direction d arrivée du liquide. Face orientée pour éviter les dépôts. Montage en conduite Sonde rétractable pour Sonde rétractable pour faciliter la maintenance. 9

Calibration d un turbidimètre Calibrer avec votre boue ou avec la formazine. 1) préparer trois échantillons Échantillon original 100 % Échantillon à 33% 1 volume original + 2 volumes d eau Échantillon à 10% 1 Volume original + 9 volumes d eau Calibration d un turbidimètre 2) Calibrer l appareil à 10%, 33% et 100%. 3) Faire analyser votre échantillon original en laboratoire pour en connaître la turbidité. Contrôle de plausibilité de l échantillonnage Ajustement de l appareil 10

Applications Traitement de l eau potable Réglage de la dose d agent floculent ou de la vitesse de filtration. Traitement des eaux d égout Réglage du taux de boues à enlever. Industrie alimentaire Production de vin, spiritueux et jus. Mesure du ph Définition du ph: Unité de mesure logarithmique décrivant le degré d acidité ou d alcalinité d une solution. «p» est le symbole mathématique d un logarithme négatif «H» est le symbole chimique de l hydrogène. En version française, ph = potentiel Hydrogène 11

Mesure du ph Équation du ph: ph = log( H O+ ) 3 C est le ratio des ions H 3 O+ et OH-. Mesure du ph Valeurs de ph Si ph<7, il y a + d ions H 3 O+ que OH-. Si ph>7, il y a + d ions OH- que H 3 O+. Si ph=7, il y a équilibre entre les ions H 3 O+ et OH-. 12

Mesure du ph Équations chimiques : HCl + H2O H3O + + Cl NaOH Na + + OH 1) Augmentation du nombre d ions H 3 O+ 2) Augmentation du nombre d ions OH-, ce qui implique une diminution du nombre d ions H 3 O+ Mesure du ph Acide acétique (moins que 1% des molécules se décomposent) : H2O + CH3OOH H3O + + CH3COOH 13

Wikipedia Mesure du ph Définitions: Nombre d Avogadro Nombre de molécules contenues dans la moléculegramme d une substance. N A =6.022169x10 23 mol -1 14

Définitions: Concentration: unité de concentration en mols / Litre. Exemple: NaCl à 0.5 mol/litre Ajouter de l eau pour obtenir un volume total de 1 Litre 29,25 grammes de NaCl 23+35.5=58.5 15

Définitions: Molarité: unité de concentration en mols / kg. Exemple: NaCl à 0.5 mol/kg Ajouter de 1000 grammes d eau 29,25 grammes de NaCl Définitions: % masse: unité de concentration en % de la masse totale. Exemple: NaCl à 10 % Ajouter de 900 grammes d eau 100 grammes de NaCl 16

Exemple #1: Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une concentration de 1 mol/l? Masse molaire du Na : M 1 = 0.023 kg/mol Masse molaire du Cl : M 2 = 0.035 kg/mol M = M 1 + M 2 = 0.058 kg/mol Exemple #1: Il faut utiliser 0.058 058 kg de sel pour en avoir 1 mol. On ajoute ensuite de l eau, jusqu à ce que le volume total soit de 1 litre. 17

Exemple #2: Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une molarité de 0.75 mol/l? On sait (de l exemple #1) que M = M1 + M2 = 0.058 kg/mol 0.75 mol correspond à 0.0435 kg. Exemple #2: Il faut utiliser 0.0435 0435 kg de sel pour en avoir 0.75 mol. On ajoute ensuite de 1 kilogramme d eau. 18

Principes de mesure Indicateurs colorés Erreur de précision de ±0.2 à ±2 (ph) Le plus courant: Teinture de tournesol Rougit si acide / Bleuit si base Gamme de ph = 6 à 8 Principes de mesure Électrodes de verre Deux électrodes pile 1 - a sensing part of electrode, a bulb made from specific glass 2 - sometimes electrode contain small amount of AgCl precipitate inside the glass electrode 3 - internal solution, usually 0.1M HCl for ph electrodes or 0.1M MeCl for pme electrodes 4 - internal electrode, usually silver chloride electrode or calomel electrode 5 - body of electrode, made from non-conductive glass or plastics. 6 - reference electrode, usually the same type as 4 7 - junction with studied solution, usually made from ceramics or capillary with asbestos or quartz fiber. 19

Principe de mesure H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ Milieu à mesurer Verre hydraté Électrode de verre hydratée: Échange d ions H 3 0+ provoque l apparition d un potentiel électrique. Principe de mesure H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ H 3 0+ Milieu à mesurer Verre hydraté Tampon interne (ph=7) Électrode de verre hydratée: Échange d ions H 3 0+ provoque l apparition d un potentiel électrique. 20

Électrodes E2 E3 E1 Électrode de mesure Élément de référence Ag/AgCl Tampon interne (ph=7) Membrane Diaphragme E6 E7 Amplificateur Électrode de référence Électrolyte KCl E1: potentiel entre le couple AgCl et l électrolyte. E2: potentiel entre l électrolyte et l intérieur de la membrane de verre. E3: potentiel d asymétrie E4: potentiel à l extérieur de la membrane de verre / solution à mesurer E4 21

E2 E3 E1 Électrode de mesure Élément de référence Ag/AgCl Tampon interne (ph=7) Membrane Diaphragme E6 E7 Amplificateur Électrode de référence Électrolyte KCl E6: E7: potentiel de diffusion Potentiel entre l électrolyte et le couple Ag/AgCl. E1, E2, E3, E6 et E7 doivent rester constants. E4 Principe de mesure: Équation de Nernst: E RT = E0 + log( HO 3 + ) nf 22

Principe de mesure: Équation de Nernst: R = constante molaire des gaz = 8.31441 J/mol/ K T = Température en K n = nombre de charges gagnées ou perdues F = constante de Faraday = 9.648456 X 10 4 C/mol RT E = E0 + log( HO 3 + ) nf Effet de la température: 23

Les contraintes sur la mesure du ph Encrassement (neutralisation à la charge) Ce qui implique un entretient et une calibration fréquente. Température Cassure ou rayure Dessèchement Les contraintes sur la mesure du ph (électrode de verre) Dépôts: Chaux, Gypse, Boues, Graisse, Protéines Mécaniques: Chocs, Vibrations, Particules Chimiques HF, Benzène, Acétone, Alcools, Acide sulfurique, Concentrés de KOH et de NaOH 24

Les contraintes sur la mesure du ph (élément de référence) Pollution du diaphragme Sulfate, Cyanites, Milieu réducteur. Blocage du diaphragme Dépôts, Graisses, Protéines, Organismes Réduction Isolation, Humidité, Connecteurs, Câbles, Erreurs de câblage Mesure du potentiel Redox (couples oxydoréducteurs) Le potentiel d oxydoréduction permet de classer une solution aqueuse entre deux catégories: Oxydante (présence d oxygène); Perte d électrons. Réductrice (manque d oxygène). Gain d électrons. 25

Mesure du potentiel Redox (couples oxydoréducteurs) Élément de référence Ag/AgCl Oxydants (oxygène, chlore, nitrate) + - Platine Électrolyte KCl Diaphragme Réducteurs (amoniaque) E = E + 0 23. RT nf log O R x d Mesure du potentiel Redox (couples oxydo-réducteurs) Équation de Nernst: R = constante molaire des gaz = 8.31441 J/mol/ K T = Température en K n = nombre de charges gagnées ou perdues F = constante de Faraday = 9.648456 X 10 4 C/mol E = E + 0 23. RT nf log O R x d 26

Exemples: Oxydation: réducteur(1) oxydant(1)+ne- Réduction: oxydant(2)+ne- réducteur(2) Oxydoréduction: Oxydant(2)+Réducteur(1) Oxydant(1)+Réducteur( 2) Exemple: Fe 2+ Fe 3+ + e- / Ce 4+ + e- Ce 3+ Ce 4+ + Fe 2+ Ce 3+ + Fe 3+ Exemples (2): Oxydation: (réducteur(1) oxydant(1)+ne-) ) H 2 O 2 2H + + O 2 + 2e- Réduction: (oxydant(2)+ne- réducteur(2)) H 2 O 2 + 2H + + 2e- 2H 2 O Oxydoréduction: 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 Le peroxyde d hydrogène est oxydant et réducteur. 27

Les règles de base (ph/redox) Facilité d accès Proximité du transmetteur Protection de la connectique Protection du câble Maintenance régulière Nettoyage et étalonnage; Pour contrer le vieillissement du capteur. La maintenance des capteurs de ph Nettoyage de l électrode avec un agent approprié Acide HCl max 5% pour dépôt calcaire Simple rinçage à l eau claire puis essuyage avec un chiffon doux Étalonnage régulier ph 4, ph 7, ph 2 et ph 9 28

La maintenance des capteurs de ph Disposer des pièces de rechange suivants: un câble une électrode un jeu de joints un litre de tampon ph 4 un litre de tampon ph 7 Mesure de la conductivité dans les solutions Mesure de ph plus sensible que mesure de conductivité pour plage de ph de 4 à 10. Mesure de conductibilité meilleure que mesure de ph si ph extrême (près de 0 ou de 14) 29

La conductivité dans les solutions (dissociation) Sel: Acide: Base: NaCl Na+ et Cl- HCl H+ et Cl- NaOH Na+ et OH- Anion - /C Cation + Principe de mesure Anions attirés par la borne + Cl- Cl- Cl- Cl- Cl- Na+ Na+ Na+ Na+ Cations attirés par la borne - Na+ 30

Phénomène de polarisation Agglutinement des ions sur les électrodes ce qui crée des résistances de polarisation. Limite la mesure. Quelques valeurs de conductivité Eau de mer: Eau potable: Eau distillée: 20 000 μs/cm 100 à 300 μs/cm moins que 3 μs/cm Solution de KCl à 0.01 mole/l: 1 413 μs/cm Solution de NaCl à 0.05 % 1 000 μs/cm Cuivre: 56 S/cm 31

Principe de mesure Utilisation d une source de tension alternative pour éviter l électrolyse. Mesure de la tension; Mesure du courant. Conductivité (définitions) R l = ρl S R = résistance en ohms 1/R donne la conductivité en siemens ρ = résistivité ité en ohm.cm l = longueur du circuit électrique (cm) S = Surface du conducteur électrique (cm 2 ) 32

Conductivité (définitions) C = l S Constante de cellule en cm -1 Aspect géométrique C petit implique la mesure de la conductivité d un très petit volume de liquide. C grand implique la mesure de la conductivité d un grand volume de liquide. Conductivité (définitions) χ = 1 ρ χ = résistivité en siemens/cm 33

Constante de la cellule C=0.01: 01: de 0.05< χ <20 μs/cm C=0.1: de 0.1< χ <500 μs/cm C=1: de 10< χ <5 000 μs/cm C=10: de 20 000< χ <100 000 μs/cm Principe de la mesure inductive Mesure de 50 μs/cm à 200 000 Mesure de 50 μs/cm à 200 000 μs/cm. 34

Comparaison entre cellule inductive et conductrice Cellule conductrice: Avantage: Prix plus bas qu un système inductif. Inconvénients: Dérive liée à l encrassement; Effet de polarisation; Résistance limitée aux produits chimiques; Gamme de mesure plus limitée; Limite en pression et en température Comparaison entre cellule inductive et conductrice Tous ces inconvénients disparaissent avec la Tous ces inconvénients disparaissent avec la cellule inductive. 35

Influence de la concentration À certaines concentrations, le phénomène s inverse. Attention si vous faite de la régulation. Influence de la température L t é t h l d ti ité d il La température change la conductivité, donc il faut compenser. 36

Mesure du taux d oxygène Applications: Aquaculture Boues activées Mesure du taux d oxygène Loi de Henry La pression de O 2 dans le liquide est égal à la pression partielle de O 2 dans l air lair. À température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide. 37

Mesure du taux d oxygène Dépendance de la saturation avec T: 0 C ----> 14.64 mg/l 10 C ----> 11.25 mg/l 20 C ----> 908mg/l 9.08 30 C ----> 7.55 mg/l 40 C ----> 6.41 mg/l Mesure du taux d oxygène Dépendance de la saturation avec la pression : 0 m --- 1013 mbar ----> k = 1 500m -- 955.3 mbar ---> k = 0.943 1000m --- 901.6 mbar --> k=0.890 1500m --- 849.99 mbar ---> k=0 0.839 2000m --- 802.3 mbar ---> k=0.792 38

La cellule ampérométrique Électrolyte: Gel de KCl Anode: Ag + Cl AgCl + e Cathode: O + H O+ e OH 1 2 2 2 Considérations pratiques Compenser en température Agitation: Vitesse constante d écoulement d au moins 0.3 m/s. Viser 1.5 m/s. Sinon, mesure incorrecte. Encrassement: Nettoyage par ultrasons 39

La maintenance Étalonnage 1x par 15 jours solutions de concentrations connues Changement préventif de l électrolyte 1 fois par an. Si boues actives, nettoyer une fois par semaine Disposer en permanence d une membrane de rechange et d électrolyte. Mesure du chlore La chloration : Chlore gazeux: Cl 2 Produit très toxique et très oxydant. Hypochlorite de soude (eau de Javel): NaClO Liquide commercialisé en concentrations de 3 à 15 % en poids. Hypochlorite de calcium: Ca(ClO) 2 Solide avec un contenu de 20 à 70% de chlore actif. Eau: H 2 O 40

Mesure du chlore La chloration : Chlore gazeux dissout: Cl 2 Acide hypochloreux: HClO Ion hypochlorite: ClO- Très oxydant et bactéricide Peu oxydant et peu bactéricide Chlore libre: Cl 2 + HClO + ClO- Chlore actif: HClO + Cl 2 Mesure du chlore Dioxyde de Chlore : Chlorite de sodium: NaClO 2 Acide chlorhydrique: HCl Eau: H 2 O Formation de dioxyde de chlore ClO 2 41

Mesure du chlore Le chlore est utile pour désinfecter l eau eau. C est le HOCl qui désinfecte (100 x plus actif que ClO-). On mesure donc le HOCl et le signal est proportionnel à la concentration de HOCl. Mesure du chlore Parfois, on désire mesurer le chlore libre (HOCl et ClO-) Chlore total = Chlore libre + Chlore combiné. NH 2Cl : monochloramine NHCl2 : dichloramine NCl : trichloramine 3 Chloroforme Tétrachlorure de carbone Polychlorobiphényles 42

Mesure du chlore Comment mesurer le chlore libre avec le chlore actif? À ph = 7 et T = 20 C: 80 % HOCl, 20% ClO- On peut donc déduire le chlore total du chlore actif. Implique mesure du ph et de la température en plus du chlore actif. Dissociation du chlore dans l eau Équilibre: HClO ClO- Ce qui est mesuré, c est le chlore actif 43

Cellule ampérométrique Anode Ag + Cl AgCl + e Cathode HOCl + H O + + e Cl + H O 3 2 Exemple de montage de la cellule en chambre de passage 44

Maintenance Étalonnage et vérification à tous les 15 jours. Vérifier l encrassement de la membrane. Nettoyer avec de l acide chlorhydrique. Remplacer l électrolyte de manière préventive une fois par année. 45