SBBftot-PLR-80µm
2.4.4 Analyse chimique élémentaire en contenu total par ICP/OES
L’ICP/OES (pour induced coupled plasma/optical emission spectroscopy) voire l’ICP/MS après dissolution des matériaux a été utilisé pour quantifier les éléments majeurs et mineurs selon la norme NF EN ISO 11885 (2009). Notez que des solutions provenant des essais de lixiviation et de percolation ont également été analysées par cette méthode. Dans ce cas les solutions sont acidifiées à l’aide d’acide nitrique 65% avant analyse (1%).
Échantillonnage des matériaux testés
Le contenu total de la matrice totale des deux sols, des 3 fractions granulaires et des 7 familles de composantes du squelette granulaire de chaque sol testé a été mesuré sur une seule prise d’essai dans chaque cas. Nous avons utilisé environ 2 g de poudre préparée pour l’analyse par diffraction de rayons X.
Mode opératoire et principe de la méthode
Les échantillons solides sont mis en solution par deux procédés en parallèle soit dissolution dans l’acide nitrique, soit par fusion alcaline dans le tétraborate (LiBaO7) de lithium pour la quantification du silicium. La fusion alcaline : pour chaque échantillon, on mélange 200 mg de matériau à 2 g de fondant constitué de tétraborate de lithium. On porte ensuite l’ensemble au rouge pendant 20 mn au four à moufle à une température de 1100°C. La perle de fusion est versée dans 200 mL d’acide nitrique dilué à 3%. L’ensemble est agité à froid toute une nuit afin de le dissoudre efficacement. La solution est ensuite filtrée sur un filtre rapide. Le filtrat est recueilli dans une fiole d’1L et complété avec de l’eau distillée. Les dosages des éléments du produit sont effectués à partir de cette solution.
Une fois l'échantillon mis en solution, il est envoyé sous la forme d’un brouillard de fines gouttelettes (à l’aide d’un nébulisateur – voir Figure 53) au cœur d'un plasma induit d'argon, qui peut atteindre des températures de 8000 °C.
À une température aussi élevée, les atomes à analyser subissent une ionisation par excitation thermique mais, si le gain d’énergie est trop important, l’atome peut être ionisé. L’électron excité va se désexciter pour retourner à son niveau fondamental ou à un niveau intermédiaire permis par les règles de transition en mécanique quantique, en perdant de l’énergie par émission d’un photon dont l’énergie correspond à la différence entre l’énergie du niveau de départ et celle du niveau d’arrivée. Comme il existe plusieurs trajets possibles pour revenir à l’état fondamental, il sera observé, pour chaque atome, plusieurs raies d’émission caractéristiques. De plus, lors des collisions inter-atomiques, les atomes peuvent s’échanger de l’énergie et dans ce cas tous les niveaux excités de l’atome peuvent être atteints. L’énergie des photons émis peut alors être détectée et quantifiée, soit avec un Spectromètre à Émission Optique (OES) (pour les majeurs et certaines traces), soit avec un Spectromètre de Masse (MS) (pour les quantités les plus faibles des traces) dont la technologie diffère de celle de l’ICP/OES. Ces techniques reposent finalement sur l'excitation thermique des ions dans le plasma et l'analyse de la lumière émise par ces ions excités. Chaque élément émet des longueurs d'ondes caractéristiques (comme pour la fluorescence X). Les longueurs d'onde sont alors séparées, identifiées et leurs intensités mesurées par un des spectromètres cités précédemment. La concentration élémentaire est ensuite déterminée par confrontation à une calibration externe (mise en relation de la concentration en élément X d’une solution de calibration avec l’aire d’un des pics spécifiques à cet élément de par sa position en énergie).
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Figure 53. Principe et instrumentation pour la spectroscopie ICP/OES, pic sur le spectre d’émission optique du cadmium dont un pic de transition se positionne à une longueur d’onde de 324,75 nm et courbe de calibration pour le cadmium liant l’aire des pics d’émission mesurée sur des solutions de différentes concentrations en Cd. 2.4.5 Analyse chimique élémentaire en contenu total : analyse complémentaire
Parallèlement à l’ICP/OES, une partie des sous-échantillons préparés a été envoyée au SARM- CRPG (Nancy) pour déterminer le soufre total, le carbone organique et le carbone total (utilisation d’un Analyseur Carbone-Soufre Horiba EMIA320V2 que nous appelons par la suite COTmètre) dans les échantillons de sol. L’équipement utilisé permet de détecter de 0 à 6 % de carbone et de 0 à 1% de soufre. La sensibilité des mesures est de l’ordre de 2 ppm pour C ou S et la limite de détection est autour de 0,1 ppm.
En termes d’équipement, la combustion utilisant la méthode du four haute fréquence sous flux d’oxygène permet la combustion complète de l’échantillon par ce chauffage à haute température dans un environnement riche en oxygène.
Le dioxyde de carbone ou le dioxyde de soufre produit est ensuite détecté par un spectromètre Infra Rouge Non Dispersif NDIR. Le CO2 ou SO2 est mesuré par le détecteur NDIR sous forme de pic. La concentration en Carbone Total ou TC est obtenue par comparaison avec un étalonnage réalisé dans les mêmes conditions. D’autre part, une nouvelle prise d’essai est soumise à une attaque acide et une purge pour déterminer la fraction inorganique IC de l’échantillon (carbone inorganique et carbone organique soluble). Le CO2 ainsi produit est envoyé au détecteur NDIR par le même chemin et quantifié par rapport à un étalonnage spécifique. Le TOC est obtenu par soustraction de la valeur de TC et d’IC de l’échantillon.
Figure 55. Principe de la mesure de carbone organique total
(https://www.shimadzu.fr/principes-de-mesure-de-la-methode-par-combustion-catalytique-680%C2%B0c)