Analyses physico-chimiques

a. Matières en suspension (MES)

Les matières en suspension sont définies comme l’ensemble des particules retenues par un filtre de porosité définie, généralement 1,2 µm (AFNOR, 2005; Rodier et al., 2016). La détermination des MES est effectuée suivant la norme NF EN 872 (AFNOR, 2005). Les filtres en fibre de verre (GF/C, Whatman) de porosité 1,2 µm sont préalablement lavés avec de l’eau osmosée et séchés à 105°C pendant au moins 2 h. Les filtres sont ensuite pesés, la masse avant filtration est notée M0. Un filtre est ensuite

placé sur un dispositif de filtration relié à une pompe d’aspiration sous vide. Le volume d’échantillon filtré est compris entre 200 et 1000 mL selon la teneur supposée en MES (plus l’échantillon est chargé en MES, plus le volume filtré est faible). Il est mesuré et noté V. Le filtre est ensuite séché à 105°C pendant au moins 8 h et la masse du filtre après filtration et séchage (notée M1) est mesurée. La teneur en matières en suspension est donnée par l’expression :

b. Turbidité

La turbidité est un paramètre qui mesure le trouble de l'eau. Ce trouble est constitué par des particules colloïdales de faible diamètre (de 0,1 à 10 µm) en suspension dans l'eau. La gamme s'étend des particules d'origine minérale (sable, limon, argile…) à la matière organique morte ou vivante (algues, bactéries, parasites, substances humiques…) (Rodier et al., 2016). Il existe deux méthodes normalisées de mesure de la turbidité : la néphélométrie (gamme de 0 à 40 NFU) et l'opacimétrie (gamme de 40 à 4000 NFU). Seul le principe de la néphélométrie est développé ici, car c'est la méthode principalement utilisée dans le domaine de la potabilisation de l'eau. Les turbidimètres utilisant ce principe sont constitués d'une source lumineuse et d'un photodétecteur placé à 90° de cette source. Si le faisceau lumineux rencontre des particules en suspension, une partie de la lumière est dispersée. Le détecteur mesure donc l'intensité de la lumière diffusée à 90°, proportionnelle à la quantité de matières en suspension dans l'eau. Un deuxième photodétecteur est installé en face de la source lumineuse pour mesurer la lumière transmise et corriger le signal pour prendre en compte la coloration de l'eau et la granulométrie des particules (AFNOR, 2000a; Rodier et al., 2016). Les unités de mesure de la turbidité sont normalisées en utilisant des solutions à base de formazine comme étalon :

 NFU (Nephelometric Formazine Unit) : mesure la turbidité sous un angle de 90° à une longueur d'onde de 860 nm

 FAU (Formazine Attenuation Unit) : mesure la lumière transmise (180°) ; 1 FAU = 1 NFU

 NTU (Nephelometric Turbidity Unit), plutôt utilisée aux États-Unis ; 1 NTU = 1 NFU

Dans ces travaux, la turbidité est mesurée à l’aide d’un turbidimètre portable (HI 98703, Hanna instruments) selon la norme NF ISO 7027-1 (AFNOR, 2000a). Les valeurs sont exprimées en NTU. L’échantillon doit être bien homogénéisé, et il faut prendre garde à la formation de bulles, qui peuvent interférer avec la mesure.

c. Transmittance UV à 254 nm

L’absorbance UV à 254 nm d’un échantillon d’eau est influencée à la fois par les particules en suspension et par les matières organiques dissoutes. C’est notamment le cas des molécules aromatiques, comme les phénols ou les matières humiques. La mesure de l’absorbance UV à 254 nm est donc un paramètre important d’estimation de la qualité de l’eau (Rodier et al., 2016). La transmittance UV à 254 nm est définie par la différence d’intensité lumineuse entre le rayonnement émis et celui reçu par le capteur.

La mesure de la transmittance UV à 254 nm est mesurée à l’aide d’une cuve en quartz de trajet optique de 1 cm et d’un spectrophotomètre UV-visible (Anthélie, Secomam). Le zéro du spectrophotomètre est défini sur un blanc d’eau osmosée.

d. Distribution granulométrique des particules

Les particules inorganiques ou organiques sont de taille et de forme variables et peuvent même évoluer dans le temps pour les particules viables. Il existe de nombreuses techniques pour mesurer la distribution des tailles de particules dans un milieu liquide. Parmi les plus utilisées, on peut citer les méthodes par filtration, sédimentation, atténuation d’ondes ultrasonores, électrorésistance (compteur « Coulter »), et les méthodes optiques (Zhang et al., 2009). Parmi les méthodes optiques, trois principales techniques sont utilisées (Figure 10) :

 Compteurs à noyaux de condensation (CNC) : les particules sont grossies par condensation et peuvent ainsi être mesurées par un capteur optique (Ecomesure, 2011)

 Compteurs par diffraction et par blocage de la lumière : ces deux méthodes utilisent une source lumineuse monochromatique (laser) pour caractériser la taille et le nombre de particules qui coupent le faisceau. Quand ce faisceau atteint une particule, le rayonnement est divisé en trois parties : une partie passe à travers l’objet, une partie est réfléchie et le reste est absorbé. Les proportions de ces trois composantes dépendent des propriétés optiques et de la composition des particules (Zhang et al., 2009). Les compteurs par diffraction mesurent la partie réfléchie du rayonnement tandis que les compteurs par blocage mesurent la partie réfléchie et celle absorbée (Figure 11).

La calibration de ces appareils répond à la norme ISO 21501 (Détermination of particle size distribution – single particle light interaction methods) dont la partie 3 s’intéresse plus particulièrement à la méthode par blocage de la lumière (ISO, 2007).

Des particules de calibration sont utilisées : il s’agit le plus souvent de polystyrène latex (PSP). Ce sont des particules sphériques mono-dispersées dont la taille moyenne est connue avec une incertitude standard de 2,5 % (ISO, 2007).

Figure 10 : Tailles de particules et méthodes optiques de comptage (Harrison & Latime, 2008)

Figure 11 : Différence entre les méthodes par diffraction (a) et par blocage (b) de la lumière (Zhang et al., 2009)

L’appareil utilisé dans ces travaux est un compteur optique par blocage de la lumière (WPC-22, ARTI). Il mesure deux tailles de particules simultanément sur deux canaux : le canal 1 correspond aux particules de taille supérieure à la plus petite taille mesurée (2 µm) : cette valeur correspond donc au total des particules mesurables. Le canal 2 correspond aux particules de taille supérieure à la taille spécifiée (entrées possibles : 3, 5, 10, 15, 25, 50 et 100 µm).

L’étalonnage consiste à faire circuler un flot continu de particules standards en solution, qui correspond à un flux de pulsations électriques au niveau du capteur de rayonnement laser, ce flux étant proportionnel à la taille de chaque particule. L’étalonnage permet ainsi d’obtenir une distribution normale de pulsations, dont la

médiane est considérée comme étant le seuil idéal pour la taille étudiée. Dans la réalité, une particule exactement de la même taille aura une probabilité p d’être comptabilisée. L’efficacité de comptage pour cette taille sera donc de p %. La norme ISO 21501 indique que l’efficacité de comptage pour la plus petite taille mesurée (canal 1) doit être de 50  20 %. De plus les particules de taille supérieure de 1,5 à 2 fois cette taille minimum doivent être comptabilisées avec une efficacité de 100  20 % dans le même canal. Pour le WPC-22, cela signifie qu’une particule de 2 µm doit avoir une probabilité de 50 % d’être comptabilisée dans le total des particules (canal 1) tandis qu’une particule de 5 µm ou plus doit avoir une probabilité de 100 % d’être comptabilisée dans ce même total (ISO, 2007).

Ainsi, lors de la mesure de particules de taille nominale t µm, l’appareil réalise un ensemble de mesures qui forment une distribution gaussienne centrée sur t. Seules les mesures supérieures à la taille nominale (à droite du pic) sont comptabilisées. La limite principale de la méthode par blocage de la lumière est que sa sensibilité est déterminée par la surface de la particule et non par son volume (Harrison & Latime, 2008; Jonasz & Fournier, 2011). Selon Li et al. (2005), les distributions de tailles de particules non sphériques peuvent être très différentes selon la méthode de comptage utilisée. En effet la taille de ce genre de particules peut être appréhendée de plusieurs manières (Figure 12) : le diamètre de Féret (distance entre deux parallèles imaginaires tangentes à la particule et perpendiculaires à l’axe optique, surtout utilisé en microscopie), la largeur la plus grande, ou le diamètre équivalent à une particule sphérique. C’est cette dernière approximation qui est utilisée dans la méthode par blocage de la lumière, ce qui peut conduire à sous-estimer ou surestimer le nombre de particules comptabilisées. D’autres paramètres peuvent également influencer la mesure, comme la capacité de la particule à réfléchir le rayonnement laser (Jonasz & Fournier, 2011).

Le montage expérimental pour la mesure de la distribution granulométrique avec le compteur de particules est présenté en Figure 13. L’échantillon est homogénéisé grâce à un agitateur magnétique (MR1000, Heidolph). L’eau est pompée vers le compteur grâce à une pompe péristaltique (RZR2, Heidolph). Le débit est mesuré pour chaque échantillon et paramétré dans l’appareil. Il peut être compris entre 60 et 120 mL/min. La séquence de comptage est ensuite lancée : l’appareil mesure en continu la concentration en particules exprimée en particules par mL. Sur le canal 1, les particules de taille supérieure à 2 µm sont mesurées, tandis que le canal 2 mesure les particules de taille supérieure à la taille spécifiée. Toutes les 30 secondes, la mesure est enregistrée et la taille spécifiée change sur le canal 2. Le balayage est ainsi effectué pour les tailles 3 à 100 µm. Pendant la mesure, le débit moyen est mesuré pour corriger les valeurs données par l’appareil en cas de changement par rapport au débit initialement paramétré.

Figure 12 : Différentes interprétations de la taille d'une particule non sphérique (Particle Measuring Systems, 2011)

Figure 13 : Montage expérimental pour la mesure de la distribution granulométrique des particules d'un échantillon. Les flèches rouges indiquent l’écoulement de l’échantillon d’eau à analyser