Caractérisation de l’adsorption des HAP par les particules en matrices d’interactions minérales et

3.3.1Préparation des échantillons et analyse des hydrocarbures

aromatiques polycycliques

3.3.1.1

Préparation du matériel et précautions de manipulations

Les HAP étant à l’état de traces, photosensibles et s’adsorbant facilement sur les parois des contenants, des précautions d’utilisation sont prises. La vaisselle en verre, de préférence ambré, est trempée 24h au détergent (TFD 4, environ 5%), rincée à l’eau osmosée (appareil Essential, Millipore) et grillée au four à 500°C pendant 2 h. Les échantillons sont conservés à l’abri de l’air et de la lumière. Tous les solvants utilisés sont de qualité chromatographique : le dichlorométhane et le méthanol sont de qualité Suprasolv (Merck), l’heptane est de qualité Picograde (Promochem).

3.3.1.2

Extraction et purification des échantillons

La quantification des HAP est faite par chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS) par étalonnage interne. Les différentes étapes du protocole sont données en Figure 57 et décrites dans les paragraphes qui suivent.

Figure 57 : Les différentes étapes du protocole d'analyse des HAP

Après filtration, l’échantillon (50 ml) est dopé en étalons internes (EI) (PAH mix 31 deuterated et Pyrène D10, Dr. Ehrenstofer), puis complété à un volume de 1 litre avec de l’eau d’Évian et extrait le lendemain (<24 heures). L’échantillon est extrait sur phase solide C18 (Chromabond, 2 g) avec un mélange de solvants. Le protocole d’extraction est détaillé dans le Tableau 31. Ce protocole d’extraction sur phase solide a été adapté du protocole validé au Leesu pour l’analyse des HAP dans les eaux de rivière et les eaux usées (Bressy et al., 2012; Gourlay- Francé et al., 2011). Les étapes de validation de ce protocole adapté sont présentées en Annexe 6.1.

Tableau 31 : Protocole d’extraction de HAP dans les matrices aqueuses

Type de cartouche C18 (2g)

Conditionnement 10mL méthanol + 10mL eau ultra-pure Volume percolé 1L sur 1 cartouche

Rinçage 0,5mL méthanol Séchage 30min sous N2

Élution (pour chaque cartouche) 12mL dichlorométhane / éthylacétate 80/20

La purification est réalisée sur une colonne en verre avec 2 g de silice (Sigma Aldrich Merck grade 7754) conditionnée avec 5 ml d’heptane. Après le passage de l’échantillon, 15 ml d’heptane sont passés sur la colonne avant élution des HAP avec 10 ml d’un mélange de solvants dichlorométhane/heptane (20/80). Après purification les échantillons sont évaporés à sec sous flux d’azote et repris dans 50 µ L d’heptane afin d’être analysés en chromatographie gazeuse.

3.3.1.3

Quantification des HAP par GC/MS

Le laboratoire LEESU est équipé d’un appareil de chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (Focus DSQ, Thermo Fisher Scientifc). La colonne capillaire utilisée est une RXI-5Sil MS (60 m de longueur ; 0,25 mm de diamètre intérieur ; 0,25 µm d'épaisseur de film) de la marque Restek et le gaz vecteur est l'hélium. Pour la détection par spectrométrie de masse, l'ionisation est faite par impact électronique et le détecteur est un simple quadripôle.

Les échantillons sont analysés en mode SIM (Selected Ion Monitoring) c'est-à-dire que la gamme de masse balayée dans le temps est adaptée aux temps de rétention des composés. Ce mode permet de ne détecter que les ions d'intérêt ce qui diminue le bruit de fond engendré par d'autres ions et augmente donc la sensibilité de l'appareil. Les rapports m/z caractéristiques de chaque molécule sont donnés dans le Tableau 32.

Tableau 32 : Ions spécifiques, étalons internes et limites de quantification (LQ) pour l’appareil Focus DSQ, Thermo Fisher Scientifc

Molécules Ions spécifiques (Da) Étalons internes Ions spécifiques (Da) LQ en masse injectée (ng) LQ en concentration dans l’échantillon pour les 50mL extrait (ng.L-1₎ Pyrène 202 Pyrène D10 212 0,07 1,4 Benzo[a]anthracène 228 Chrysène D12 240 0,03 0,6 Chrysène 228 0,02 0,4 Benzo[b]fluoranthène 252 Pérylène D12 264 0,02 0,4 Benzo[k]fluoranthène 252 0,02 0,4 Benzo[a]pyrène 252 0,02 0,4 Indeno[123]pyrène 276 0,03 0,6 Dibenzo[ah]anthracène 278 0,02 0,4 Benzo[ghi]pérylène 276 0,02 0,4

Des blancs sont passés à chaque séquence analytique afin de vérifier une éventuelle contamination de l'appareil ou des solvants. La gamme d'étalonnage est préparée à chaque changement d'étalon interne et à chaque nettoyage de l'appareil. Pour vérifier que la réponse de

l'appareil n'a pas évolué au cours d’une séquence, un contrôle bas (dans la gamme basse des concentrations) et un contrôle haut (dans la gamme haute des concentrations) sont passés tous les 10 échantillons environ ; un écart maximal de 20% avec la valeur théorique est accepté. L'aire de l'étalon interne, mis au début du protocole analytique, est vérifiée à chaque analyse et doit correspondre au minimum à 60% de l'aire de l'EI dans les contrôles. Seules les concentrations mesurées au-dessus de la limite de quantification sont présentées.

3.3.1.4

Incertitudes sur les concentrations en HAP

L’incertitude sur les concentrations en HAP a été évaluée comme au Chapitre I :3.3.5.2selon l’Équation 16. Les incertitudes d'analyse des HAP ont été calculées à partir de la répétabilité de 8 mesures d’un point de gamme en utilisant le test statistique de Student et en considérant un intervalle de confiance de 95%. Les incertitudes relatives évaluées sur les concentrations en HAP sont données dans le Tableau 33

Tableau 33 : Incertitudes relatives sur la concentration des HAP

HAP Incertitude relative (%)

Acénaphtylène 19 Acénaphtène 8,3 Fluorène 42 Phénanthrène 3,4 Anthracène 9,1 Fluoranthène 3,8 Pyrène 4,1 Benzo(a)anthracène 5,5 Chrysène 4,6 Benzo(b)fluoranthène 3,9 Benzo(k)fluoranthène 2,2 Benzo(a)pyrène 4,1 Indéno(123)pyrène 6,1 Dibenzo(ah)anthracène 11 Benzo(ghi)pérylène 5,2

3.3.2Choix et préparation des solutions de dopage

Pour réaliser les isothermes d’adsorption simplifiées, les concentrations en particules et en COD (dans le cas des matrices organiques) sont fixes, seules les concentrations en HAP varient. La concentration totale après ajout (c’est-à-dire en additionnant la concentration initiale dans la matrice d’interactions et la concentration ajoutée) pour ces isothermes est identique quel que soit le HAP et la matrice d’interactions. Le choix de la concentration en HAP a été fait en fonction des concentrations en HAP dans le milieu récepteur, de la solubilité des HAP et en fonction des limites opérationnelles. En particulier, il était nécessaire que la concentration finale en HAP (même après une adsorption à 90%) soit supérieure à la limite de quantification de la méthode analytique utilisée. Il a été choisi de ne pas travailler à une concentration inférieure à 250 ng.L-1.

3.3.3Isothermes d’adsorption des HAP sur les particules

Comme dans le cas des ETM, trois particules ont été étudiées : la goethite, la MMT et le quartz. Les interactions ont été réalisées en matrice d’interaction minérale (eau ultra-pure) et dans deux matrices d’interactions organiques, acides fulviques (novembre 2014) et Seine-Aval (novembre 2014). Le choix des particules et leur caractérisation ont été présentés au Chapitre I :3.2 ainsi que le choix des matrices étudiées (Chapitre I :3.1). Les détails de préparation des particules et des matrices sont mentionnés dans ces deux paragraphes.

Les isothermes ont été réalisées en « batch » en mélangeant les 16 HAP listés dans le Tableau 21(à partir d’une solution étalon SV Mix# 5 Restek 2000 mg/L) avec un type de particules en suspension dans un flacon en verre contenant un volume de 50 ml d’une matrice d’interaction. Les concentrations en particules utilisées ont été les mêmes que celles utilisées pour l’étude de l’adsorption de la MOD sur les particules au chapitre I, c’est-à-dire la MMT et le quartz à 500 mg.L-1 et la goethite à 100 mg.L-1.

Pour les interactions en matrices minérales les HAP sont ajoutés dans la matrice en même temps que les particules et le mélange est agité pendant trois jours (150 rpm.min-1). Pour les interactions en matrices organiques, il a été choisi de réaliser un pré-équilibre de 3 jours entre la MOD et les particules avant l’ajout des HAP. À l’issue de ce pré-équilibre MOD- particules, les HAP ont été ajoutés au mélange et l’ensemble a été agité trois jours supplémentaires. La durée de trois jours d’interactions en présence des micropolluants a été choisie d’après la littérature dans laquelle la plupart des études utilisent moins de trois jours d’interactions. Par exemple Feng et al. (2006), qui ont étudié le rôle de la conformation physique de la MOD sur les processus de sorption du phénanthrène sur la MMT et la kaolinite, ont choisi un temps d’équilibre de 24 heures. L’adsorption du phénanthrène par la goethite et par le sol a été étudiée par Angove et al. (2002) et Ping et al. (2006) avec un temps d’équilibre de 18h et 24h.

Après les trois jours d’interaction, les échantillons ont été filtrés (0,7 µm GF/F – Whatman) et le filtrat analysé pour évaluer la quantité de HAP restant en solution après interaction. Le schéma du protocole d’isotherme d’adsorption des HAP par les particules est représenté en Figure 58.

Figure 58 : Schéma synoptique du protocole employé pour la réalisation des isothermes d’adsorption des HAP par les particules du milieu récepteur

Les batchs d’interactions ont été dopés en HAP afin d’avoir une concentration de 250 et 500 ng.L-1. En raison du lourd travail lié à la mise en place du protocole expérimental pour l’étude des interactions entre MOD urbaine, particules et HAP les isothermes complètes n’ont pas pu être été réalisées pour les HAP, comme cela a été le cas pour les ETM.

Le pourcentage d’adsorption des micropolluants a été calculé pour les isothermes simplifiées afin de déterminer quelles particules adsorbent le plus. La quantité adsorbée a été calculée de la même façon que pour les ETM (paragraphe 3.2.3.3). Les incertitudes sur le pourcentage d’adsorption et la quantité adsorbée ont été calculées selon l’Équation 16. Le logKD (Tableau 23) a été calculé et représenté en fonction de valeurs du logKOW des HAP.

3.4

Caractérisation de l’adsorption du sulfaméthoxazole par les