Chapitre 2. Prélèvements, matériels et méthodes analytiques
5. Techniques d’analyses des eaux
5.1. Mesure du pH et du potentiel d’oxydo-réduction
Les mesures d’Eh et de pH ont été réalisées par potentiométrie, respectivement à l’aide d’une électrode de platine combinée (Prolabo) et une électrode de verre combinée (Metter Toledo). Les électrodes de référence sont dans les deux cas Ag/AgCl avec [KCl] = 3 M.
5.2. Analyse de l’alcalinité dans les eaux
L’alcalinité (ou réserve alcaline) se définit comme la quantité d’acide fort pour neutraliser l’ensemble des bases présentes dans l’échantillon. Différentes bases peuvent être présentes dans les eaux naturelles, majoritairement les carbonates, les hydrogénocarbonates et dans une moindre mesure les borates, les silicates et les phosphates. Dans notre cas, les valeurs
d’alcalinité sont assimilées aux concentrations d’HCO3-. Le dosage est réalisé par
potentiométrie (titrateur automatique Metrohm 848 Titrino plus) sur 1 mL d’échantillon. Le dispositif est muni d’un capillaire qui ajoute progressivement la solution titrante d’HCl
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5.3. Analyse du carbone organique dissous
Les concentrations en carbone organique dissous (COD) des échantillons d’eau ont été
déterminées au laboratoire à l’aide d’un TOC-VCSH (Schimadzu). L’échantillon est d’abord
prélevé et placé dans une cellule dans laquelle sont ajoutés 3 % d’HCl 2 M pour éliminer le carbone inorganique dissous (CID) sous un flux d’air synthétique. L’échantillon est ensuite placé dans un four à 680 °C pour oxyder le COD restant en présence d’un catalyseur de billes
de platine, également sous flux d’air. Le CO2 ainsi généré est finalement quantifié à l’aide d’un
détecteur infrarouge (Álvarez-Salgado and Miller, 1998). L’aire du pic obtenu permet de déterminer la concentration en COD à partir d’une courbe d’étalonnage réalisée avec de
l’hydrogénophtalate de potassium (C8H5KO4). Cette dernière possède un domaine de linéarité
compris entre 0,05 et 25 mg C L-1, et trois à cinq mesures de chaque échantillon sont réalisées
dans le but d’obtenir un écart-type relatif inférieur à 5 %.
5.4. Dosage des anions dans les eaux
Les anions (Cl-, NO2-, NO3-, PO43- et SO42-) ont été dosés au laboratoire par chromatographie
ionique Dionex munie d’un générateur d’éluant (module EG50), d’une pompe à gradient quaternaire (module GP40), d’une cellule conductimétrique (module ED40). L’appareil est équipé d’une boucle d’injection de 100 µL, d’une colonne de garde IonPac AG-18 (10 µm, 50 x 4 mm ; Dionex) et d’une colonne analytique IonPac AS-18 (10 µm, 250 x 4 mm ; Dionex). Le principe de la méthode consiste à injecter 100 µL d’échantillon dans une colonne chromatographique à résine échangeuse d’anions. La résine constitue la phase stationnaire. Elle est composée de billes de latex sur lesquelles ont été greffés des groupements fonctionnels d’ammonium quaternaire alkylés chargés positivement. Un flux de KOH, constituant la phase mobile, est appliqué de manière continue sur la résine. Il se produit une compétition entre les ions à analyser, fixés plus ou moins fortement sur la phase stationnaire, et les ions hydroxydes présents dans l'éluant. L'interaction électrostatique entre la résine de la colonne et les anions à séparer est plus ou moins forte, en fonction de la taille, de la charge, de la polarité et du degré d’hydratation des anions présents. Les petits ions à faible charge seront peu retenus et sortiront les premiers de la colonne. Progressivement les ions de l’éluant vont remplacer les anions de l’échantillon, qui vont ainsi migrer jusqu’à la sortie de la colonne, où ils seront détectés par conductimétrie (Tessier, 2012). Une gamme d’étalonnage préparée à partir de solutions
monoélémentaires (Merck) à 1 g L-1 permet de déterminer les temps de rétention propre à
chaque espèce et de convertir l’aire de pic trouvé dans les échantillons en termes de
concentrations. Des tests de contrôle sont réalisés tous les dix – quinze échantillons en utilisant une solution multistandard afin de s’assurer que la déviation standard reste inférieure à 10 %. Les manipulations sont réitérées dans le cas contraire.
5.5. Dosage de l’ammonium
Le dosage de l'ammonium est réalisé par spectrométrie en utilisant un spectromètre VARIAN Cary 300 Scan UV-Visible suivant la norme AFNOR T 90-015-2 (1975). En milieu alcalin (8
< pH < 11,5), l'ammonium dissous réagit sur l'hypochlorite (ClO-) pour former une
monochloramine. Ce composé, en présence de phénol (C6H6O) et d'un excès d'hypochlorite
(milieu oxydant) donne lieu à la formation d'un bleu d'indophénol après 6 h de réaction. La
réaction est catalysée par le nitroprussiate de sodium (Na2[Fe(CN)5NO]●2H2O). La mesure de
l’absorbance, que l’on relie à la concentration par l’intermédiaire d’une gamme de calibration
(0,01 – 0,2 mg L-1), est réalisée au niveau du maximum d’absorption, c’est-à-dire à la longueur
d’onde de 630 nm.
5.6. Dosage des éléments majeurs, mineurs et traces dans les eaux
Le dosage des éléments majeurs, mineurs et traces (As, Al, Ca, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Si, Ti, V et Zn) dans les échantillons aqueux a été effectué par spectroscopie. Selon leur concentration, les éléments sont soit dosés par un spectromètre d’émission optique (ICP-OES, Varian, modèle Vista Pro à visée axiale) soit par un spectromètre de masse (ICP-MS, Thermo Elemental X-series). Le principe de la mesure en ICP-OES est basé sur la nébulisation puis l’atomisation de l’échantillon liquide dans un plasma d’argon (6000-8000°C). Les électrons des couches externes de l’échantillon sont excités à un niveau énergétique supérieur. Leur retour à l’état fondamental est accompagné de l’émission d’une série d’ondes électromagnétiques caractéristiques de chaque élément dans la gamme du spectre UV-visible. Les différentes longueurs d’ondes sont séparées grâce à un spectromètre contenant un réseau et un prisme, puis détectées simultanément par un détecteur CCD (Coupled Charge Device ou dispositif à couplage de charge). L’intensité de la radiation est proportionnelle à la concentration de l’élément sur une large gamme (Frayret et al., 2012). Lorsque les concentrations des éléments
sont sous la limite de détection de l’ICP-OES (typiquement de quelques µg L-1 à quelques
dizaine de µg L-1), les analyses sont alors réalisées par un spectromètre de masse (ICP-MS) plus
sensible. Dans ce cas, l’échantillon liquide est aspiré puis nébulisé dans un plasma où les composés à analyser sont atomisés et ionisés. Les ions sont ensuite séparés selon le rapport m/z
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Chaque spectromètre est calibré avec des solutions standards préparées dans HNO3 2% (v/v)
avec dans certains cas, l’ajout de la matrice (notamment pour les extractions séquentielles). Pour l’ICP-OES, des tests de contrôle qualité sont réalisés tous les 10 – 15 échantillons en utilisant une solution standard proche en terme de concentration. Ceci permet de s’assurer d’un bon recouvrement (incertitude acceptée de 10 %) tout au long de la séquence d’analyse. Pour
les mesures en ICP-MS, Bi et Ge (10-25 µg L-1 ; Astasol, Czech Metrology Institute) sont
employés comme étalons internes pour corriger la dérive instrumentale au cours des analyses. Les étalons internes sont introduits dans tous les échantillons (concentration finale comprise
entre 10 à 25 µg L-1) en utilisant un kit trident (Glass expansion) qui est connecté en sortie de
pompe péristaltique. L’ensemble des analyses en ICP-MS a été réalisé en mode chambre de
collision/réaction (CCT®), en employant du dihydrogène (0,5 mL min-1) et de l’hélium (3,5
mL min-1), afin d’éliminer les interférences spectrales. Les analyses en chambre de
collision/réaction ont été associées à l’emploi d’un filtre en discrimination en énergie cinétique (DEC) dont l’action est de bloquer les ions polyatomiques (énergie cinétique plus faible que les ions monoatomiques). La séparation de l’analyte ciblé et des ions interférents est réalisé par l’augmentation du potentiel transversal par l’application d’une différence de potentiel (2 V) entre l’hexapole de la cellule de collision/réaction et le quadripôle du filtre de masse.