Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs dans l'environnement par réseaux de capteurs

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Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs

dans l'environnement par réseaux de capteurs

Jacques NICOLAS

Université de Liège (Belgique) – Site d’Arlon

Département « Sciences et Gestion de l’Environnement » Unité « Surveillance de l’Environnement »

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Principal objectif de recherche

: estimer la nuisance olfactive

générée dans l’environnement par différentes sources industrielles ou agricoles.

Centres d’Enfouissement Technique

Installations de compostage

Détection de moisissures dans les bâtiments Bassins de décantation

de sucrerie

Porcheries, poulaillers

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Différents outils :

Analyse de laboratoire (GC-MS) Olfactométrie dynamique Inspection de terrain + modélisation de la dispersion atmosphérique

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… et le nez électronique

Possibilités très prometteuses

+

Monitoring des émissions d’odeur et prédiction de la

nuisance olfactive dans l’environnement

Contrôle des systèmes d’abattement d’odeur

Stress

Utiliser l’odeur comme variable de process pour

détecter des anomalies de fonctionnement

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Dans le domaine des odeurs, aucune méthode ne peut

être considérée comme une "référence".

Toutes les méthodes doivent être considérées comme

complémentaires pour fournir une aide à la décision.

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Rappel du principe de la mesure olfactométrique

Prélèvement d’un sac (Tedlar) sur le terrain

Mesure (olfactomètre) en laboratoire par un panel de 6 personnes

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Principe de l’olfactométrie dynamique

Echantillon odorant prélevé

sur le terrain

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l'olfactométrie

Le "niveau" d'odeur est défini par le nombre de fois qu'il

faut diluer l'échantillon odorant avec de l'air pur pour

arriver au seuil de perception olfactive (50% des

personnes sentent et 50% ne sentent plus)

Compost

Dilué 300 fois

Concentration de

l'odeur = 300 "unités

odeur"

Air à 500m de la source

Déjà tel quel au seuil de

perception = Dilué 1 fois

Concentration de l'odeur

= 1 "unité odeur" = seuil

de perception

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• La seule méthode normalisée pour mesurer une

concentration d'odeur.

• Reconnue au niveau européen par la norme EN 13725

• Définie par un protocole rigoureux

le niveau de l'odeur est défini par sa concentration en

uo

_E

/m

3

_{(unité-odeur européenne par mètre cube)}

Pour rappel : 1 uo

_E

/m

3

correspond à la

concentration au seuil de

perception

!

?

l'olfactométrie

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Rappel : Le nez électronique

Principe : réseau de capteurs-gaz non spécifiques

C1 : Composés soufrés, H S₂

C2 : Solvants

organiques, alcools C3 : Contaminants de l'air, CO, hydrogène, fumée de cigarette C6 : Composés aminés, NH₃ C5 : Gaz combustibles, propane, butane C4 : Vapeur d'eau

Dans notre cas: capteurs à oxydes d'étain commerciaux (Figaro, FIS, Capteur)

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Le nez électronique

ex. dans une station

d'épuration

C6 C1 C5 C4 C3 C2

Boues

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Le nez électronique

C6 C1 C5 C4 C3 C2

Eaux brutes

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Le nez électronique

C6 C1 C5 C4 C3 C2

Boues

Eaux brutes

Gaz

d’échappement

Produit

désodorisant

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Le nez électronique : détection de l’émergence d’une

odeur

un des problèmes = trouver un indice

"global", image de l'odeur

-10 -5 0 5 10 15 20 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 time (hours) o d o r e v e n t

"odour event" pointed out

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Moving away from the landfill gas extraction well

C la s s if ic a ti o n f u n c ti o n s v a lu e s

The classification function for biogas decreases

The classification function for fresh waste remains nearly stable

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Si indice "global"

suivi continu possible

C6 C1 C5 C4 C3 C2

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Autre problème :

La concentration descend sous la limite de détection des capteurs

Au niveau de l'émission, ou à proximité de la source, un nez électronique est capable de détecter et de

reconnaître une odeur, mais pas dans l'environnement

Composition chimique typique ?

Installation de compostage terpens 28% alcohols 27% esters 23% & aldehydes ketones 17% aliphatic hydrocarbons 3% aromatics 1% sulfur compounds 1% Station d'épuration Acétone Cétones Méthanal Ethanal Butanal Aldéhydes Acide acétique Acide butyrique Acide valérique Acides organiques Sulfure de diméthyle Methanthiol Ethanethiol Sulfure d'hydrogène Composés soufrés Ammoniac Diméthylamine Méthylamine Ethylamine Scatole Indole Cadavérine Composés azotés

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Concentrations typiques à l'émission ?

Installation de compostage Station d'épuration

(stabilisation des boues)

1.155 Ethanol 3.340 Limonène 0.116 2-butanone 0.114 1-propanol 0.065 Acetate d'éthyl 0.044 Phénol 0.038 2-butanol 0.019 Ethyl ester d'acide butanoïque 0.022 3-methyl-butanal ppm(v) Exemples de composés 0.360 Sulfure de diméthyle 0.290 Toluène 25 Ammoniac ppm(v) Exemples de composés Abattoir 0.001 Acétone 0.001 Tétramethyle pyrazine 0.005 Sulfure de triméthyle 0.007 Sulfure de diméthyle ppm(v) Exemples de composés Rarement au dessus de 1 ppm(v)

Mais le nez électronique réagit à l'émission globale (pas aux

composés individuels)

Somme ?

- pas représentative de la réponse globale du réseau de capteurs

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R e si st a n ce d e s ca p te u rs

Concentration d'éthanol Dilution du mélange gazeux odorant

Ethanol

Ambiance odorante

Pour avoir une idée de l'ordre de grandeur de la "concentration chimique globale" détectée par le réseau de capteurs

Trouver une équivalence entre la "concentration chimique globale" du mélange odorant et la concentration de vapeur d'éthanol

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Ethanol

Gaz odorant

(compost)

1 … 25 ppmv équivalents-éthanol E T H A N O L

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Quelle est la limite de détection

en "équivalents-éthanol" ? Limite de détection rapport signal-bruit S/N = 3

Bruit = écart-type σ du signal stabilisé (p.ex. en kΩ)

Pour notre configuration selon le type de capteur Correspond à

0.04 … 1.03 ppm(v)

en équivalents-éthanol

Ou à une dilution de

20…100

pour un échantillon typique prélevé au dessus du compost

[

0.07,1.8k

]

σ

∈

Ω

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 Ethanol concentration (ppmv) (R 0 -R ) s e n s o r T G S 2 6 2 0 ( k ΩΩΩΩ ) 0 1 2 3 4 5 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 Ethanol concentration (ppmv) (R 0 -R ) s e n s o r T GS 2 6 2 0 ( k ΩΩΩΩ ) 3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ Ethanol concentration = 0.20 ppmv

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… et la limite de résolution peut encore être plus élevée (p.ex. reconnaître une odeur de compost parmi d'autres)

-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Factor 1 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 F a c to r 2 compost neutralizing product Decre asing conc entra tion Dec reas ing conc entra tion

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Il est donc essentiel d'améliorer le prélèvement du gaz

10 ppm … 1 ppm … 100 ppb … 10 ppb

Lorsqu'on s'éloigne de la source, la concentration

"globale" descend rapidement sous la limite de détection

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Correspondance avec la "concentration d'odeur"

Echantillons prélevés en double

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0 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 ou/m3 (R 0 -R ) s e n s o r T G S 2 6 2 0 ( kΩΩΩΩ ) 3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ 15 uo/m3

"Courbe de calibration" entre la concentration d'odeur et les signaux

des capteurs

Pour une émission de compost, la concentration d'odeur correspondant à la limite de détection des capteurs est faible et proche du seuil de détection olfactif, défini par 1 uo/m3.

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Objectif du nez électronique : reconnaître une odeur (ex. : émission de compost) et la suivre en continu

p.ex. : détecter que le niveau d'odeur dépasse un "seuil d'alerte"

Problème supplémentaire : mesurer

une odeur

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 9 :4 0 9 :4 6 9 :5 1 9 :5 6 1 0 :0 1 1 0 :0 7 1 0 :1 2 1 0 :1 7 1 0 :2 3 1 0 :2 8 1 0 :3 3 1 0 :3 9 1 0 :4 4 1 0 :4 9 1 0 :5 4 1 1 :0 0 1 1 :0 5 1 1 :1 0 1 1 :1 6 1 1 :2 1 1 1 :2 6 1 1 :3 2 1 1 :3 7 Time exhaust gaz of a truck

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Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants

Le signal global du nez électronique _≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur

C o n c e n tr a ti o n o d e u r 1 201 401 601 801 1001 1201 1401 1601 1801 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Conductance G(kS) Concentration = 1+9352 *(G-G0) r² = 0.88 with G0 = 0.0219 TGS 822

OK pour les émissions de compost 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Conductance (G, kS) TGS 800 TGS 822

PAS pour les émissions d'une imprimerie

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Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants

Le signal global du nez électronique _≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur

C o n c e n tr a ti o n o d e u r 1 201 401 601 801 1001 1201 1401 1601 1801 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Conductance G(kS) Concentration = 1+9352 *(G-G0) r² = 0.88 with G0 = 0.0219 TGS 822

OK pour les émissions de compost

Conserver cette relation après préconcentration

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Parfois : aucun composé spécifique, mais "signature" caractéristique Exemple (pollution de l'air "indoor") :

détection de la contamination aux moisissures de matériaux en bois

La signature fongique caractéristique ("odeur de moisi") n'inclut pas nécessairement de nouveaux composés par rapport aux matériaux sains

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Problème : Préserver la dynamique de la détection

Monitoring continu 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 M a h a la n o b is d is ta n c e ( D ²) w o r k i n g d a y s o f f c o m p o s t p i l e m o v i n g c o m p o s t a e r a t i o n w e e k - e n d

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Idéalement

• Une pré-concentration devrait travailler de manière quasi continue, pour permettre l'analyse d'un grand nombre "d'échantillons" durant une

période donnée. 9 :4 0 9 :4 5 9 :5 0 9 :5 5 9 :5 9 1 0 :0 4 1 0 :0 9 1 0 :1 4 1 0 :1 9 1 0 :2 3 1 0 :2 8 1 0 :3 3 1 0 :3 8 1 0 :4 3 1 0 :4 7 1 0 :5 2 1 0 :5 7 1 1 :0 2 1 1 :0 7 1 1 :1 1 1 1 :1 6 1 1 :2 1 1 1 :2 6 1 1 :3 1 1 1 :3 5 Time

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O

K

9:40 9:45 9:50 9:55 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:23 10:28 10:33 10:38 10:43 10:47 10:52 10:57 11:02 11:07 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:35 T im e

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T

ro

p

d

e

"

fil

tr

a

g

e

"

9:40 9:45 9:50 9:55 9:59 10:04 10:09 10:14 10:19 10:23 10:28 10:33 10:38 10:43 10:47 10:52 10:57 11:02 11:07 11:11 11:16 11:21 11:26 11:31 11:35 T im e

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En dépit de ces problèmes, le nez électronique (même sous sa forme actuelle) peut s'avérer être un outil efficace pour le monitoring d'odeurs environnementales

Hall de

compostage d'Habay

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