Appliquer le nez électronique pour reconnaître et suivre en continu de mauvaises odeurs dans l'environnement

Appliquer le nez électronique pour reconnaître et suivre en continu de mauvaises odeurs dans

l’environnement

Jacques NICOLAS FUL – Arlon (Belgique)

reconnaître suivre des ambiances gazeuses

Nez

électronique z

PROTECTION DES BERGES

Auteur Date Fiche n° secteur observation

LOCALISATION

Situation Commune pays berge G

berge D lit Cours d'eau

NATURE

mur en maçonnerie enrochements bricolage mur en béton palplanches (profiliés) Autre … perrés non jointoyés tunage (piquets bois)

gabions (paniers) épis (déflecteurs de courant)

AUTEUR DE LA PROTECTION

particulier administration

ETAT

bon état déterioration faible déterioration forte avis indécis

PROPRIETE

propriété connue propriété inconnue

• créneau de recherche peu exploré

• correspond à un nombre élevé de

plaintes dans la population

• odeur = signal d’alarme

• indicateur de bon ou de mauvais

fonctionnement d’un process

• généralisation à d’autres mélanges

gazeux à faible concentration

propyl-benzène

1-éthyl-2-méthyl-benzène

dérivés du benzène et dérivés d’alcanes C9-C10 1-éthyl-4-méthyl-benzène dodécane undécane nonane cycloalcanes octane ethyl-cyclohexane 3-méthyl-heptane 2-butanone 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00 22.00 24.00 26.00 28.00 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000 220000 240000 260000 280000 300000 320000 340000 360000 Time--> Abundance imprimerie + = + = synergie inhibition

composés soufrés vapeurs alimentaires gaz combustibles acides gras volatils hydrocarbures solvants organiques odeur réseau de capteurs reconnaissance signature caractéristique de l'odeur bibliothèque d'odeurs

composés soufrés vapeurs alimentaires gaz combustibles acides gras volatils hydrocarbures solvants organiques réseau de capteurs

composés soufrés vapeurs alimentaires gaz combustibles acides gras volatils hydrocarbures solvants organiques réseau de capteurs

décharge carrosserie Station d’épuration élevage compost papeterie

s s e composés soufré vapeurs alimentaires gaz combustibl acides gras volatils hydrocarbures solvants organiques réseau d capteurs e

Réseau de capteurs à oxyde d’étain Changement de la conductivité électrique quand un composé gazeux interagit avec la surface

Inconvénient : doit être chauffé au-dessus de 300°C Avantages : robuste, disponible commercialement, “non sélectif”

Principe de fonctionnement du capteur SnO2 Weimar, 2000 temps ré s is ta n c e réponse air CO air Oxyde d'étain fritté Résistance de chauffage Electrodes K₂ m O₂ + {site vacant} + e- _{O -m}, 2 1 X +{O -m} {XOm}+e -K₁ K₂ Capteurs

Odeur échantillonnée Air sec Barbotteur eau Vanne 3-voies Chambre de mesure avec 12 capteurs Figaro Pompe Débitmètre Capteurs de température et d’humidité

Air pur non-odorant

(soit une bouteille, soit un filtre à charbon

actif) Odeur

Procédure classique au laboratoire

time R é s is ta n c e d u c a p te u r réponse

Odeur environnementale temps R é s is ta n c e d u c a p te u r Au laboratoire temps R é s is ta n c e d u c a p te u r

Techniques de reconnaissance de “motifs” (PARC)

Procédures non-supervisées (Regroupement)

(Analyse des Composantes Principales, Réseaux de Neurones - Self Organising Maps, …) Libres de répondre aux données d’entrée et de construire un “modèle” capable de

regrouper les observations qui possèdent des comportements similaires relativement aux signaux des capteurs

outils d’évaluation Environnement Laboratoire -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 Facteur 1 F a c te u r 2 Déchet frais Biogaz Mâchefer -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 Facteur 1 F a c te u r 2 _{100% Arabica} 100% Robusta Mixture

Procédures supervisées (Classification)

(Analyse des Fonctions Discriminantes, ANN - Backpropagation, …)

Pendant une “phase d’apprentissage”, les signaux d’entrée sont mis en relation avec les sources odorantes et l’appartenance à un groupe spécifique est

connu Décharge Eau usée Elevage Racine 1 R a c in e 2 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 X X X inconnues Modèle pour la reconnaissance en temps réel d’odeurs inconnues

Premier type d’application : gaz purs ou mélanges simples

H₂S CO E T H A N O L Intérêt

Test des performances du réseau

Test des différentes procédures mathématiques

Test des différentes conditions opératoires

Deuxième type d’application : espace de tête au dessus de liquides,

d’aliments, …

Problème déjà plus compliqué :

•Composition gazeuse variable

Mais :

•Plus ou moins les mêmes composés principaux •Espace de tête, reproductible

Troisième type d’application :

atmosphères réelles échantillonnées dans l’environnement

Problème de l’échantillonnage sur le terrain :

•Mélange chimique changeant •Risques, incertitudes

•Influence des paramètres ambiants

Mais :

Quatrième type d’application :

Mesure d’atmosphères réelles directement sur le terrain

Cumul de toutes les difficultés :

•Mélange chimique changeant •Risques, incertitudes

•Influence des paramètres ambiants

Difficulté supplémentaire : Evaluation d’une Odeur

Unité « Surveillance de l’Environnement » à la FUL : Application du principe du nez électronique (avec des capteurs à oxyde d’étain) pour reconnaître et suivre en continu des mauvaises odeurs réelles, directement sur le terrain.

Buts :

•Comprendre l’émission d’odeur

0.01 0.1 1 10 100 1000 Concentration Ammonia (ppm) R/R0 TGS 824 NH₃ 0.01 0.1 1 1 10 100 Concentration H2S (ppm) R/R0 H₂S TGS 825 0.01 0.1 1 10 100 1000 Concentration Benzene (ppm) R/R0 TGS 822 0.01 0.1 1 10 100 1000 Concentration Ethanol (ppm) R/R0 _{TGS 2620} CH₃CH₂OH 0.01 0.1 1 100 1000 Concentration Propane (ppm) R/R0 TGS 813 C₃H₈

Mesurer une

odeur

:

Mesurer une odeur

:

2. Reconnaissance supervisée en

ciblant les « odeurs »

Instruments commerciaux

• Chers

• Destinés surtout à des

Instrument de terrain :

• Simple

• Transportable

Instruments « home made »

Problèmes : Non-disponibilité du

réseau électrique

Problèmes : Influence des

paramètres ambiants

•Humidité de l’air •Température

•Vitesse du vent L’humidité de l’air fait partie de l’odeur globale :

impossible de sécher ou de saturer le gaz échantillonné

Vapeur d’eau

Problèmes : Faibles concentrations

à l’immission

Gas sampled in

Tedlar® _{bags, near}

the source

(emission level), tests in the lab (12

Figaro® _sensors)

Equarrissage Atelier de peinture

Station d’épuration

Compostage de

déchets ménagers Imprimerie

59 échantillons – 7 mois (Mars-Octobre) – conditions climatiques variables – Conditions opératoires variables

Racine 1 R a c in e 2 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -15 -10 -5 0 5 10 Carrosserie Compost Station épuration Equarrissage Imprimerie TGS822 solvants TGS800 fumée de cigarette TGS813 gaz combustibles TGS824 ammoniac TGS825 H₂S TGS800 vapeurs alimentaires TGS824 ammoniac TGS2180 vapeur d ’eau

Relier les signaux des capteurs à l’intensité de l’odeur (telle que perçue par l’opérateur)

•Près des déchets frais ou près des puits d’extraction du biogaz

•141 observations (69 « déchets frais » and 72 « biogaz »)

•Sensation de l’intensité de l’odeur sur une échelle à 4 niveaux

Partial Least Squares regression (PLS)

Relier les signaux des capteurs à « l’intensité » de l’odeur telle que déterminée par olfactométrie

Chevauchement des groupes :

niveaux de « pureté » variables

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

Distance à partir du puits d'extraction de biogaz

V a le u r d e s f o n c ti o n s d e c la s s if ic a ti o n

La fonction de classification du biogaz diminue

La fonction de classification des déchets frais reste pratiquement stable

-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 temps (heures) é v é n e m e n t o d e u r

Signal d’alarme

Information riverains (internet, …)

Indoor air pollution

• Corrélation entre les signaux

des capteurs et la

concentration en solvants (mesurée par GCMS)

• Détection rapide des

moisissures par identification des COV qu’elles émettent

Sensor

Power supply

Electronic interface

Conclusion

• Le nez électronique avec une configuration très simple fournit

des résultats encourageants pour détecter une odeur dans l’environnement

• Il existe un espoir de pouvoir fabriquer des instruments

portables capables de prévoir une odeur inconnue en temps réel sur le terrain

• Le monitoring des odeurs environnementales est un

challenge, mais une simple estimation est suffisante

=> pas besoin de conditions opératoires très rigoureuses

• Il reste néanmoins beaucoup de travail à faire avant que le nez