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Capteurs danalyse GPA-668 Hiver 2010. Mesure de la turbidité Définition: – Expression de la propriété optique des solutions à diffuser ou à absorber la.

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1 Capteurs danalyse GPA-668 Hiver 2010

2 Mesure de la turbidité Définition: – Expression de la propriété optique des solutions à diffuser ou à absorber la lumière au lieu de la laisser passer. Diffusion de la lumière: – Effet Tyndall. Indicateur universel de la qualité de l eau: – Présence de particules en suspension. Source photo:

3 Effet Tyndall Diffusion de la lumière par un milieu trouble (un milieu transparent contenant des particules) Intensité de la lumière diffusée vs longueur donde de la lumière incidente. – I = k/ 4 Loi applicable si la dimension des particules est inférieure à la longueur donde. Sinon, la loi de réflexion normale sapplique. NTU :

4 Unités de mesure JTU: Jackson Turbidity Unit – 1 JTU = 1 ppm de terre à foulon dans de leau pure FNU: Formazine Nephelometric Unit TE/F: Trübungseinheiten Formazin NTU: Nephelometric Turbidity Unit – 1 NTU = 0.02 % de réflexion de la lumière FTU: Formazine Turbidity Unit 5 NTU 50 NTU500 NTU NTU :

5 Produit de référence Formazine – Toxique - couleur du lait – Standard ISO 7027 contient la recette de la Formazine. NTU/FTU:

6 Plages de valeurs typiques Pour leau propre: – 0 à FNU Pour lépuration des eaux: – de 0 à 300 gr/l

7 Quelques valeurs typiques de turbidité Eau usée non-traitée – de 70 à 2000 FNU Eau traitée en sortie station dépuration – de 4 à 20 FNU Eau de source – de 0.05 à 10 FNU

8 Quelques valeurs typiques de turbidité Eau potable – de 0.05 à 1.5 FNU Lait – plus de 4000 FNU Jus dorange – de 300 à 900 FNU

9 Quelques valeurs typiques de turbidité Boue primaire – de 30 à 60 gr/l Boue activée – de 3 à 7 gr/l Boue re-circulée – de 6 à 8 gr/l Boue digérée – de 50 à 80 gr/l

10 Le turbidimètre Appareil mesurant le « trouble » d une solution contenant des particules non dissoutes. Basé sur la réflexion de la lumière.

11 Principe de mesure de la turbidité.

12 Norme DIN Norme ISO 7027 Lumière: – 860 nm +/- 30 nm – Cônes de réception de 30°. En laboratoire: L2 En usine: G/G1

13 Exemple dun turbidimètre (Endress + Hausser) Un des principes utilisés consiste à utiliser un émetteur (1) et deux photodiodes (2) et (3). Essuie-glace (4)

14 Exemple dun turbidimètre (Endress + Hausser) Le récepteur le plus éloigné est le récepteur de mesure. La courbe du signal lumineux reçu croit de 0 à 4000 NTU, puis décroît. Pour un même niveau lumineux, deux turbidités possibles...

15 Exemple dun turbidimètre (Endress + Hausser) Le récepteur le plus près permet de distinguer quelle turbidité sapplique.

16 Effet de la couleur des parois sur la mesure Erreur de mesure inférieure si parois noires et loin. Enfoncer le capteur d au moins 4 cm dans le milieu à mesurer.

17 Montage en conduite Face incliné en direction de la direction darrivée du liquide. Face orientée pour éviter les dépôts.

18 Montage en conduite Sonde rétractable pour faciliter la maintenance.

19 Calibration dun turbidimètre Calibrer avec votre boue ou avec la formazine. – 1) préparer trois échantillons Échantillon original 100 % Échantillon à 33% – 1 volume original + 2 volumes d eau Échantillon à 10% – 1 Volume original + 9 volumes d eau

20 Calibration dun turbidimètre – 2) Calibrer lappareil à 10%, 33% et 100%. – 3) Faire analyser votre échantillon original en laboratoire pour en connaître la turbidité. Contrôle de plausibilité de léchantillonnage Ajustement de lappareil

21 Applications Traitement de leau potable – Réglage de la dose dagent floculent ou de la vitesse de filtration. Traitement des eaux dégout – Réglage du taux de boues à enlever. Industrie alimentaire – Production de vin, spiritueux et jus.

22 Mesure du pH Définition du pH: – Unité de mesure logarithmique décrivant le degré dacidité ou dalcalinité dune solution. – « p » est le symbole mathématique dun logarithme négatif – « H » est le symbole chimique de lhydrogène. – En version française, pH = potentiel Hydrogène

23 Mesure du pH Équation du pH: Cest le ratio des ions H 3 O+ et OH-.

24 Mesure du pH Valeurs de pH – Si pH<7, il y a + dions H 3 O+ que OH-. – Si pH>7, il y a + dions OH- que H 3 O+. – Si pH=7, il y a équilibre entre les ions H 3 O+ et OH-.

25 Mesure du pH Équations chimiques : – 1) Augmentation du nombre dions H 3 O+ – 2) Augmentation du nombre dions OH-, ce qui implique une diminution du nombre dions H 3 O+

26 Mesure du pH Acide acétique (moins que 1% des molécules se décomposent) :

27 Mesure du pH Wikipedia

28 Définitions: Nombre d Avogadro – Nombre de molécules contenues dans la molécule- gramme dune substance. – N A = x10 23 mol -1

29

30 Définitions: Concentration: – unité de concentration en mols / Litre. – Exemple: NaCl à 0.5 mol/Litre 29,25 grammes de NaCl Ajouter de leau pour obtenir un volume total de 1 Litre =58.5

31 Définitions: Molarité: – unité de concentration en mols / kg. – Exemple: NaCl à 0.5 mol/kg 29,25 grammes de NaCl Ajouter de 1000 grammes deau

32 Définitions: % masse: – unité de concentration en % de la masse totale. – Exemple: NaCl à 10 % 100 grammes de NaCl Ajouter de 900 grammes deau

33 Exemple #1: Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une concentration de 1 mol/L ? Masse molaire du Na : M 1 = kg/mol Masse molaire du Cl : M 2 = kg/mol M = M 1 + M 2 = kg/mol

34 Exemple #1: Il faut utiliser kg de sel pour en avoir 1 mol. On ajoute ensuite de leau, jusquà ce que le volume total soit de 1 litre.

35 Exemple #2: Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une molarité de 0.75 mol/L ? On sait (de lexemple #1) que M = M1 + M2 = kg/mol 0.75 mol correspond à kg.

36 Exemple #2: Il faut utiliser kg de sel pour en avoir 0.75 mol. On ajoute ensuite de 1 kilogramme deau.

37 Principes de mesure Indicateurs colorés – Erreur de précision de ±0.2 à ±2 (pH) – Le plus courant: Teinture de tournesol – Rougit si acide / Bleuit si base – Gamme de pH = 6 à 8

38 Principes de mesure Électrodes de verre – Deux électrodes pile – 1 - a sensing part of electrode, a bulb made from specific glass 2 - sometimes electrode contain small amount of AgCl precipitate inside the glass electrode 3 - internal solution, usually 0.1M HCl for pH electrodes or 0.1M MeCl for pMe electrodes 4 - internal electrode, usually silver chloride electrode or calomel electrode 5 - body of electrode, made from non-conductive glass or plastics. 6 - reference electrode, usually the same type as junction with studied solution, usually made from ceramics or capillary with asbestos or quartz fiber.

39 Principe de mesure Électrode de verre hydratée: – Échange dions H 3 0+ provoque lapparition dun potentiel électrique.

40 Principe de mesure Électrode de verre hydratée: – Échange dions H 3 0+ provoque lapparition dun potentiel électrique.

41 Électrodes

42 E1: – potentiel entre le couple AgCl et lélectrolyte. E2: – potentiel entre lélectrolyte et lintérieur de la membrane de verre. E3: – potentiel dasymétrie E4: – potentiel à lextérieur de la membrane de verre / solution à mesurer

43 E6: – potentiel de diffusion E7: – Potentiel entre l électrolyte et le couple Ag/AgCl. E1, E2, E3, E6 et E7 doivent rester constants.

44 Principe de mesure: Équation de Nernst:

45 Principe de mesure: Équation de Nernst: – R = constante molaire des gaz = J/mol/°K – T = Température en °K – n = nombre de charges gagnées ou perdues – F = constante de Faraday = X 10 4 C/mol

46 Effet de la température:

47 Les contraintes sur la mesure du pH Encrassement (neutralisation à la charge) – Ce qui implique un entretient et une calibration fréquente. Température Cassure ou rayure Dessèchement

48 Les contraintes sur la mesure du pH (électrode de verre) Dépôts: – Chaux, Gypse, Boues, Graisse, Protéines Mécaniques: – Chocs, Vibrations, Particules Chimiques – HF, Benzène, Acétone, Alcools, Acide sulfurique, Concentrés de KOH et de NaOH

49 Les contraintes sur la mesure du pH (élément de référence) Pollution du diaphragme – Sulfate, Cyanites, Milieu réducteur. Blocage du diaphragme – Dépôts, Graisses, Protéines, Organismes Réduction – Isolation, Humidité, Connecteurs, Câbles, Erreurs de câblage

50 Mesure du potentiel Redox (couples oxydoréducteurs) Le potentiel doxydoréduction permet de classer une solution aqueuse entre deux catégories: – Oxydante (présence doxygène); Perte délectrons. – Réductrice (manque doxygène). Gain délectrons.

51 Mesure du potentiel Redox (couples oxydoréducteurs)

52 Mesure du potentiel Redox (couples oxydo-réducteurs) Équation de Nernst: – R = constante molaire des gaz = J/mol/°K – T = Température en °K – n = nombre de charges gagnées ou perdues – F = constante de Faraday = X 10 4 C/mol

53 Exemples: Oxydation: réducteur(1) oxydant(1)+ne- Réduction: oxydant(2)+ne- réducteur(2) Oxydoréduction: – Oxydant(2)+Réducteur(1) Oxydant(1)+Réducteur( 2) Exemple: – Fe 2+ Fe 3+ + e- / Ce 4+ + e- Ce 3+ – Ce 4+ + Fe 2+ Ce 3+ + Fe 3+

54 Exemples (2): Oxydation: (réducteur(1) oxydant(1)+ne-) – H 2 O 2 2H + + O 2 + 2e- Réduction: (oxydant(2)+ne- réducteur(2)) – H 2 O 2 + 2H + + 2e- 2H 2 O Oxydoréduction: – 2H 2 O 2 2H 2 O + O 2 – Le peroxyde dhydrogène est oxydant et réducteur.

55 Les règles de base (pH/Redox) Facilité daccès Proximité du transmetteur Protection de la connectique Protection du câble Maintenance régulière – Nettoyage et étalonnage; – Pour contrer le vieillissement du capteur.

56 La maintenance des capteurs de pH Nettoyage de l électrode avec un agent approprié – Acide HCl max 5% pour dépôt calcaire – Simple rinçage à leau claire puis essuyage avec un chiffon doux Étalonnage régulier – pH 4, pH 7, pH 2 et pH 9

57 La maintenance des capteurs de pH Disposer des pièces de rechange suivants: – un câble – une électrode – un jeu de joints – un litre de tampon pH 4 – un litre de tampon pH 7

58 Mesure de la conductivité dans les solutions Mesure de pH plus sensible que mesure de conductivité pour plage de pH de 4 à 10. Mesure de conductibilité meilleure que mesure de pH si pH extrême (près de 0 ou de 14)

59 La conductivité dans les solutions (dissociation) Sel: NaCl Na+ et Cl- Acide:HCl H+ et Cl- Base:NaOH Na+ et OH- Anion - / Cation +

60 Principe de mesure Anions attirés par la borne + Cations attirés par la borne - Na+ Cl-

61 Phénomène de polarisation Agglutinement des ions sur les électrodes ce qui crée des résistances de polarisation. Limite la mesure.

62 Quelques valeurs de conductivité Eau de mer: S/cm Eau potable:100 à 300 S/cm Eau distillée:moins que 3 S/cm Solution de KCl à 0.01 mole/L: S/cm Solution de NaCl à 0.05 % S/cm Cuivre: 56 S/cm

63 Principe de mesure Utilisation dune source de tension alternative pour éviter lélectrolyse. – Mesure de la tension; – Mesure du courant.

64 Conductivité (définitions) R = résistance en ohms – 1/R donne la conductivité en siemens = résistivité en ohm.cm l = longueur du circuit électrique (cm) S = Surface du conducteur électrique (cm 2 )

65 Conductivité (définitions) Constante de cellule en cm -1 – Aspect géométrique – C petit implique la mesure de la conductivité dun très petit volume de liquide. – C grand implique la mesure de la conductivité dun grand volume de liquide.

66 Conductivité (définitions) = résistivité en siemens/cm

67 Constante de la cellule C=0.01: – de 0.05< <20 S/cm C=0.1: – de 0.1< <500 S/cm C=1: – de 10< <5 000 S/cm C=10: – de < < S/cm

68 Principe de la mesure inductive Mesure de 50 S/cm à S/cm.

69 Comparaison entre cellule inductive et conductrice Cellule conductrice: – Avantage: Prix plus bas quun système inductif. – Inconvénients: Dérive liée à lencrassement; Effet de polarisation; Résistance limitée aux produits chimiques; Gamme de mesure plus limitée; Limite en pression et en température

70 Comparaison entre cellule inductive et conductrice Tous ces inconvénients disparaissent avec la cellule inductive.

71 Influence de la concentration À certaines concentrations, le phénomène sinverse. Attention si vous faite de la régulation.

72 Influence de la température La température change la conductivité, donc il faut compenser.

73 Mesure du taux doxygène Applications: – Aquaculture – Boues activées

74 Mesure du taux doxygène Loi de Henry – La pression de O 2 dans le liquide est égal à la pression partielle de O 2 dans lair. À température constante et à saturation, la quantité de gaz dissous dans un liquide est proportionnelle à la pression partielle qu'exerce ce gaz sur le liquide.

75 Mesure du taux doxygène Dépendance de la saturation avec T: – 0°C ----> mg/l – 10°C ----> mg/l – 20°C ----> 9.08 mg/l – 30°C ----> 7.55 mg/l – 40°C ----> 6.41 mg/l

76 Mesure du taux doxygène Dépendance de la saturation avec la pression : – 0 m mbar ----> k = 1 – 500m mbar ---> k = – 1000m mbar --> k=0.890 – 1500m mbar ---> k=0.839 – 2000m mbar ---> k=0.792

77 La cellule ampérométrique Électrolyte: – Gel de KCl Anode: Cathode:

78 Considérations pratiques Compenser en température Agitation: – Vitesse constante découlement d au moins 0.3 m/s. Viser 1.5 m/s. – Sinon, mesure incorrecte. Encrassement: – Nettoyage par ultrasons

79 La maintenance Étalonnage 1x par 15 jours – solutions de concentrations connues Changement préventif de lélectrolyte 1 fois par an. Si boues actives, nettoyer une fois par semaine Disposer en permanence dune membrane de rechange et délectrolyte.

80 Mesure du chlore La chloration : – Chlore gazeux:Cl 2 Produit très toxique et très oxydant. – Hypochlorite de soude (eau de Javel):NaClO Liquide commercialisé en concentrations de 3 à 15 % en poids. – Hypochlorite de calcium:Ca(ClO) 2 Solide avec un contenu de 20 à 70% de chlore actif. – Eau:H 2 O

81 Mesure du chlore La chloration : – Chlore gazeux dissout:Cl 2 – Acide hypochloreux:HClO – Ion hypochlorite:ClO- Chlore libre: Cl 2 + HClO + ClO- Chlore actif: HClO + Cl 2 Très oxydant et bactéricide Peu oxydant et peu bactéricide

82 Mesure du chlore Dioxyde de Chlore : – Chlorite de sodium:NaClO 2 – Acide chlorhydrique:HCl – Eau:H 2 O Formation de dioxyde de chlore ClO 2

83 Mesure du chlore Le chlore est utile pour désinfecter leau. Cest le HOCl qui désinfecte – (100 x plus actif que ClO-). On mesure donc le HOCl et le signal est proportionnel à la concentration de HOCl.

84 Mesure du chlore Parfois, on désire mesurer le chlore libre (HOCl et ClO-) Chlore total = Chlore libre + Chlore combiné. Chloroforme Tétrachlorure de carbone Polychlorobiphényles Chloroforme Tétrachlorure de carbone Polychlorobiphényles

85 Mesure du chlore Comment mesurer le chlore libre avec le chlore actif ? À pH = 7 et T = 20 °C: – 80 % HOCl, 20% ClO- – On peut donc déduire le chlore total du chlore actif. – Implique mesure du pH et de la température en plus du chlore actif.

86 Dissociation du chlore dans leau Équilibre: – HClO ClO- Ce qui est mesuré, cest le chlore actif

87 Cellule ampérométrique Anode Cathode

88 Exemple de montage de la cellule en chambre de passage

89 Maintenance Étalonnage et vérification à tous les 15 jours. Vérifier lencrassement de la membrane. – Nettoyer avec de lacide chlorhydrique. Remplacer lélectrolyte de manière préventive une fois par année.


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