L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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1 L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.
Bruno Bousquet, Amina Ismaël, Grégoire Travaillé, Lionel Canioni. Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne Université Bordeaux 1 – CNRS UMR 5798

2 Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.
Sommaire L’intérêt de connaître le niveau de pollution d’un sol L’analyse d’un sol Le principe de la spectroscopie LIBS L’analyse des spectres LIBS La campagne de terrain Les résultats Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

3 L’intérêt de connaître le niveau de pollution d’un sol (1)
Crédit photo : ANTEA Friche industrielle à réhabiliter : Sol pollué ? Hydrocarbures – métaux lourds Quelle épaisseur faut-il extraire ? Quel traitement doit être envisagé pour ces « déchets » ? Quel coût ? Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

4 L’intérêt de connaître le niveau de pollution d’un sol (2)
Crédit photo : ANTEA Crédit photo : ANTEA Le terrain est découpé en mailles et des décisions doivent être prises pour chaque maille. Certains sols sont supposés toxiques. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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L’analyse d’un sol (1) On prélève un échantillon de sol On retire les feuilles, cailloux, etc… Ces échantillons sont prêts à partir au laboratoire d’analyse. Analyse de laboratoire (ICP-MS ou ICP-AES) : On prélève une faible quantité de l’échantillon ramené. On prépare l’échantillon : tamisage, mise en solution… Le coût est élevé : environ 100 € par élément chimique recherché. Le chantier de dépollution est stoppé en attendant les résultats. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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L’analyse d’un sol (2) La petite quantité d’échantillon analysée est elle représentative du sol à plus grande échelle ? Cette question est très compliquée dans le domaine de l’environnement et représente un travail de recherche à part entière. Quel est l’apport d’une analyse sur site ? 1. Analyse quantitative directe en remplacement de l’analyse de labo Ou 2. Aide à l’échantillonnage : permet d’avoir une connaissance du site avec des données relatives et de ramener au laboratoire des échantillons sélectionnés. Selon les performances de la technique de mesure sur site. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Le principe de la spectroscopie LIBS (1) Laser-Induced Breakdown Spectroscopy : Spectroscopie d’émission de plasma induit par laser LASER Spectromètre Spectre LIBS typique d’un sol Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Le principe de la spectroscopie LIBS (2) Génération du plasma Un faisceau laser est focalisé sur l’échantillon à analyser (solide, liquide, gaz). Lorsque la fluence laser (densité d’énergie par unité de surface) est suffisante (quelques J/cm²), il y a formation d’un plasma constitué d’ions, d’atomes et d’électrons libres. Pour un échantillon solide, il y a formation d’un cratère. Emission du plasma Les électrons libres qui perdent de l’énergie par freinage sont à l’origine de l’émission d’un spectre continu - lumière blanche. Les ions et atomes qui se désexcitent sont à l’origine de l’émission d’une lumière caractérisée par un spectre de raies, chaque raie correspondant à une transition entre deux niveaux quantiques d’énergie. L’émission des raies se prolonge au-delà de celle du spectre continu, ce qui permet de détecter uniquement le spectre de raies par décalage temporel du détecteur. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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L’analyse des spectres LIBS (1) Identification des éléments chimiques Chaque élément chimique est associé à un spectre de raies. Les raies étant répertoriées dans des bases de données (ex. / NIST), on peut attribuer à chaque raie un ou plusieurs éléments chimiques. L’identification s’appuiera sur la redondance des informations. Pour les sols, on a cherché en priorité le Chrome, le Plomb et le Cuivre. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

10 Effets de matrice très importants
L’analyse des spectres LIBS (2) Mesure des concentrations Nécessité de bâtir une courbe d’étalonnage : signal LIBS en fonction de la concentration Sol dopé en « bouillie bordelaise » Saturation du signal : Dégrade les mesures de concentration Recours aux réseaux de neurones. Effets de matrice très importants La courbe d’étalonnage faite à partir d’un type sol ne permet pas de prédire la concentration d’un élément dans un autre type de sol. Analyse quantitative directe impossible ! Classification par ACP Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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L’analyse des spectres LIBS (3) Cartographie de pollution d’un site Etape 1 : Sur la base des données LIBS, l’opérateur localise les zones de pollution grâce au code de couleurs. Etape 2 : L’opérateur multiplie les mesures LIBS afin de connaître précisément la distribution de la pollution. Signal LIBS de référence, valeur minimum Signal LIBS de 2 à 3 fois supérieur au signal de référence Signal LIBS de 4 à 5 fois supérieur au signal de référence Signal LIBS de plus de 10 fois supérieur au signal de référence Aide à l’échantillonnage : sélection optimisée des échantillons à ramener au laboratoire. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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La campagne de terrain (1) Ancien site minier (BRGM) dans le Finistère. Bassins de décantation, rejet de l’eau dans une rivière Campagne de mesures LIBS du 20 au 24 octobre 2008. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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La campagne de terrain (2) Construction d’un instrument LIBS mobile - Laser Nd:YAG 1064 nm – 10 ns – 60 mJ - Fibre optique laser - Tête de focalisation - Fibre optique (signal LIBS) - Spectromètre - Pilotage par PC … le tout sur un chariot. Rayon d’action de 10 m autour du chariot. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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La campagne de terrain (3) Accès au site Installation sur le site Utilisation d’un groupe électrogène Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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La campagne de terrain (4) Mesures LIBS Laser et PC sur groupe électrogène 1 spectre LIBS : accumulation sur 60 tirs laser 10 spectres par échantillon 47 échantillons de sols Prélèvements : en surface, en profondeur, sous l’eau Préparation : séchage, pastillage Mesures GPS pour chaque échantillon Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Les résultats (1) Les spectres LIBS sont constitués de centaines de raies. Al Ca+ Cu Fe Pb Cr Fe Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Les résultats (2) Pour chaque échantillon, données GPS (ex: 48,46563° Nord – 3,61409° Ouest) Trois cartographies LIBS sont en préparation : - Cuivre - Plomb - Fer La cartographie LIBS est corrélée à celle des concentrations Développement d’un logiciel mixte LIBS/GPS : LOGILIBS Des résultats d’analyses ICP-AES sont attendus pour une validation complète. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Conclusion Ce travail a été mené dans le cadre de : Projet SOLSTICE : ANR PRECODD / 2005 – 2008 Projet VALOROLA : Région Aquitaine / 2005 – 2008 Projet de recherche ADEME 2008 Fin en décembre 2008. Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.

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Merci de votre attention ! Bruno Bousquet - L’analyse des sols pollués par spectroscopie LIBS.