Objectifs scientifiques
Dans les eaux naturelles, seule une petite fraction des éléments traces métalliques (ETM) dissous est sous forme de cation libre hydraté car la plupart des ions métalliques forment des complexes stables avec les ligands inorganiques et organiques, qu’ils s’absorbent sur des colloïdes, et peuvent interagir avec des microorganismes.
Ainsi, la plupart des complexes métalliques présentent un caractère polyfonctionnel et polyélectrolytique et ont ainsi une large gamme d’énergies libres de formation de complexes, de constante de formation/dissociation, et de taille, contrôlant ainsi la disponibilité biologique, la toxicité et la mobilité des métaux.
Un dispositif de terrain fiable pour déterminer la spéciation dynamique des éléments trace métalliques (ETM) est un désir de tous les scientifiques qui étudient l’impact des ETM dans l’environnement.
Les difficultés techniques liées au développement de ces dispositifs sont tout d’abord la conséquence de concentrations en ETM très basses dans les eaux naturelles (typiquement inférieur aux microgramme/litre) ; ensuite liée aux difficultés d’amener l’équipement sur le terrain (problèmes d’autonomie) ; également à des soucis dû à la présence de ligands dans les eaux susceptibles de complexer les métaux (problèmes de spéciation) ; et enfin le fait que les eaux naturelles sont sujettes à des changements constants et ne sont pratiquement jamais à l’équilibre chimique (problèmes dynamiques).
L’objectif de ce projet est d’adresser ces problèmes en développant un dispositif on-site basé sur des dispositifs électrochimiques (limite de détection), la disponibilité de processus de fabrication additive (impression 3D) et des plateformes de contrôle électronique et informatique non propriétaires de consommation basse.
La combinaison des avancées récentes des techniques électro analytiques et la monitorisation des paramètres des eaux (pH, conductivité, température) permettra d’avancer sur la problématique de la spéciation et de la nature dynamique du système.
Le développement des dispositifs de terrain sera validé sur le LIECOSCOPE, plateforme du LIEC simulant des rivières artificielles, ou il pourra participer à l’effort d’instrumentalisation du dispositif. L’association de cette plateforme et des Modules d’Analyses Environnementales renforcera l’acquisition des données de terrain fiables.
Cette démarche permettra en aval de continuer à développer les modèles chemodynamiques de spéciation des ETM qui sont au cœur de la recherche du LIEC.
Description technique
L’objectif de cette démarche à long terme vise à réaliser un système d’analyse chimique d’eaux naturelles sur le terrain (on-site). La conceptualisation est “Open-Source Hardware”, et comprend une partie hydraulique et une partie de mesure chimique. L’ensemble étant piloter par une IHM.
La partie hydraulique contient : la gestion des échantillons ; cela inclut la capacité de changer leur pH et salinité et éventuellement ajouter des réactifs spécifiques ; d’apporter les échantillons aux cellules de mesure ; et ensuite de nettoyer l’ensemble des éléments utilisés.
La partie mesure chimique sert à acquérir les paramètres suivant : T, pH, C, Turbidité ainsi que la spéciation des éléments traces métalliques en utilisant des techniques électro-analytiques.
Chaque sous-ensemble du dispositif hydraulique/analytique est techniquement indépendant (concept de module), il pourra être piloté directement et intégré une électronique de contrôle commande bas niveau.
Le pilotage pourra donc être local ou à travers une interface gérant l’ensemble du dispositif. Chaque module doit posséder ces propres instructions et communiquer à l’extérieur avec une interface standard. Le système informatique qui gère le dispositif doit être non propriétaire, modulaire et évolutif.
Cette première demande de soutien à la DT vise à structurer le projet par la rédaction de spécification d’architecture système répondant à la problématique de mesure (spécification fonctionnelle). L’ensemble des aspects fluidique/hydraulique, mécanique, contrôle-commande, informatique/IHM seront décrits afin d’envisager une phase de prototypage ultérieure.
Contact DT : Laurence Beaumont
Contact LIEC : Vincent Dutreuil