L?analyse en ligne permet de suivre un certain nombre de paramètres (pH, température, chlore, métaux lourds, nitrates, ammonium, etc.) essentiels au contrôle de la qualité de l'eau et de l'optimisation des procédés de traitement. Profitant des progrès de l'informatique embarquée, les nouveaux appareils utilisés pour réaliser cette surveillance innovent aujourd'hui par leur communicabilité accrue, mais aussi par leur qualité de mesure et leur maintenance allégée. Les principes de mesure (électrochimie et optique) des analyseurs n?ont guère changé. C?est plutôt leur mise en ?uvre qui a évolué.
L'optimisation des procédés et la surveillance de la qualité des rejets.
Telles sont les deux tâches principales assurées par les analyseurs utilisés dans l'industrie dans des secteurs aussi divers que l'agroalimentaire, la chimie, la pétrochimie et le traitement des eaux... Le nerf de la guerre ? Réduire les coûts d’exploitation et répondre aux
Les exigences réglementaires concernant les effluents.
Composés d'un ou de plusieurs principes d'analyse, les analyseurs sont des instruments permettant de suivre en continu (en temps réel) ou de façon séquentielle (après prétraitement de l’échantillon) un certain nombre d'informations fondamentales au procédé et à la conduite épuratoire : pH, température, conductivité, COT, turbidité, sodium, silice, nitrate, oxygène dissous, dureté, potentiel redox, ammoniaque, alcalinité.
Deux solutions sont possibles pour les mesures. On peut utiliser soit un capteur (sonde) relié à un transmetteur (ou contrôleur), soit un automate d’analyse (analyseur en ligne). Ce dernier gère des organes qui prélèvent un échantillon et mesurent le paramètre recherché. Si les sondes présentent l’avantage de mesurer dans le milieu, leur domaine d’application est cependant assez restreint, se limitant aux paramètres courants comme la température, le pH, l’oxygène dissous… Pour certains polluants comme les métaux lourds ou le COT, le recours aux analyseurs reste indispensable. Leur point fort : restituer des mesures plus précises avec moins de maintenance, les sondes, dans tous les cas, restant des consommables.
Depuis 30 ans, deux principes d’analyse prédominent : l’électrochimie (pour le pH, la conductivité, le potentiel redox…) et l’optique (colorimétrie, spectrométrie, etc.) pour la mesure de la turbidité notamment ou de paramètres chimiques (phosphates, nitrates…). « Les méthodes de mesure »
Des procédures de certification en attente
Ces dernières années, une démarche a été engagée afin d’évaluer les performances de ces appareils. En Europe, l'étude ETACS a débouché sur la norme ISO 15839 pour les analyseurs et capteurs dans le secteur de l'eau. « La commission AFNOR T90L “Mesure en continu pour l’eau” a effectué depuis 6 ans un énorme travail qui a conduit à plusieurs textes normatifs dont une norme sur l’évaluation des turbidimètres en continu applicables aux eaux peu chargées », souligne Jean-Luc Cécile. Cette commission a adopté en 2006 pour la France la norme ISO 15839. De son côté, l'ACIME (Association pour la Certification des Instruments de mesure de l'Environnement), sous égide de l'Inéris et de l'Afnor Certification, envisage, à l'instar de ce qui se fait pour la qualité de l'air, de proposer aux fabricants une certification des capteurs et analyseurs de l'eau. De plus, une action équivalente a été engagée par le Mcerts (Royaume-Uni) au CEN. Dès lors, les textes produits par cette instance s'imposeront à tous, anéantissant définitivement le travail fait à l'Afnor, ainsi que les efforts financiers consentis par les participants : fabricants et utilisateurs.
« Mais n’ont guère changé », estime Jean-Luc Cécile, formateur à l'ITRA, « en dehors toutefois de la détection des hydrocarbures dissous qui peut se faire désormais par principe de fluorescence in situ et du suivi de la qualité des ressources de l'eau potable qui, aujourd’hui, peut être fait par des principes biologiques, technique en plein développement dans l’analyse environnementale. Notez cependant que l’optique avec la spectroscopie dans l’ultra-violet a globalement gagné du terrain ces dernières années, parfois même de manière un peu excessive en termes d’analyse de certains paramètres réglementaires. Pour autant, le choix du principe de mesure se discute en fonction des applications et de la composition chimique de l’eau. Ainsi, la mesure de la DBO ou de la DCO par spectrométrie ou une autre méthode optique peut s’avérer plus ou moins fiable si la nature de la pollution de l’eau varie avec le temps ».
Force est de constater, en dépit de ces démarches, que les pouvoirs publics tardent à publier des textes réglementaires invitant les collectivités locales à prendre en compte cette certification et ainsi acquérir des équipements fiables. Par ailleurs, soulignons que la tentation est actuellement de réaliser des mesures en particulier sur des principes optiques (absorption dans l'UV et le visible) et de les corréler à des paramètres réglementaires. « La turbidité est parfois corrélée à la concentration de matières en suspension, cela peut être totalement abusif, quand aucune précaution n’est prise », indique Jean-Luc Cécile. « Il semble, là encore, que seule une démarche normative permette de caler l'approche qui est tout fait intéressante comme l'ont montré des travaux réalisés sur la turbidité des eaux résiduaires (SHF). Malgré tout, il est dangereux de vouloir faire dire à une mesure plus que ce qu'elle contient. Personnellement, je crois que la spectroscopie UV est à elle seule une technologie très prometteuse en particulier pour le suivi de substances polluantes à faible concentration, c'est là un vrai sujet de recherche innovante ».
Une chose est sûre : les exigences des exploitants pour mieux surveiller leurs procédés et la qualité des effluents ont fait évoluer progressivement les performances des équipements. Les appareils demandent moins de maintenance et leur besoin en réactifs s'est réduit. Leur mode d’emploi s’est aussi beaucoup simplifié. Ils sont devenus plus fiables, plus communicants, grâce à l’emploi notamment de la technologie numérique et des systèmes embarqués. Ces tendances concernent la plupart des analyseurs commercialisés par des fabricants, tels que ABB, Hach-Lange, Hocer, Seres Environnement, Endress+Hauser, Swan, Secomam, Tethys Instruments, ThermoFisher, Horiba, Mesureo.
Datalink, Neotek-Ponsel ou encore Yokogawa...
Moins de maintenance, moins de réactifs
C'est l'une des évolutions majeures rencontrées ces dernières années. Exemple, chez Hach-Lange, la nouvelle génération d’analyseurs (Amtax sc et Phosphax sc) a permis de déplacer l’analyse de phosphates (PO₄-P) et de l'ammonium (NH₄-N) en bordure de bassin. Avant, lorsque l'exploitant désirait faire un dosage, il lui fallait construire un local hors gel pour les analyseurs puis amener l'effluent dans ce bâtiment pour l’analyser, ce qui était long, contraignant et coûteux. Placé dans un boîtier étanche in situ, le Phosphax sc utilise un photomètre à deux faisceaux de LED pour déterminer la concentration en phosphate tandis que l’Amtax sc mesure l’ammonium avec une électrode sélective au gaz (GSE). Résultat : les volumes d’échantillon sont nettement réduits. Si bien que « l’autonomie en réactif pour le dosage des phosphates est aujourd'hui d’un an pour une mesure en continu effectuée toutes les 15 minutes », indique Jean-Pierre Molinier, spécialiste produits chez Hach-Lange. « La consommation en réactifs est ainsi passée de 10 l/mois avec les anciens analyseurs à 2 l/an. Même chose pour l’ammonium ». D’où une réduction des rejets dans l'environnement et une diminution substantielle des coûts pour l’exploitant. C’est aussi moins de manipulation.
Moins de maintenance aussi chez Swan qui propose un nouveau turbidimètre en ligne répondant à la norme ISO 70-27, avec une chambre de mesure optique hors de l'eau. « Ce qui élimine les problèmes de dérive naturelle de l'instrument. La mise en place d’un système de nettoyage n'est plus nécessaire. La maintenance est simplifiée », souligne Guillaume Schneider, responsable commercial chez Swan.
Une large gamme d’analyseurs pour le suivi du pH, oxygène dissous, ammonium, nitrates, conductivité... La société propose également un photomètre en ligne mesurant automatiquement les orthophosphates présents dans l'eau selon un principe de mesure colorimétrique au bleu de molybdate. Une nouvelle formule chimique élimine les interférences avec la silice et augmente jusqu’à 8 semaines la durée de vie des réactifs. Une solution qui va dans le sens de la directive européenne REACH recommandant un moindre usage de produits chimiques notamment.
Swan propose également le Webserver, une interface de communication qui permet un accès via Internet à un groupe d’instruments (données de mesure en temps réel, historique de calibration, alarme en cours...). Le Webserver donne également accès aux paramétrages à distance des instruments comme la modification des points de consignes, seuils d’alarme, etc.
La télémaintenance progresse également : « Nous pouvons prendre la main sur nos analyseurs pour des opérations de vérification et calibration directement depuis nos bureaux, ce qui permet, grâce à l’association avec notre système d’auto-nettoyage, de limiter le nombre d’interventions sur site et donc les coûts d’exploitation », explique Bertrand Vergne, Manager BU Instrumentation chez Hocer.
De son côté, Tethys Instruments, spécialisée dans la spectroscopie UV, offre un analyseur capable, dans un même boîtier, de mesurer jusqu’à 12 paramètres, certains « classiques » comme l’ammoniaque, les nitrates, les matières organiques et le sulfure d’hydrogène dissous (H₂S), d'autres physico-chimiques (température, pH, conductivité, oxygène dissous) ou encore organoleptiques (couleur et turbidité). Compact, cet analyseur a de nombreuses applications (STEP, stations de potabilisation, stations d’alerte, contrôle de la qualité de l'eau dans l'environnement ou des procédés d’épuration en milieu industriel, etc.). « Pour 90 % des polluants quantifiés par notre appareil, aucun réactif n’est utilisé », souligne Chrystelle Di Vita, chargée d'affaires. Par ailleurs, l'analyse se fait selon un système de mesure ex-situ, totalement autonome grâce à sa pompe de prélèvement automatique. « La mise en place d’un système de nettoyage automatique associé à une cellule de mesure brevetée et à un circuit hydraulique de diamètre large (6,4 mm) prévient les risques d’encrassement, de colmatage et de dérive liée aux dépôts. Notre appareil est donc tout à fait adapté pour les applications avec des eaux très chargées en matières en suspension, tout en conservant une maintenance réduite. » Différents moyens de communication sont aussi proposés (port USB, sortie analogique, Ethernet, internet, WIFI, modem) permettant au client de collecter les données de l’analyseur (doté d’une mémoire de 3000 mesures) sur place ou à distance.
AxFlow, distributeur exclusif en France des produits Bran+Luebbe, commercialise de son côté la nouvelle gamme Powermon qui couvre les habituelles mesures en ionométrie, colorimétrie et titrométrie. Avec le Powermon S, AxFlow propose une version « light » avec des mesures uniquement en UV (nitrates, DCO...) mais aussi une version multiparamétrique dotée d’un spectrophotomètre UV-Visible qui permet de réaliser en un seul analyseur toute mesure directe en UV et jusqu’à 3 paramètres en colorimétrie (NH₄, PO₄, TN, TP...). « Nos clients cherchent à gagner du temps homme sur la maintenance de tels appareils. Ils souhaitent des outils fiables et nécessitant un minimum d’entretien et d’intervention. Le Powermon tient compte de ces contraintes et y répond en offrant une maintenance réduite. »
Analyse en ligne : obtenir des mesures fiables, représentatives de la réalité
Que ce soit pour des raisons économiques en gérant un procédé ou pour satisfaire des normes réglementaires, il est aujourd’hui incontournable d’obtenir des mesures en ligne, non seulement fiables et répétables mais encore véridiques et représentatives de la réalité.
La plupart du temps, pour les mesures en ligne, on rencontre deux types de techniques :
– L’une, très attrayante, basée sur une spectroscopie IR, NIR ou UV consistant à enregistrer les spectres d’absorption d’échantillons qualifiés de représentatifs et dont on déduit des algorithmes de calcul qui permettent ensuite d’estimer le paramètre mesuré sur un nouvel échantillon. L’avantage en est la quasi-absence de réactifs et l’inconvénient, non des moindres, est que l’on peut rendre une valeur erronée sans s’en apercevoir, notamment lorsque la matrice de l’échantillon a varié, par exemple. Cette méthode consistant à « caresser » la molécule avec une onde électromagnétique sans la modifier n’a pas la puissance analytique d’une réaction chimique spécifique.
– L’autre méthode, plus classique, est celle utilisée par tous les laboratoires : il y a la plupart du temps la mise en œuvre d’une réaction chimique, telle que titrage acide-base ou redox, complexation puis colorimétrie, minéralisation puis ionométrie ou polarographie, etc. Dans ce cas, la molécule analysée est modifiée et la quantification devient très exacte. C’est la méthode utilisée par les analyseurs en ligne Applikon du groupe Metrohm.
Metrohm est le spécialiste de l’analyse des ions au laboratoire et sa filiale Applikon est spécialiste de l’analyse en ligne en milieu industriel depuis plus de 33 ans. L’analyseur en ligne Applikon cumule les deux savoir-faire « méthode d’analyse » et « mise en ligne avec traitement de l’échantillon », ce qui implique aussi le savoir-faire indispensable du conditionnement pré-analyse.
Ainsi, les mesures obtenues en ligne sont à la fois véridiques et constantes et, en plus, identiques à celles ponctuelles du laboratoire (car la méthode utilisée est la même). Il n’y a plus d’interrogations quant à savoir qui, du laboratoire ou de l’opérateur procédé, a raison.
Il en est ainsi des mesures de DCO, par exemple (même méthode en ligne que la norme AFNOR), ou de métaux lourds mesurables par colorimétrie mais aussi par polarographie en ligne, mises en œuvre sur l’ADI2045, dernier-né de la gamme Applikon.
Par rapport aux précédentes générations, cet analyseur dispose en outre d’un système de communication complet (USB, Ethernet, Profibus, Modbus, EMC-Bus, communication GSM…). « Nous proposons également des systèmes clé en main avec filtration à nettoyage automatique, souvent source de grande maintenance en dehors des analyseurs », précise Hervé Ozouf, Chef de Produit chez AxFlow.
Seres Environnement, spécialiste de l’analyse automatique en ligne, propose aujourd’hui une nouvelle génération d’instruments Cristal alliant coût d’exploitation limité (consommation de réactifs et maintenance notablement réduites) et performances accrues (interface “Windows CE intelligente”, protocole JBUS, journal événementiel et stockage des données, port USB) pour la mesure de nombreux composés minéraux dans tous types d’eaux.
De plus, la capacité d’adaptation à une application est un atout majeur offert par le concept de l’analyseur Applikon. Par exemple, la mesure d’un élément, l’ammoniaque par exemple, peut se faire suivant plusieurs méthodes : colorimétrie, ionométrie ou titrage. C’est le niveau de concentration à mesurer qui détermine le choix de la méthode la plus adaptée. L’analyseur Applikon peut donc se décliner dans la version la mieux adaptée à l’application, car il est modulaire.
Il est même possible de réunir plusieurs méthodes analytiques sur plusieurs voies de mesure fonctionnant simultanément sur un même analyseur. Exemple : titrage TA/TAC et colorimétries aluminium et manganèse ou fer dans un même système ADI2040 pour suivre la qualité d’une ressource en eau.
Le deuxième aspect incontournable de l’analyse en ligne est le service. Il est vrai que, sous la pression des industriels, les constructeurs ont fait chuter considérablement le temps et le coût de la maintenance, à tel point que même sur certains analyseurs subissant des contraintes d’agressions chimiques et de températures élevées, la maintenance se borne à un simple remplacement de tubes trois fois par an. Mais chez Metrohm France nous voulons mettre à la disposition de nos partenaires à la fois notre conseil commercial et notre savoir-faire technique réunis au sein d’un même intervenant de proximité. Non seulement nous pouvons ainsi proposer nos solutions, mais nous sommes là pour les mettre en œuvre et les maintenir en place pendant de longues années.
Bernard Filion, Metrohm Applikon
Bioritech, société sœur de Fondis Electronic, se veut elle aussi innovante avec le SENSO+. Ce nouvel analyseur portable de métaux lourds avec interface USB ne nécessite ni rayonnement, ni mercure, ni produit toxique, dans le respect absolu de la réglementation REACH. La mesure se fait par voltamétrie avec des sondes spécifiques aux métaux recherchés (plomb, cadmium, cuivre, fer, nickel, etc.). « La méthodologie a été inventée par un jeune ingénieur dans le cadre de sa thèse de doctorat à l’université de Rennes », explique Vincent Magder, directeur commercial. « La réponse est immédiate sur site, ce qui évite tout prélèvement et analyse en laboratoire. » Mais l’offre de Bioritech ne s’arrête pas là. Déjà connue pour son expertise dans l’analyse du carbone organique total (COT) par principe électrochimique, l’entreprise a lancé en février 2010 un tout nouvel analyseur en ligne mesurant le COT par la méthode chimique d’oxydation au persulfate à chaud (100 °C). « Cette méthode donne des résultats très pré-
Elle est toute indiquée pour les eaux à faible teneur en COT, précise Vincent Magder, « eau potable, ou eau ultra-pure utilisée dans l'industrie pharmaceutique par exemple. Pour les eaux plus chargées, nous préconisons en revanche l’analyse par principe électrochimique ».
Des sondes hautement communicantes
Il y a 4-5 ans, l’arrivée du numérique a complètement bouleversé le domaine de la mesure en premier lieu du pH, puis d’autres paramètres, tels que la conductivité, la turbidité, l'oxygène dissous etc. Ont ainsi été développées des sondes « intelligentes », dont la partie active de la méthode analytique, autrement dit le capteur, envoie des signaux analogiques, directement convertis en format numérique. Le transmetteur reçoit des données numériques et non plus analogiques comme auparavant. En pratique, cela signifie plusieurs avantages.
D’abord, une longueur de câble non limitée, un transfert d'information sans déperdition, une mesure plus fiable des paramètres mesurés par principe physico-chimique (notamment le pH). « Avec le numérique, la communication entre la sonde et le transmetteur n’est plus sensible aux paramètres environnementaux. Finis les problèmes d’impédance et d'humidité. Les dérives associées à la corrosion des câbles sont également éliminées », précise Matthieu Bauer, ingénieur commercial chez Endress+Hauser.
Deuxième avantage : une manipulation extrêmement facile des sondes. « Livrées avec un logiciel, il est possible de les connecter sur un ordinateur au niveau d’un port USB. Ce qui permet à l'opérateur d'effectuer l'étalonnage sur son PC dans son bureau et non plus sur le terrain », indique Julien Sau Pueyo, ingé-
avoir accès. « Notre serveur n’a pas vocation à donner des informations en temps réel. C’est un portail collaboratif », précise Clément Schambel, qui dirige Mesureo et vient de lancer son propre serveur pour compléter sa gamme de sondes intelligentes.
À l’inverse, d'autres logiciels proposés par un grand nombre de fabricants pour la gestion centralisée des données sont véritablement interactifs. Par exemple, les sondes intelligentes et les analyseurs d’Hach-Lange, spécialisé dans les eaux potables et usées, sont connectées à une plate-forme de transmetteurs centralisant les informations de mesures avant de les restituer à un PC central. En cas de dérive ou de dysfonctionnement, le technicien est alerté directement et peut intervenir à distance pour mieux cerner le problème et éventuellement re-paramétrer le capteur. Et ce n'est pas tout : « Nous avons développé un module d’exploitation des données, recommandant à l'utilisateur différentes stratégies d’intervention en cas de variation de la composition des eaux usées ». Ce système WTOS « water treatment optimisation solutions » permet ainsi une régulation en temps réel, 24 h/24, 7 j/7. WTOS est un ensemble de solutions complètes destinées à optimiser les processus des installations, afin de réduire leurs coûts de fonctionnement et d’assurer la conformité aux exigences réglementaires en matière de valeurs autorisées. WTOS combine trois composants : les instruments Hach-Lange, l’outil de diagnostic exclusif Prognosys monitor pour la validation des signaux et des modules de régulation en temps réel pour l’élimination des phosphates et de l’azote ainsi que la gestion des boues. Plus que jamais, la tendance est donc à la sophistication des moyens de communication des analyseurs avec pour objectif final, un moindre coût d'exploitation.
