La chimiométrie, une nouvelle venue dans l'environnement

Le contrôle des risques d’atteintes à l’environnement par effluents liquides nécessite de plus en plus l’introduction de capteurs en ligne capables de détecter et de mesurer les quantités de polluants émis en temps réel.

L’introduction de ce type de capteur sur les process a pour objectif de répondre non seulement aux critères d’autocontrôle et de prévention des risques, mais aussi à l’optimisation de l’outil de traitement et une diminution des taux de gâche en réactifs et consommation d’énergie.

Depuis plusieurs années, nous maîtrisons totalement les technologies par voie humide

1. 1. Colorimétrie en ligne
2. 2. Titrimétrie en ligne
3. 3. Ionométrie en ligne

sur les effluents liquides.

Aujourd’hui, une nouvelle technologie voit le jour dans l’environnement : la chimiométrie. Cette technique répond à la totalité des critères d’utilisation de capteurs à des fins d’autocontrôle.

• - Multiparamètre
• - Investissement faible
• - Coût d’exploitation faible
• - Flexibilité des capteurs
• - Fiabilité des mesures pour l’exploitation des données en temps réel

Le spectromètre en ligne a été mis au point pour répondre à tous ces critères. Il analyse, entre autres, les nitrates, nitrites, orthophosphates, ammoniaque, matière organique et demande chimique en oxygène par corrélation simultanément. Sa large gamme spectrale (UV, VIS, NIR) lui permet d’obtenir

Les informations spectrales pertinentes et discriminantes nécessaires à l’analyse multicomposant.

Ce système est constitué d’une source lumineuse xénon à décharge segmentée (fig. 1). Le faisceau de lumière émis traverse une cellule de mesure à circulation. Les éléments constituant l’échantillon vont absorber le flux lumineux indépendamment les uns des autres. L'énergie transmise est ensuite analysée, longueur d’onde par longueur d’onde, par une barrette de diodes.

L’énergie absorbée, à chaque longueur d’onde, est visualisée sur écran au moyen d’un spectre continu (absorbance/longueur d’onde).

Les spectres (fig. 2) ainsi enregistrés sont ensuite mis en relation avec les valeurs trouvées par une méthode de référence. Cette opération est réalisée par l’intermédiaire d’un puissant logiciel chimiométrique sous Windows. Ce logiciel donne à l’opérateur plusieurs choix d’algorithmes mathématiques nécessaires à la détermination des meilleurs coefficients de corrélation (fig. 3 et 4).

• - MLR (régression linéaire multiple) (fig. 5)
• - PLS (régression par moindres carrés partiels) (fig. 6)

Une fois les meilleurs coefficients de corrélation déterminés, des constantes en sont déduites et entrées dans l’analyseur. Ensuite, le système analysera en continu les différents paramètres souhaités sans aucune intervention humaine.

L’originalité de l’analyseur est qu’il est livré et étalonné « prêt à l'emploi » pour les paramètres suivants :

• - nitrates
• - nitrites
• - orthophosphates
• - ammoniaque
• - DCO (par corrélation)
• - coefficient d’absorption standard à 254 nm
• - matière organique

Il offre aussi la possibilité d’adapter une calibration standard à un process particulier par ajout de spectres venant des échantillons du process à contrôler. Ces spectres, additionnés à ceux de la calibration standard, permettront une totale adaptation du système au process concerné. Cette opération est aisée à réaliser et ne nécessite qu’une dizaine d’acquisitions spectrales. Mais cet analyseur peut aussi être utilisé au développement particulier d’une application. Dans ce cas précis, il sera nécessaire de créer une « librairie » contenant environ 30 à 50 spectres ainsi que les valeurs de laboratoire de l’élément ou des éléments à mesurer. Puis, le logiciel déterminera les meilleurs coefficients de corrélation.

Quatre modèles de traitement statistique des spectres sont disponibles pour la construction d’un modèle de calibration robuste et fiable. Pour simplifier la description de ces modèles statistiques, nous les divisons en deux grandes familles :

1. 1. L’utilisation d’une combinaison de plusieurs longueurs d’onde (MLR)

2. L'analyse en composantes principales (PLS, PCR, PCA)

Dans le premier cas, l'objectif est de déterminer les meilleures combinaisons de longueurs d'ondes pour en établir un plan lequel servira à projeter un plan de calibration.

En routine, les longueurs d'ondes sélectionnées seront utilisées pour la mesure des absorbances.

Ces valeurs seront positionnées dans le plan de longueur d'onde et projetées dans le plan de calibration. Ensuite le système déterminera la concentration du produit à mesurer (fig. 7).

Dans le deuxième cas, le traitement des données est beaucoup plus complexe et fait appel au traitement sophistiqué de l'analyse en composantes principales. Dans ce cas précis, toutes les longueurs d'ondes des différents spectres de la librairie créée seront utilisées. Après différentes itérations mathématiques, les données seront condensées sous forme de vecteurs orthogonaux qui serviront à la détermination des meilleures composantes. L'espace ainsi créé, composé de N dimensions, permettra de déterminer la concentration du paramètre recherché d'après sa signature spectrale (fig. 8).

Le système offre toutes les possibilités de communication et de stockage des données (disque dur, lecteur de disquette, connexion réseau, modem ou satellite). On peut aussi bien consulter les données sur le lieu d'analyse que les consulter à distance sur PC. On peut également stocker les données, sous forme graphique ou numérique, au travers d'un tableur (Excel, Lotus, ou autre).

Cet analyseur en ligne est équipé d'un système d'auto-surveillance puissant qui diagnostique le moindre dysfonctionnement du système. Ces alarmes sont aussi consultables sur site via réseau, via modem, ou même par satellite.

La diffusion de ce système de contrôle ne doit pas être seulement perçue comme un moyen de surveillance mais surtout comme un moyen de mieux traiter l'eau et d'en accroître sa qualité tout en diminuant les coûts pour l'exploitant :

- Moins d'énergie consommée  
- Moins de réactifs gaspillés  
- Procédé de traitement optimisé