Au sein de la chambre de réaction, une partie de l’ozone (sous forme de gaz) est dissoute dans l’eau. Ceci engendre une réaction avec les diverses substances contenues dans l’eau. Les besoins en ozone dépendent de la quantité et du genre des composants réagissant sous l’action de l’ozone, la quantité d’ozone fournie est toujours calculée de façon à ce qu'une certaine quantité reste dans l'eau après la réaction. La quantité consommée pendant la réaction est appelée « consommation de l'eau en ozone ». Le surplus est généralement limité à env. 0,05–0,5 mg/l. Un surplus supérieur signifie une perte d’énergie et des dépenses inutiles.
Les besoins en ozone étant variables dans le temps, il est nécessaire d'adapter automatiquement l’apport en ozone aux besoins ; le critère de régulation est donc dans ce cas la teneur en ozone de l'eau après le traitement. Pour effectuer cette régulation, il est nécessaire de pouvoir disposer d’appareils de mesure capables de mesurer une teneur de 0–0,5 mg ou 0–1 mg d’ozone par litre d'eau. Il est normal que, pour de telles mesures qui servent de base à la régulation du processus, la plus haute fiabilité soit exigée ; tel est le cas du photomètre que nous présentons ci-après.
LE PHOTOMÈTRE A 254
C’est un appareil de mesure par absorption des UV utilisé en relation avec un récipient de désozonation et éventuellement un filtre permettant de retenir les corps solides contenus dans l’eau et qui présente les caractéristiques suivantes :
- — le principe de mesure et la qualité de sa réalisation rendent tout réétalonnage superflu,
- — le procédé de mesure permet de garantir une stabilité de la mesure s’étendant sur une longue période ; la fiabilité ainsi obtenue est donc excellente,
- — les besoins de la pratique ont été pris en considération grâce à une conception n’exigeant que peu d’entretien et à une construction très robuste.
Principe de mesure
L'ozone absorbant très fortement la lumière dont la longueur d’onde est de 254 nm, il est donc possible de déterminer la concentration désirée (0–0,5 mg/l) par une mesure directe de l'absorption.
[Photo : Un Photomètre de régulation de production d'ozone.]
Il existe une relation quantitative entre la concentration et l’affaiblissement de la lumière. L'expérience a démontré que l'affaiblissement de la lumière est d’autant plus important que la quantité de substance absorbante entre la source lumineuse et la cellule photoélectrique est grande. La relation exacte entre la quantité de substance absorbante et l'affaiblissement de la lumière est donnée par la loi de Lambert-Beer :
\[ C \cdot d = \log \frac{J_0}{J_1} = E \]
[Photo : Figure 1 – Principe de mesure. Disposition des éléments. \( J_0 \) Quantité de lumière pénétrant dans l’échantillon. \( J_s \) Source lumineuse. \( J_1 \) Quantité de lumière sortant de l’échantillon. \( Ph \) Cellule photoélectrique.]
Pour les gaz, le coefficient d’extinction molaire est connu, il est fixé notamment dans les « Procédés standard allemands ». Il semble qu’il soit également, dans l’eau, très indépendant des substances courantes qu’elle contient. Dans les cercles spécialisés, les valeurs se situent entre 2 500 et 3 000. Au sein des procédés standard, aucun coefficient d’extinction molaire n’a encore été fixé à ce jour.
L’indication fournie par l’appareil de mesure par absorption du type A254 correspond directement à l’extinction (E) de l’échantillon pour une longueur d’onde de 254,7 nm. En tenant compte d’une valeur moyenne de \( \epsilon = 2\,700 \), la concentration en ozone est :
\[ C = \frac{E}{d \cdot 2\,700} \]
Pour la plage de mesure située entre 0 et 0,5 mg/l, il sera recommandé de choisir une épaisseur égale à 500 mm. Par contre, pour une plage située entre 0 et 1 mg/l, l’épaisseur sera de 200 mm.
\[ C \times X \]
\[ \text{mol/l ou } 17,8 = \text{mg/l} \]
Mesure absolue
En supposant que le coefficient d’extinction molaire soit invariable, cette mesure peut être considérée comme étant une mesure absolue, pour autant que l’indication de l’appareil corresponde à une indication évidente de l’extinction et que la valeur de l’extinction ait été déterminée à l’aide d’une lumière monochromatique de 254,7 nm de longueur d’onde. Ces deux conditions sont ici parfaitement remplies. Le procédé de mesure (mesure optique comparative) garantit une corrélation évidente entre l’extinction et l’indication fournie par l’appareil. En outre, la source lumineuse formée de la lampe luminescente à gaz basse pression Hg et du filtre d’interférence UV garantit la monochromie.
Dans ces conditions, tout étalonnage de l’appareil avec de l’ozone est superflu.
Substances étrangères
Normalement d'autres substances absorbant également de façon sensible la lumière et dont la longueur d’onde est 254 nm sont contenues dans l’eau. La concentration de ces substances étant le plus souvent variable dans le temps, il n’est donc pas possible de procéder une fois pour toutes à la soustraction de leur participation à l’extinction.
Toutefois, grâce au procédé représenté sur la figure 2, il est possible d’éliminer cette source d’erreur.
[Photo : Figure 2 – 1 Source lumineuse. 2 Miroir oscillant. 3 Faisceau de mesure. 4 Faisceau de comparaison. 5 Cellule de mesure. 6 Cellule de comparaison. 7 Filtre. 8 Amplificateur. 9 Commande de l’obturateur. 10 Obturateur. 11 Tambour gradué. 12 Lieu de prélèvement de l’échantillon. 14 Récipient de désozonisation.]
La méthode de compensation des composantes parasites utilisée ici est basée sur le fait qu’une cellule de mesure se trouve dans chaque faisceau du photomètre à deux faisceaux avec compensation optique. La cellule de mesure (5) contient l’eau à mesurer, la cellule de comparaison contient fondamentalement la même eau mais sans ozone. Cette eau destinée à la comparaison est obtenue à partir de l’eau normale à mesurer dans laquelle l’ozone a été détruit à l’aide de \( \text{CaSO}_4 \). Compte tenu de ces circonstances, on obtient le bilan suivant :
- — lorsque le photomètre est équilibré, la somme de toutes les extinctions partielles dans chaque branche présente la même valeur,
- — l'extinction totale au sein de la branche de mesure (Em) se compose des extinctions partielles suivantes :
- 1. Extinction due aux fenêtres de la cellule de mesure et aux autres éléments optiques : EmF.
- 2. Extinction due à l'encrassement des fenêtres : EmD.
- 3. Extinction due aux substances parasites contenues dans l'eau : EmS.
- 4. Extinction dans l'eau : EmW.
- 5. Extinction de l’ozone : EmO.
Em = EmF + EmD + EmS + EmW + EmO
- — l'extinction totale au sein du faisceau de comparaison (Ec) se compose des extinctions partielles suivantes :
- 1. Extinction due aux fenêtres de la cellule de mesure et aux autres éléments optiques : EcF.
- 2. Extinction due à l'encrassement des fenêtres : EcD.
- 3. Extinction due aux substances parasites contenues dans l'eau : EcS.
- 4. Extinction dans l'eau : EcW.
- 5. Extinction de l’obturateur : EcB.
Ec = EcF + EcD + EcS + EcW + EcB
Comme Em = Ec, nous obtenons :
EmF + EmD + EmS + EmW + EmO = EcF + EcD + EcS + EcW + EcB
- — les extinctions dues à la réflexion, à l'encrassement, aux substances parasites et à l’extinction de l'eau sont généralement de même valeur dans les deux branches. Elles s'annulent donc réciproquement dans l'équation ci-dessus, ce qui donne :
EO = EB
c'est-à-dire que l'extinction provoquée par le diaphragme correspond bien à l'extinction de la quantité d’ozone à mesurer.
Il a été remarqué qu’avec certaines qualités d’eau, les fenêtres de la cellule placée dans le faisceau de mesure s'encrassaient plus rapidement sous l'effet de l'ozone. Cette source d’erreur peut également être largement éliminée grâce à un procédé de compensation un peu plus étendu.
Procédé de mesure
Le procédé de mesure que nous expliquons plus loin est particulièrement indiqué pour les appareils de mesure utilisant des lampes luminescentes à gaz comme source de lumière car, avec ce procédé, les modifications inévitables de la source lumineuse n’influencent pratiquement pas la mesure.
Ce procédé de mesure de l'appareil de mesure de l’absorption représenté sur la figure 3 comporte : une source lumineuse, alimentée par le secteur (1) envoie un faisceau sur le miroir oscillant (2) qui renvoie alternativement, à une fréquence d’environ 600/s, un faisceau de mesure (3) et un faisceau de comparaison (4). Le faisceau de mesure (3) traverse la cellule de mesure (5), où il est affaibli par l’échantillon à concentration inconnue, et parvient alors à la cellule photoélectrique (7). Le faisceau de comparaison (4) tombe également sur la cellule photoélectrique (7), soit dans sa luminosité originale ou affaibli par une solution de comparaison (6). La cellule photoélectrique reçoit donc, alternativement, un faisceau de mesure (3) et un faisceau de comparaison (4) de luminosité différente. Elle transforme les intensités lumineuses différentes en courant photoélectrique qui est amplifié en (8) et commande un moteur synchrone comme servomoteur (9). Celui-ci actionne un obturateur optique (10) afin que l'intensité lumineuse du faisceau de comparaison devienne identique à l'intensité du faisceau de mesure. L’obturateur (10) est relié mécaniquement au tambour gradué (11). La position de l’obturateur (10) n’est à nouveau modifiée que si des variations de la concentration du produit mesuré influencent la luminosité du faisceau de mesure.
[Photo : figure 3]
C'est à cette conception que le photomètre doit sa stabilité extraordinaire (pas de dérive) ; remarquer également que l'appareil est insensible aux variations de la tension du réseau, au vieillissement des éléments constituants ainsi qu’à la lumière parasite.
REMARQUES
Grâce au procédé de compensation indiqué ci-dessus, les sources d’erreur inévitables apparaissant lors de cette application sont neutralisées jusqu’à un certain degré. Toutefois, lorsque l'eau est plus ou moins sale, il faut déterminer l'utilité éventuelle d'une certaine préfiltration.
Cet appareil, de construction originale, doit pouvoir rendre de grands services aux utilisateurs de l’ozone dans le traitement des eaux.
