Capteurs d’analyse GPA-668 Automne 2010

1. Capteurs d’analyseGPA-668Automne 2010

2. Turbidité

3. Mesure de la turbidité • Définition: • Expression de la propriété optique des solutions à diffuser ou à absorber la lumière au lieu de la laisser passer. • Diffusion de la lumière: • Effet Tyndall. • Indicateur universel de la qualité de l ’eau: • Présence de particules en suspension. Source photo: http://ga2.er.usgs.gov/bacteria/helpturbidity.cfm

4. Effet Tyndall • Diffusion de la lumière par un milieu trouble (un milieu transparent contenant des particules) • Intensité de la lumièrediffuséevslongueurd’onde de la lumièreincidente. • I = k/l4 • Loi applicable si la dimension des particulesestinférieure à la longueurd’onde. Sinon, la loi de réflexionnormales’applique. NTU :

5. Principe de mesure de la turbidité.

6. Principe de mesure de la turbidité. • Norme DIN 38404 • Norme ISO 7027 • Lumière: • 860 nm +/- 30 nm • Cônes de réception de 30°. • En laboratoire: L2 • En usine: G/G1

7. Principe de mesure de la turbidité. • Deux façons de mesurer, via capteur à 12° ou à 90°.

8. Source: http://www.instrumexpert.com Mesure à 12° • Dans ce cas, une petite particule fournit un faible signal de lumière dispersée et une grosse particule donne un important signal de lumière dispersée. • Le résultat de la mesure est pratiquement indépendant de la taille des particules. • La présence de beaucoup de petites particules produit le même résultat qu’une seule grosse particule, ce qui permet au système d’être calibré en mg/l.

9. Source: http://www.instrumexpert.com Mesure à 90° • Avec cette mesure, les petites particules (<0,3 μm) produisent un signal aussi important (ou même plus important) que des particules d’un diamètre plus gros. • Cette méthode de mesure est utilisée, quand les petites particules doivent être mesurées. • Pour avoir une idée de la taille des particules, un second détecteur de lumière dispersée est nécessaire (mesure à 12°).

10. Source: http://www.instrumexpert.com Bilan selon les tailles de particules en suspension • À environ 0.3 μm, les mesures de lumière dispersée sous les angles de 12° et 90° donnent le même résultat. • Si plus de 0.3 μm, le signal de lumière dispersée à 90° est faible, alors qu’il est plus fort à 12°. • À moins de 0.3 μm, c’est l’inverse.

11. Unités de mesure • JTU: Jackson Turbidity Unit • 1 JTU = 1 ppm de terre à foulon dans de l’eau pure • FNU: Formazine Nephelometric Unit • TE/F: Trübungseinheiten Formazin • NTU: Nephelometric Turbidity Unit • 1 NTU = 0.02 % de réflexion de la lumière • FTU: Formazine Turbidity Unit 50 NTU 500 NTU 5 NTU NTU :

12. Produit de référence • Formazine (C2H4N2) • Toxique - couleur du lait • Standard ISO 7027 contient la recette de la Formazine. NTU/FTU: http://www.optek.com/

13. Plages de valeurs typiques • Pour l’eau propre: • 0 à 10 000 FNU • Pour l’épuration des eaux: • de 0 à 300 gr/l

14. Quelques valeurs typiques de turbidité Boue primaire Boue active Boue recirculée Boue digérée

15. Le turbidimètre • Appareil mesurant le « trouble » d ’une solution contenant des particules non dissoutes. • Basé sur la réflexion de la lumière. http://www.optek.com/

16. Exemple d’un turbidimètre(Endress + Hausser) • Un des principes utilisés consiste à utiliser un émetteur (1) et deux photodiodes (2) et (3). • Essuie-glace (4)

17. Exemple d’un turbidimètre(Endress + Hausser) • Le récepteur le plus éloigné est le récepteur de mesure. La courbe du signal lumineux reçu croit de 0 à 4000 NTU, puis décroît. • Pour un même niveau lumineux, deux turbidités possibles...

18. Exemple d’un turbidimètre(Endress + Hausser) • Le récepteur le plus près permet de distinguer quelle turbidité s’applique.

19. Effet de la couleur des parois sur la mesure • Erreur de mesure inférieure si parois noires et loin. • Enfoncer le capteur d ’au moins 4 cm dans le milieu à mesurer.

20. Montage en conduite • Face inclinée en direction de la direction d’arrivée du liquide. • Face orientée pour éviter les dépôts.

21. Montage en conduite • Sonde rétractable pour faciliter la maintenance.

22. Calibration d’un turbidimètre • Calibrer avec votre boue ou avec la formazine. • 1) préparer trois échantillons • Échantillon original 100 % • Échantillon à 33% • 1 volume original + 2 volumes d ’eau • Échantillon à 10% • 1 Volume original + 9 volumes d ’eau

23. Calibration d’un turbidimètre • 2) Calibrer l’appareil à 10%, 33% et 100%. • 3) Faire analyser votre échantillon original en laboratoire pour en connaître la turbidité. • Contrôle de plausibilité de l’échantillonnage • Ajustement de l’appareil

24. Applications • Traitement de l’eau potable • Réglage de la dose d’agent floculent ou de la vitesse de filtration. • Traitement des eaux d’égout • Réglage du taux de boues à enlever. • Industrie alimentaire • Production de vin, spiritueux et jus.

25. Potentiel Hydrogène

26. Mesure du pH • Définition du pH: • Unité de mesure logarithmique décrivant le degré d’acidité ou d’alcalinité d’une solution. • « p » est le symbole mathématique d’un logarithme négatif • « H » est le symbole chimique de l’hydrogène. • En version française, pH = potentiel Hydrogène

27. Mesure du pH • Équation du pH: • C’est le ratio des ions H3O+ et OH-.

28. Mesure du pH • Valeurs de pH • Si pH<7, il y a + d’ions H3O+ que OH-. • Si pH>7, il y a + d’ions OH- que H3O+. • Si pH=7, il y a équilibre entre les ions H3O+ et OH-.

29. Mesure du pH • Équations chimiques : • 1) Augmentation du nombre d’ions H3O+ • 2) Augmentation du nombre d’ions OH-, ce qui implique une diminution du nombre d’ions H3O+

30. Mesure du pH • Acide acétique (moins que 1% des molécules se décomposent) :

31. Wikipedia Mesure du pH

32. Définitions: • Nombre d ’Avogadro • Nombre de molécules contenues dans la molécule-gramme d’une substance. • NA=6.022169x1023 mol-1

34. Définitions: • Concentration: • unité de concentration en mols / Litre. • Exemple: • NaCl à 0.5 mol/Litre Ajouter de l’eau pour obtenir un volume total de 1 Litre 29,25 grammes de NaCl 23+35.5=58.5

35. Définitions: • Molarité: • unité de concentration en mols / kg. • Exemple: • NaCl à 0.5 mol/kg Ajouter 1000 grammes d’eau 29,25 grammes de NaCl

36. Définitions: • % masse: • unité de concentration en % de la masse totale. • Exemple: • NaCl à 10 % Ajouter 900 grammes d’eau 100 grammes de NaCl

37. Exemple #1: • Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une concentration de 1 mol/L ? • Masse molaire du Na : M1 = 0.023 kg/mol • Masse molaire du Cl : M2 = 0.035 kg/mol • M = M1 + M2 = 0.058 kg/mol

38. Exemple #1: • Il faut utiliser 0.058 kg de sel pour en avoir 1 mol. • On ajoute ensuite de l’eau, jusqu’à ce que le volume total soit de 1 litre.

39. Exemple #2: • Calculer la quantité de sel (NaCl) requis pour obtenir une molarité de 0.75 mol/kg? • On sait (de l’exemple #1) que M = M1 + M2 = 0.058 kg/mol • 0.75 mol correspond à 0.0435 kg .

40. Exemple #2: • Il faut utiliser 0.0435 kg de sel pour en avoir 0.75 mol. • On ajoute ensuite de 1 kilogramme d’eau.

41. Principes de mesure • Indicateurs colorés • Erreur de précision de ±0.2 à ±2 (pH) • Le plus courant: • Teinture de tournesol • Rougit si acide / Bleuit si base • Gamme de pH = 6 à 8

42. Principes de mesure • Électrodes de verre • Deux électrodes  pile • 1 - a sensing part of electrode, a bulb made from specific glass2 - sometimes electrode contain small amount of AgCl precipitate inside the glass electrode3 - internal solution, usually 0.1M HCl for pH electrodes or 0.1M MeCl for pMe electrodes4 - internal electrode, usually silver chloride electrode or calomel electrode5 - body of electrode, made from non-conductive glass or plastics.6 - reference electrode, usually the same type as 47 - junction with studied solution, usually made from ceramics or capillary with asbestos or quartz fiber.

43. Principe de mesure • Électrode de verre hydratée: • Échange d’ions H30+ provoque l’apparition d’un potentiel électrique.

44. Principe de mesure • Électrode de verre hydratée: • Échange d’ions H30+ provoque l’apparition d’un potentiel électrique.

45. Détail de ce qui se passe au niveau de l’électrode de verre

46. Électrodes

47. E1: • potentiel entre le couple AgCl et l’électrolyte (KCl). • E2: • potentiel entre l’électrolyte et l’intérieur de la membrane de verre. • E3: • potentiel d’asymétrie • E4: • potentiel à l’extérieur de la membrane de verre / solution à mesurer

48. E6: • potentiel de diffusion • E7: • Potentiel entre l ’électrolyte et le couple Ag/AgCl. • E1, E2, E3, E6 et E7 doivent rester constants.

49. Principe de mesure: • Équation de Nernst:

50. Principe de mesure: • Équation de Nernst: • R = constante molaire des gaz = 8.31441 J/mol/°K • T = Température en °K • n = nombre de charges gagnées ou perdues • F = constante de Faraday = 9.648456 X 104 C/mol