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Analyseurs d'hydrocarbures dans l'eau et COV pour la protection de l'environnement

Résumé

Aujourd'hui plus que jamais, l'environnement est l'une des préoccupations majeures de tous, des politiciens et scientifiques au grand public. Les entreprises responsables doivent reconnaître l'importance de protéger nos écosystèmes, et les poursuites pour pollution de l'environnement peuvent non seulement entraîner des amendes coûteuses, mais aussi causer des dommages irréparables à l'image publique d'une organisation.

Parallèlement, les poursuites engagées par les agences environnementales et l'intérêt médiatique pour ces affaires sont en augmentation. Les compagnies des eaux reconnaissent également l'importance du problème et investissent dans des équipements de détection et de surveillance, non seulement pour les prises d'eau potable mais aussi pour les rejets d'eaux usées des égouts pluviaux. Cela a conduit certaines entreprises de premier plan à être traduites en justice, à recevoir de lourdes amendes et à entreprendre des opérations de nettoyage coûteuses.

Dans certains de ces cas impliquant des polluants hydrocarbonés, la technologie de détection précoce des COV aurait pu prévenir ou réduire considérablement à la fois l'impact sur l'environnement et les coûts de nettoyage. Les méthodes de détection des COV disponibles peuvent être simplement installées, très facilement entretenues et étalonnées, et ont un coût de possession très faible.

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Les COV

Les Composés Organiques Volatils (COV) sont naturellement présents dans l'atmosphère. Les humains, les plantes et les animaux en expirent naturellement, mais ils peuvent être nocifs à respirer au-delà de certains niveaux.

Quelques-uns des COV les plus courants et leurs sources industrielles sont présentés ci-dessous. Le terme « COV » couvre en réalité une très large gamme de composés organiques. Dans le tableau en annexe, vous trouverez une liste de COV et leurs valeurs seuils.

COV les plus courants et sources industrielles

COV Source industrielle
BTEX (Benzène, Toluène, Éthylbenzène, Xylène), Hexane, Cyclohexane et Triméthylbenzène. Essence, diesel, fioul, diluants pour peinture, teintures et peintures à base d'huile, insecticides, white-spirit et cirages pour meubles
Acétone, Alcool éthylique, Alcool isopropylique, Méthacrylates, Acétate d'éthyle Vernis à ongles et dissolvant, eaux de Cologne, parfums, alcool à friction, laque pour cheveux
Tétrachloréthylène (PERC) et Trichloroéthylène (TCE) Liquide de nettoyage à sec, détachants, nettoyants pour tissus/cuir
d-limonène (odeur d'agrumes), a-pinène (odeur de pin), isoprène Nettoyants à base d'huile d'agrumes (orange) ou de pin, solvants et certains produits masquant les odeurs
Tétrahydrofurane, Cyclohexane, Méthyl éthyl cétone (MEC), Toluène, Acétone, Hexane, 1,1,1-Trichloroéthane, Méthyl-iso-butyl cétone (MIBK) Ciment et apprêt PVC, adhésifs divers, colle contact, colle pour maquettes
Chlorure de méthylène, Toluène, les produits plus anciens peuvent contenir du tétrachlorure de carbone Décapant pour peinture, dissolvants pour adhésifs (colles)
Chlorure de méthylène, PERC, TCE, Toluène, Xylènes, Méthyl éthyl cétone, 1,1,1-Trichloroéthane Dégraissants, huiles pénétrantes en aérosol, nettoyant pour freins, nettoyant pour carburateurs, solvants commerciaux, nettoyants électroniques, lubrifiants en spray
1,4-Dichlorobenzène, Naphtalène Boules antimites, flocons antimites, désodorisants, assainisseurs d'air
Fréon (Trichlorofluorométhane, Dichlorodifluorométhane) Réfrigérant des climatiseurs, congélateurs, réfrigérateurs, déshumidificateurs
Heptane, Butane, Pentane Produits en spray aérosol pour certaines peintures, cosmétiques, produits automobiles, traitements du cuir, pesticides
Formaldéhyde Meubles rembourrés, tapis, contreplaqué, produits en bois pressé

Coût du nettoyage

Les pannes d'équipement, les fuites de réservoir, le vandalisme, les déversements accidentels ou les dépôts illégaux ne sont que quelques-unes des façons dont les COV peuvent contaminer l'environnement.

Alors que les agences environnementales deviennent plus efficaces pour porter les affaires devant les tribunaux, les questions environnementales font également l'objet d'une surveillance publique et politique croissante, entraînant des sanctions plus sévères, des amendes et une publicité négative pour ceux qui causent des dommages à l'environnement.

Voici quelques exemples où des déversements et des fuites se sont produits, et où des procédures adéquates n'étaient pas en place pour contenir ou détecter ces déversements. Cela a conduit les agences environnementales à engager des actions en justice contre les entreprises impliquées, et à émettre des amendes et des ordres de nettoyage de la contamination.

Le coût d'une fuite

Sur une période d'environ 4 semaines en juillet 2005, quelque 653 tonnes de kérosène ont fui d'un petit trou dans la base d'un réservoir d'une installation de stockage à Waterston, Milford Haven.

La pollution résultante a entraîné la destruction de l'habitat du ruisseau voisin de Hazelbeach et la fermeture de la plage pendant le mois d'août 2005.

L'entreprise a ensuite été poursuivie par l'Agence de l'environnement du Pays de Galles et a plaidé coupable, a été condamnée à une amende de 29 900 £ et à payer des frais de 39 801 £. De plus, l'entreprise a estimé que l'opération de nettoyage lui avait coûté environ 3 millions de livres sterling.

Le coût d'une panne d'équipement

Une entreprise de distribution de carburant a admis avoir pollué un affluent de la rivière Clyst avec 22 000 litres de diesel rouge.

La fuite a été retracée jusqu'à l'entreprise après que des quantités importantes d'hydrocarbures aient été repérées dans le cours d'eau, mais les vérifications initiales n'ont montré aucune perte de stock sur leur système informatique. Des tests de pression et des excavations ont révélé un trou dans un tuyau d'alimentation menant à un îlot de distribution de carburant.

Les magistrats ont reconnu le travail entrepris par l'entreprise pour remédier à l'environnement et l'ont condamnée à une amende de 5 000 £ avec des frais de 3 700 £.

Plus récemment (2019), l'Agence de l'environnement d'Irlande du Nord a constaté du diesel rouge se déversant dans la rivière Ballyclare depuis un ponceau, ce qui a conduit à des mesures, notamment le nettoyage du site et la recherche de la source.

Le coût de l'erreur humaine

Une entreprise de transport a été condamnée à payer 6 867 £ d'amendes et de frais après le débordement d'un séparateur d'hydrocarbures, polluant la Tamise avec de l'huile moteur usagée noire et épaisse et causant des dommages importants à la faune locale.

L'entreprise a admis devant le tribunal qu'elle n'avait pas vidé le séparateur, l'empêchant de fonctionner correctement. Environ 40 cygnes ont été affectés et certains ont dû être secourus par le Swan Sanctuary de Shepperton.

Le coût du vandalisme

De l'huile provenant d'un site de réparation de chariots élévateurs s'est retrouvée dans un égout près de Spalding, entraînant le nettoyage d'un cygne et la mort d'invertébrés.

L'entreprise a été condamnée à une amende de 8 000 £ et à payer l'intégralité des frais de l'Agence de l'environnement, soit 4 000 £, par le tribunal d'instance de Spalding après avoir plaidé coupable de pollution d'un affluent du Hammond Beck.

Les agents de l'Agence de l'environnement ont été informés qu'un réservoir d'huile avait été vandalisé sur le site et qu'un tuyau avait été arraché.

L'entreprise n'avait pas réalisé qu'il y avait un drain d'eaux pluviales sous la zone où se trouvait le réservoir et n'avait donc pas notifié le déversement à l'Agence. Par conséquent, l'impact environnemental aurait pu être réduit si l'on avait réalisé plus tôt que l'huile s'était infiltrée dans le système de drainage des eaux pluviales du site.

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Approches de détection et problématiques

Il existe différentes méthodes de mesure et de détection des COV ; les plus précises, mais les plus lentes et les plus coûteuses, sont les méthodes de laboratoire telles que la chromatographie en phase gazeuse, la spectrométrie de masse et les analyseurs à détecteur à ionisation de flamme (FID), dont les coûts peuvent atteindre 100 000 $ et plus.

Des méthodes laser de détection des hydrocarbures dans l'eau sont disponibles, mais elles nécessitent que l'huile soit sous forme d'émulsion ou qu'elle ait formé une nappe à la surface (huile sur l'eau). Ces méthodes ne peuvent détecter que des concentrations relativement élevées d'hydrocarbures - généralement 1 ppm pour l'huile dans l'eau et beaucoup plus pour l'huile sur l'eau.

Le détecteur d'huile sur l'eau mesure le changement de réflectance de la surface - l'huile peut mieux réfléchir la lumière que l'eau. Le système nécessite une surface immobile, exempte de poussière ou de feuilles mortes et à l'abri de la lumière directe du soleil.
Les détecteurs d'huile dans l'eau utilisent soit des techniques de diffusion de la lumière, soit la fluorescence et peuvent mesurer des concentrations jusqu'à 1 ppm. Cette technique offre une surveillance en ligne 24h/24 et 7j/7, mais est susceptible de produire de faux résultats si l'eau a un niveau de turbidité élevé. Les détecteurs nécessitent un entretien régulier et un nettoyage de la chambre d'échantillonnage, car les particules peuvent obstruer le système.

Heureusement, il existe des méthodes de détection des COV plus rentables, plus rapides et plus portables, par exemple les détecteurs à photoionisation (PID) et la technologie de nez électronique (E-NOSE).

Un détecteur à photoionisation (PID) utilise une lampe ultraviolette (UV) pour irradier le gaz entrant. L'énergie UV ionise les molécules, produisant un courant ionique qui est ensuite mesuré. Les PID sont des détecteurs à large bande et ne sont pas sélectifs, car ils ionisent toutes les molécules traversant le détecteur qui ont une énergie d'ionisation similaire à celle de la lampe UV utilisée. L'avantage des PID est qu'ils peuvent fournir une mesure rapide sur place des concentrations de COV.

Certains inconvénients des PID sont :

  • la vapeur d'eau, la condensation, la température et l'extinction peuvent limiter leurs performances à au mieux 0,1 ppm (en conditions contrôlées) mais généralement 1 ppm.
  • les PID nécessitent un entretien régulier et un étalonnage de la lampe UV, du circuit de commande et de détection.
  • la cellule nécessite également un nettoyage régulier car la poussière et les microfibres peuvent augmenter la condensation.
  • la procédure d'étalonnage est coûteuse et compliquée et utilise du gaz isobutylène comprimé à 10 ppm. (Voir Annexe IV)

La technologie E-NOSE utilise un matériau semi-conducteur (oxyde métallique) appliqué sur une substance non conductrice (substrat) entre deux électrodes. Le substrat est chauffé à une température (environ 400°C) à laquelle la présence du gaz peut provoquer un changement réversible de la conductivité du matériau semi-conducteur.

  • En l'absence de gaz, l'oxygène est ionisé sur la surface et le capteur devient semi-conducteur.
  • Lorsque des molécules du gaz d'intérêt sont présentes, elles remplacent les ions oxygène, diminuant la résistance entre les électrodes.
  • Ce changement est mesuré électriquement et est proportionnel à la concentration du gaz mesuré.

Cela fait de l'E-NOSE une technologie de détection de COV à large bande. Un exemple de ce type de technologie de capteur est le moniteur COV MS1200.

Cette méthode présente les avantages suivants :

  1. Haute sensibilité, c'est-à-dire que le moniteur peut détecter des concentrations de COV jusqu'à 1 ppb.
  2. Les capteurs ont une longue durée de vie et ne nécessitent pas de nettoyage.
  3. Les capteurs se mettent à zéro automatiquement avant chaque mesure d'échantillon pour tenir compte de la dérive du capteur et des effets de vieillissement. Cela est réalisé en faisant passer de l'air sec propre filtré sur les capteurs à chaque cycle d'échantillonnage.
  4. 2 matériaux filtrants sont utilisés dans le moniteur : un filtre à poussière et du charbon actif. Ce sont les seuls consommables utilisés dans les systèmes et ils ne doivent être remplacés que tous les 6 mois.
  5. En raison de la robustesse de la technologie des capteurs, les moniteurs peuvent être déployés comme système de surveillance en ligne offrant une détection et une mesure 24h/24 et 7j/7.

Une procédure de contrôle de validation a été développée ; cette méthode introduit une solution de 50 ppb de toluène dans l'eau, le moniteur échantillonne ensuite le mélange air/vapeur de toluène pour vérifier la réponse.

En résumé

Les PID offrent une technologie de détection et de mesure des COV rapide sur place, mais ont une sensibilité plus faible et sont plus coûteux que l'E-NOSE. Ils nécessitent également une maintenance accrue, un étalonnage plus fréquent et sont sensibles aux changements d'humidité.

L'E-NOSE est une solution rentable, robuste et à haute sensibilité avec de faibles coûts de maintenance et une couverture de surveillance 24h/24 et 7j/7. Le seul consommable utilisé est le matériel de filtration, qui ne doit être remplacé qu'une fois tous les 6 mois, avec un simple contrôle de validation.

Le moniteur MS1200 est maintenant largement utilisé pour la surveillance des prises d'eau potable. Il existe également un certain nombre de sites qui utilisent le moniteur pour la surveillance des émissions industrielles et la détection des COV.

Conclusion

Le rejet d'hydrocarbures dans l'environnement n'est pas seulement un problème environnemental, il peut également avoir un impact financier significatif pour toutes les parties impliquées dans de tels incidents. La détection précoce de ces rejets peut réduire le coût de la dépollution.

Plusieurs technologies sont disponibles pour détecter les COV dans les rejets industriels. Il a été démontré que la méthode la plus robuste, sensible et efficace utilise des dispositifs semi-conducteurs à détection de gaz E-NOSE, en raison de leur longue durée de vie, de leurs exigences d'étalonnage peu fréquentes et de leur maintenance simple. L'exemple cité est le Multisensor MS1200.

Tableau : Valeur Limite de Seuil

Voici quelques-unes des Valeurs Limites de Seuil (VLS) pour certains des COV les plus courants. La VLS d'une substance chimique est un niveau auquel on estime qu'un travailleur peut être exposé, jour après jour pendant toute une vie professionnelle, sans effets néfastes sur la santé.

COV VLS Point d'ébullition °C Pression de vapeur à 20 °C
Benzène 0,5 ppm 80 10 kPa
Toluène 50 ppm 111 2,3 kPa
Éthylbenzène 100 ppm 136 0,9 kPa
Xylène 100 ppm 144 0,91 kPa
Cyclohexane 100 ppm 81 10,3 kPa
Essence 300 ppm 20-200 220 kPa (Butane)
Acétone 500 ppm 56 24 kPa
Alcool isopropylique 200 ppm 83 4,4 kPa
Trichloroéthylène 50 ppm 87 7,8 kPa
Tétrahydrofurane 50 ppm 66 19,3 kPa
Méthyl éthyl cétone 200 ppm 80 10,5 kPa
Chlorure de méthylène 50 ppm 40 47,3 kPa
1,1,1-trichloroéthane 350 ppm 74 13,3 kPa
Formaldéhyde 0,3 ppm -20 3,46 kPa à 25
Eau n/a 100 2,3 kPa