Bon nombre de services de traitement des eaux utilisent des instruments en ligne pour mesurer l’UV254 ou la couleur aux fins de quantification de la matière organique présente dans l’eau brute dans un objectif de contrôle de la coagulation. Ces instruments ont une méthode pour supprimer l’effet de la turbidité sur la mesure de l’UV254 ou de la couleur réelle. En l’absence de cette méthode, les mesures d’UV254 et de couleur refléteraient toujours l’absorbance des matières organiques présentes dans l’eau brute et la lumière perdue en raison de la diffraction par les particules visibles sous forme de turbidité. Ces deux effets (absorption et diffraction) ne peuvent pas être séparés en mesurant une seule longueur d’onde. Une mesure de correction de la turbidité est donc toujours nécessaire.
Afin de mesurer avec précision les matières organiques dans l’eau brute, il est essentiel d’avoir recours à un mécanisme robuste de correction de la turbidité.
Approches conventionnelles de la correction de la turbidité
La plupart des instruments en ligne destinés au contrôle de la coagulation dans l’eau brute mesurent l’absorbance de l’eau sur deux longueurs d’onde : la longueur d’onde d’intérêt (254 nm pour l’UV254 et généralement 400 nm pour la couleur) et une mesure de référence à une longueur d’onde différente pour déterminer le niveau de turbidité. Souvent, cette mesure de la longueur d’onde de référence se situe dans la région visible du spectre électromagnétique (par exemple 550 nm). Le logiciel de l’instrument corrige ensuite la mesure de l’absorbance en fonction de la turbidité de l’échantillon, mesurée à la longueur d’onde de référence. Plus la turbidité de l’eau est importante, plus cette correction sera importante.
Cette approche n’est toutefois pas parfaite, car la turbidité n’affecte pas toutes les longueurs d’onde de la même façon. En ce qui concerne la mesure de la turbidité, il est bien entendu que la longueur d’onde de la mesure est importante et que des longueurs d’onde différentes donneront des résultats différents pour la turbidité. Par exemple, l’utilisation d’une longueur d’onde plus longue (comme la longueur d’onde proche de l’infrarouge utilisée dans la méthode normalisée de détermination de la turbidité ISO7027) comporte le risque de manquer des particules plus petites.
Le même principe s’applique au chapitre de l’absorbance : plus la longueur d’onde utilisée pour effectuer la mesure est courte, plus l’effet de la turbidité sur l’absorbance sera important. En ce qui concerne la mesure en ligne de l’UV254 et de la couleur, le fabricant de l’instrument doit décider comment il appliquera sa mesure de correction de la turbidité de référence à la longueur d’onde de mesure elle-même.
Part-il du principe que l’absorbance à la longueur d’onde de référence doit simplement être soustraite de celle à la longueur d’onde de mesure? Ou essaie-t-il d’appliquer un facteur pour tenir compte du fait que l’absorbance à une longueur d’onde de mesure inférieure peut être différente de celle de la mesure de référence en raison de la turbidité?
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L’effet de différents niveaux de turbidité sur différentes longueurs d’onde. Le spectre d’absorption de plusieurs étalons de turbidité est illustré ci-dessus et il est clair que la turbidité n’affecte pas toutes les longueurs d’onde de la même manière. L’échantillon ne contient aucune autre espèce absorbante.
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Les graphiques présentés ici illustrent comment la technique par soustraction simple pour la correction de la turbidité, comme recommandé par la norme DIN 38404-32, est insuffisante. Par exemple, à 10 uTN, l’absorption à 254 nm est de 18,4 Abs/m, mais celle à 550 nm est de 1,29 Abs/m. Les fabricants doivent opter pour une technique plus complexe afin de déterminer l’effet de la turbidité à la longueur d’onde de mesure. En utilisant les données ci-dessus, il serait possible d’affirmer qu’en multipliant simplement la mesure de référence par 15, on peut établir le facteur correct à appliquer à la longueur d’onde de mesure.
Toutefois, à des niveaux de turbidité plus élevés, cette relation se dégrade.
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À 100 uTN, l’absorbance à la longueur d’onde de mesure (254 nm) est d’environ 80 Abs/m, mais à la mesure de référence (550 nm), elle est de 7,3 Abs/m : le facteur de compensation a diminué, notre facteur de correction x15 n’est plus exact, x10 serait plus approprié.
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Dans les échantillons d’eau brute réels, la variété de la diffusion des particules de tailles et de formes différentes complique encore la relation.
Approche différente de la correction de la turbidité
Plutôt que d’utiliser un mécanisme de compensation de la turbidité à longueur d’onde unique, il est possible d’utiliser l’ensemble de l’absorbance du spectre UV-Vis et d’y appliquer un algorithme pour tenir compte de la contribution de la turbidité. Cela permet de générer un spectre corrigé pour la turbidité, à partir duquel plusieurs paramètres également corrigés pour la turbidité peuvent être définis simultanément.
Cette méthode fait appel à une équation mathématique qui décrit la relation entre la diffusion causée par la turbidité et la longueur d’onde en fonction du diamètre des particules. L’effet a été décrit pour la première fois par Gustav Mie en 1908 et est connu sous le nom de diffusion de Mie. Les conséquences pratiques de cet effet sur la mesure de la turbidité ont été publiées par Huber et Frost en 1998 et comprennent la forme spectrale bien connue causée par les matières en suspension, qui dépend à la fois de la longueur d’onde et du diamètre de la particule elle-même.
En fonction des utilisations, les différents types et tailles de particules ont tendance à varier, il est donc nécessaire d’utiliser des algorithmes différents pour chaque application. Grâce à cette approche, il est possible d’obtenir des données plus précises pour des paramètres comme l’UV254 (filtration post-échantillon) et la couleur réelle.
La sonde spectrométrique s::can spectro::lyser V3, conçue à l’origine pour la surveillance à distance dans des applications d’eau de surface, fut la première sonde spectrophotométrique UV-Vis à double faisceau entièrement submersible au monde. Largement utilisée partout dans le monde dans une vaste gamme d’applications, elle permet de mesurer tout ce qui peut être détecté dans l’eau par spectroscopie UV ou visible, notamment les nitrates, les matières organiques (carbone organique dissous et carbone organique total), la couleur réelle et bien plus encore. Sa plateforme utilise un mécanisme de correction de la turbidité à multilongueur d’onde plutôt qu’une approche à longueur d’onde unique. Ce mécanisme est employé pour tous les capteurs s::can qui utilisent la plateforme spectro::lyser, y compris le nitro::lyser V3 (mesure des nitrates), l’uv::lyser V3 (mesure de la longueur d’onde UV) et le carbo::lyser V3 (mesure des matières organiques).
Surveillance réussie de l’UV254 sur le terrain
Dans une station de traitement des eaux où une sonde spectro::lyser V3 analyse de nombreux paramètres de l’eau brute, un instrument UV254 en ligne utilisant un mécanisme de correction de la turbidité à longueur d’onde unique a également été utilisé.
Lorsque la turbidité est faible (<10 uTN), la corrélation entre les deux mesures de l’UV254 est très étroite : les tendances se reflètent l’une l’autre, à quelques exceptions près. Ces exceptions surviennent lorsque l’instrument X semble dériver par rapport aux relevés du spectro::lyser, avant d’être réajusté par un étalonnage. Ces ajustements sont visibles sous forme de changements brusques (en escalier) dans la tendance de l’instrument X.
Lorsque la turbidité passe à plus de 10 uTN, les relevés de l’instrument X dépassent généralement ceux de la sonde spectro::lyser pour l’UV254. Cette variation s’explique par le mécanisme de correction de la turbidité utilisé par l’instrument X. À chaque pic de turbidité, l’instrument X affiche une valeur d’UV254 plus élevée que celle de la sonde spectro::lyser, et plus le pic de turbidité est important, plus l’écart entre les deux mesures augmente. En revanche, lorsque la turbidité est faible, les deux instruments présentent une bonne corrélation.
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La précision de la sonde spectro::lyser et de l’approche de correction de la turbidité lors de la mesure de l’UV254 a été vérifiée en comparant les résultats à la méthode de laboratoire. L’échantillon de laboratoire a été filtré à l’aide d’un filtre de 0,45 micron afin d’éliminer la turbidité avant d’être analysé au spectrophotomètre UV à 254 nm. Le coefficient de corrélation R2 entre les deux méthodes, calculé à partir de plusieurs échantillons prélevés sur une période donnée, était de 0,9896.
La technique de correction des matières présentée ci-dessus a également fait ses preuves pour la surveillance de l’eau brute, afin d’obtenir des mesures précises de la couleur réelle, même lorsque la turbidité dépasse les 100 uTN.
Conclusion
Au moment de choisir un instrument de mesure UV254 ou de la couleur pour le contrôle de la coagulation, il importe de tenir compte de la précision de sa mesure en cas d’épisode de turbidité. L’étalonnage d’un capteur UV254 à l’aide de solutions standard, comme avec du biphtalate de potassium, ne démontre pas sa précision dans une telle situation. La surestimation de l’UV254 peut entraîner un surdosage du coagulant. À l’inverse, un sous-dosage peut accroître le risque de formation de sous-produits de désinfection. Lors d’événements de forte turbidité, un surdosage peut sembler peu problématique puisqu’il contribue à répondre à la demande accrue en coagulant liée à la situation. Toutefois, lorsqu’il s’agit d’une constante, même lors de faibles hausses de turbidité, ce manque de précision ne fait qu’engendrer des coûts supplémentaires liés à l’utilisation excessive de produits chimiques.
Lors de la sélection de ce type d’instrument, il est souvent utile de comprendre le mécanisme de correction de la turbidité qu’il utilise et de vérifier son degré de précision lorsque vous en avez le plus besoin.
