Échantillonneurs passifs appliqués aux études d'eaux, de sols et de sédiments

86 Pages·2007·0.92 MB·French

Échantillonneurs passifs appliqués
aux études d’eaux, de sols et de
sédiments
Synthèse bibliographique
Rapport final

BRGM/RP-55405-FR
mai 2007
Échantillonneurs passifs appliqués
aux études d’eaux, de sols et de
sédiments
Synthèse bibliographique
Rapport final
BRGM/RP-55405-FR
mai 2007
Étude réalisée dans le cadre des projets
de Recherche du BRGM 2007
F. Gal, S. Roy

Vérificateur : Approbateur :
Nom : ALMARIC L. Nom : GIRARD J.P.
Date : Date :
Signature : Signature :

Le système de management de la qualité du BRGM est certifié AFAQ ISO 9001:2000.
Mots clés : Capteurs passifs, Polluants organiques et inorganiques, Eaux et sédiments,
Échantillonnage.

En bibliographie, ce rapport sera cité de la façon suivante :

Gal F., Roy S. (2007) – Échantillonneurs passifs appliqués aux études d’eaux, de sols et de
sédiments. Synthèse bibliographique. Rapport final. BRGM/RP-55405-FR, 84 p., 28 fig., 2 tabl.,
1 ann.

© BRGM, 2007, ce document ne peut être reproduit en totalité ou en partie sans l’autorisation expresse du BRGM.
Échantillonneurs passifs

Synthèse
D ans le cadre de la demande croissante d’un suivi en continu de l’évolution de
l’environnement et de sa qualité, la Direction de la Recherche du BRGM a
souhaité examiner, à travers le projet cadre METRENV 2007 (METR04) et le projet
cible « Mesures sur Sites », l’état de l’art du développement de nouveaux dispositifs de
surveillance environnementale. METRENV 2007 comporte une action spécifique
dédiée aux capteurs passifs, destinée d’une part à compléter les acquis de projets
existants (SWIFT, 6e PCRD), et d’autre part à identifier les techniques émergentes
pouvant faire l’objet de tests et de développements méthodologiques préalables à une
utilisation en routine. La première étape est en conséquence une revue des différentes
technologies utilisables pour le monitoring passif environnemental. À terme, des
applications en terme de monitoring de l’environnement sont espérées, tant au travers
de projets de Recherche et Développement que de projets de Service public.
Dans cette présente note sont abordées différentes techniques ayant toutes pour
dénominateur commun un mode de collecte de composés chimiques dit passif. Ces
techniques passives d’échantillonnage regroupent toutes les méthodes qui permettent
de récupérer des composés chimiques, usuellement des polluants et contaminants
organiques et inorganiques, sans recours à un quelconque processus de pompage ou
de purge. Au contraire, ces méthodes passives visent à minimiser les perturbations sur
le milieu échantillonné.
Comme elles permettent l'accumulation de contaminants, ces méthodes autorisent des
durées d'exposition sur le terrain importantes, atteignant fréquemment plusieurs
semaines. Ces phénomènes d'accumulation, par absorption, adsorption ou diffusion,
simplifient également les modes opératoires en vue de l’analyse, en réalisant les
préconcentrations sur le terrain.
Leur mode opératoire est le résultat d’une différence de potentiel chimique entre le
milieu échantillonné et le dispositif, permettant le passage sélectif de composés
chimiques depuis le milieu extérieur vers un liquide ou un solide récepteur. Cette
spécificité permet, pour les capteurs à accumulation linéaire, de déterminer les
concentrations pondérées dans le temps. Ne retenant que les fractions dissoutes, ces
capteurs permettent l’évaluation voire la détermination des teneurs en éléments
biodisponibles et potentiellement biotoxiques (par bioaccumulation et/ou bioamplification
dans la chaîne trophique). Ainsi, indépendamment de la matrice étudiée (eau, sol,
sédiment), un échantillonneur passif collectera toujours les éléments présents en phase
dissoute (eau libre, eau des pores sédimentaires par exemple).
L'emploi de dispositifs d'échantillonnage passif est donc en lien étroit avec les
préoccupations actuelles d’évaluation et d’identification de toxicité en milieu naturel.
Une grande variété de ces dispositifs étant disponible, un autre intérêt est le
déploiement simultané de capteurs ayant leurs propres spécificités, pour obtenir une
vision d'ensemble d'un écosystème donné, en complément des informations recueillies
lors de campagnes d'échantillonnage classiques.
BRGM/RP-55405-FR – Rapport final 3

Échantillonneurs passifs

Sommaire
1. Problématique.........................................................................................................11
2. Principaux éléments et composés chimiques cibles des dispositifs
d’échantillonnage passif........................................................................................13
2.1. HYDROCARBURES AROMATIQUES POLYCYCLIQUES (HAP) ET
AROMATIQUES « SIMPLES ».......................................................................13
2.2. HYDROCARBURES ALIPHATIQUES............................................................13
2.3. POLYCHLORO-BIPHÉNYLES (PCB/BPC).....................................................14
2.4. ALDÉHYDES ET CÉTONES...........................................................................14
2.5. ALCOOLS........................................................................................................14
2.6. PHÉNOLS.......................................................................................................15
2.7. COMPOSÉS CHLORÉS.................................................................................15
2.8. COMPOSÉS NITRÉS......................................................................................16
2.9. AMINÉS ET ALCALOÏDES..............................................................................16
2.10. COMPOSÉS ORGANO-SULFURÉS..............................................................16
2.11. PESTICIDES ET BIOCIDES...........................................................................16
2.12. ACIDES CARBOXYLIQUES ET ESTERS......................................................17
2.13. DIOXINES ET FURANES................................................................................17
2.14. ÉTHERS..........................................................................................................17
2.15. COMPOSÉS ORGANO-MÉTALLIQUES........................................................18
2.16. PRODUITS PHARMACEUTIQUES, DROGUES............................................18
2.17. RÉCAPITULATIF COMPOSÉS ORGANIQUES – COMPOSÉS
ORGANIQUES VOLATILS (COV) – BTEX (BENZENE, TOLUÈNE,
ÉTHYLBENZÈNE, XYLÈNE) – COMPOSÉS POLAIRES ET
NON POLAIRES..............................................................................................18
2.18. COMPOSÉS INORGANIQUES.......................................................................19
BRGM/RP-55405-FR – Rapport final 5
Échantillonneurs passifs
3. Méthodes d’échantillonnage passif appliquées aux composés organiques..........21
3.1. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES ÉCHANTILLONNEURS
PASSIFS.........................................................................................................23
3.2. MEMBRANES À DIALYSE.............................................................................27
3.2.1. Membranes à dialyse en cellulose régénérée.....................................27
3.2.2. Nafion Coated Passive Sampler (NCPS) ............................................29
3.2.3. Membranes à dialyse remplies de solvant...........................................29
3.2.4. Microdialyse.........................................................................................30
3.2.5. Autres dispositifs utilisant des cellules à dialyse..................................31
3.3. PASSIVE DIFFUSION BAG SAMPLER – POLYÉTHYLÈNE DIFFUSION
BAG SAMPLER (PDBS).................................................................................32
3.4. NYLON-SCREEN PASSIVE DIFFUSION SAMPLER (NSPDS).....................33
3.5. RIGID POROUS POLYÉTHYLÈNE SAMPLER (RPPS).................................34
3.6. PEEPER SAMPLERS.....................................................................................35
3.6.1. Hesslein In-Situ Pore Water Sampler..................................................35
3.6.2. Polysulfone membrane Sampler (PsMS).............................................36
3.7. SUPPORTED LIQUID MEMBRANE (SLM)....................................................36
3.8. SEMI-PERMÉABLE MEMBRANE DEVICE (SPMD)......................................37
3.9. ÉVOLUTION DES SPMD................................................................................42
3.10. PASSIVE IN-SITU CONCENTRATION/EXTRACTION SAMPLER
(PISCES) ........................................................................................................43
3.11. POLAR ORGANIC COMPOUNDS INTEGRATIVE SAMPLER (POCIS)........45
3.12. DOSIMÈTRE - DISPOSITIFS À RÉSINES OU À DISQUES EMPORE® –
ÉCHANTILLONNEURS PASSIFS REMPLIS DE SORBANT.........................46
3.13. CHEMCATCHER............................................................................................48
3.14. STIR-BAR SORPTIVE EXTRACTION (SBSE)...............................................49
3.15. SOLID-PHASE MICRO-EXTRACTION (SPME).............................................50
3.16. MEMBRANE ENCLOSED SORPTIVE COATING SAMPLER (MESCO).......50
3.17. BANDES DE LDPE, DE SILICONE................................................................51
6 BRGM/RP-55405-FR – Rapport final
Échantillonneurs passifs

3.18. THIN LAYER CHROMATOGRAPHY (TLC)....................................................51
3.19. AUTRES TECHNIQUES.................................................................................52
4. Méthodes d’échantillonnage passif appliquées aux composés inorganiques..........55
4.1. MEMBRANES À DIALYSE..............................................................................55
4.1.1. Membranes en cellulose régénérée.....................................................55
4.1.2. Membranes à résines réceptrices........................................................55
4.2. ÉCHANTILLONNEURS PASSIFS À ÉCRAN DE NYLON (NSPDS :
NYLON-SCREEN PASSIVE DIFFUSION SAMPLER)....................................56
4.3. ÉCHANTILLONNEURS EN POLYÉTHYLÈNE RIGIDE ET POREUX (RPPS :
RIGID POROUS POLYETHYLENE SAMPLERS)...........................................57
4.4. PEEPER SAMPLERS.....................................................................................57
4.5. DISPOSITIF À MEMBRANE LIQUIDE (SLMD® : STABILIZED LIQUID-
MEMBRANE DEVICE)....................................................................................57
4.6. ÉCHANTILLONNEURS PASSIFS REMPLIS DE SORBANT.........................59
4.7. CHEMCATCHER (VERSION INORGANIQUE) ..............................................59
4.8. LA MICRO-EXTRACTION EN PHASE SOLIDE (SPME)................................59
4.9. FILMS MINCES À GRADIENT DE DIFFUSION (DGT : DIFFUSIVE
GRADIENTS IN THIN FILMS).........................................................................59
4.10. PIMS® (PASSIVE INTEGRATIVE MERCURY SAMPLER).............................62
5. Conclusion..............................................................................................................65
6. Bibliographie...........................................................................................................67
7. Glossaire.................................................................................................................79

BRGM/RP-55405-FR – Rapport final 7
Échantillonneurs passifs
Liste des illustrations
Figure 1 - Domaines d’opération des échantillonneurs passifs ; d’après Vrana et al., 2005............24
Figure 2 - Capteur passif basé sur la diffusion moléculaire (a) et sur la perméation à
travers une membrane (b) ; d’après Gorecki et Namiesnik (2002)....................................27
Figure 3 - Échantillonneur à dialyse avant remplissage : 6,35 cm de diamètre par
60,96 cm de long (une fois rempli : 121,92 cm de long) – (ITRC, 2006)...........................28
Figure 4 - Échantillonneur à dialyse avec support interne en PVC : 3,17 cm de diamètre
par 35,56 cm de long – (ITRC, 2006)..................................................................................28
Figure 5 - Échantillonneur NCPS : 1 : maillage de protection ; 2 : membrane poreuse ;
3 : membrane réceptrice ; 4 : disque de support en polypropylène ; 5 : corps et
6 : bouchon en polypropylène – (Björklund Blom et al., 2003)...........................................29
Figure 6 - Dispositif à cellules de dialyse remplies de solvant (hexane) – d’après Berryman
et Nadeau (1998)...................................................................................................................30
Figure 7 - Configuration du dispositif de microdialyse appliqué aux études
environnementales d’eaux et de sols et sédiments ; a : sonde concentrique ;
b : sonde capillaire (Miro et Frenzel, 2005)..........................................................................31
Figure 8 - Passive Diffusion Bag Sampler ; a : dispositif en polyéthylène avec filet de
protection ; b : dispositif sans protection (Parsons, 2003)..................................................33
Figure 9 - Différentes géométries d’échantillonneurs NSPDS (ITRC, 2006 et
www.itrcweb.org)...................................................................................................................34
Figure 10 - Échantillonneur RPPS : diamètre 3,81 cm ; longueur 15,24 à 17,78 cm
(Parsons, 2005 ; ITRC, 2006)...............................................................................................34
Figure 11 - Deux géométries d’échantillonneurs de type Peeper – Hesslein (ITRC, 2006) ;
la géométrie en plaque (à gauche) peut faire de 5 à 100 cm en longueur et de
1 à 3 cm en épaisseur ; la géométrie en cylindre (à droite) autorise une longueur
allant jusqu’à 4 m et un diamètre de 1 à 7 cm (ITRC, 2006)..............................................35
Figure 12 - PsMS (2 dispositifs en grappe) présentés avec des PDBS...............................................36
Figure 13 - Schéma de principe d’une SLM – d’après Namiesnik et al. (2005)...................................37
Figure 14 - Schéma de fonctionnement d’une SPMD ; d’après
http://wwwaux.cerc.cr.usgs.gov/SPMD/index.htm.........................................................38
Figure 15 - SPMD seule (à gauche) ; au centre et à droite, deux dispositifs d’exposition
des SPMD en conditions naturelles, pouvant renfermer respectivement 5 et
1 SPMD ; d’après ITRC (2006) et Namiesnik et al. (2005)...............................................41
Figure 16 - Deux configurations du dispositif PISCES ; celle de gauche fait 7,6 cm de
diamètre, pour une surface de membrane de 21 cm² et un volume de 100 ml ;
celle de droite fait 10 cm de diamètre, pour une surface de 50 cm² et un volume
de 200 ml de solvant. Leur longueur est d’environ 9,5 cm (d’après ITRC, 2006)............44
Figure 17 - Schéma de principe de l’échantillonneur PISCES (in Kot et al., 2000).............................44
Figure 18 - À gauche : vue éclatée d’un échantillonneur passif de type POCIS (ITRC,
2006) ; à droite : dispositif multi-disques, qui peut être protégé par un carter de
protection en plastique..........................................................................................................45
8 BRGM/RP-55405-FR – Rapport final
Échantillonneurs passifs

Figure 19 - Dispositif d’échantillonnage passif à charbon actif (in Namiesnik et al., 2005).................47
Figure 20 - Dispositif Chemcatcher : 1 : corps du dispositif ; 2 : crochet d’attache ; 3 : partie
avant du dispositif ; 4 : partie arrière du dispositif ; 5 : fil reliant 3 et 4,
imperméable ; 6 : phase chromatographique réceptrice ; 7 : membrane ;
8 : disque de support en PTFE ; 9 : maillage en acier inoxydable protégeant
la membrane ; 10 : 3e partie du dispositif ; 11 : bouchon de transport – (Kingston
et al., 2000) ; dimensions : diamètre externe : 7 cm, interne : 5 cm (Vrana et al.,
2006).......................................................................................................................................49
Figure 21 - Dispositif Chemcatcher
(www.swig.org.uk/WFD06_RichardGreenwood_rev.pdf)..................................................49
Figure 22 - Échantillonneur passif de type TLC : 1 : grille de protection ; 2 : plaque TLC
(gel de silice ; 50 x 51 mm) ; 3 : support plastique ; dimensions totales :
63 x 63 x 37 mm – d’après Leblanc et al. (2003)................................................................52
Figure 23 - Schéma de principe d’une membrane à dialyse remplie de résine (Tao et
Liang, 1997)...........................................................................................................................56
Figure 24 - Échantillonneur SLMD seul (gauche) ou protégé par un film de dialyse en
cellulose (droite) – (Brumbaugh et al., 2002).......................................................................58
Figure 25 - Schéma conceptuel de séquestration des métaux par une SLMD (Brumbaugh
et al., 2002) ; 1 et 1’ : surfaces extérieures de la membrane ; 2 et 2’ : surfaces
intérieures de la membrane ; 3 : mélange de réactif hydrophobe inclus dans la
membrane ; 4 et 4’ : milieu aqueux échantillonné ; R = groupe alkyl avec 8 à
12 atomes de carbone..........................................................................................................58
Figure 26 - Vue éclatée d’un dispositif DGT montrant la résine recouvrant le gel de diffusion
et la membrane protectrice (www.dgtresearch.com)..........................................................62
Figure 27 - DGT (www.ecologic-events.de/swift-
germany/documents/swift_germany_demonstration_sensoren.pdf)................................62
Figure 28 - Vue d’un dispositif PIMS à 3 membranes tel que déployé par ses inventeurs en
milieu aérien ; dimensions d’une membrane : 15 × 2,5 cm pour une épaisseur
de 80 à 90 µm ; 1 : soudures à chaud ; 2 : paroi en polyéthylène ; 3 : réactif
liquide imprégnant les parois ; 4 : boucles d’attache ; 5 : tiges en acier
inoxydable (Brumbaugh et al., 2000)...................................................................................63

Tableau 1 - Récapitulatif des composés organiques et inorganiques et des méthodes
d’échantillonnage passif pouvant être employées dans leur recherche............................22
Tableau 2 - Échantillonneurs passifs à utiliser en fonction des molécules recherchées ; * :
rappel: par sol et sédiment on sous-entend l’eau contenue dans ces formations............66
Liste des annexes
Annexe 1 - Calcul des concentrations en éléments dans les SPMD.......................................................81
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