Détection des métaux lourds particulaires en suspension dans les liquides par la spectroscopie de plasma induit par laser
Résumé
La pollution des eaux est une préoccupation majeure tant au niveau national qu’européen. Avec l'objectif visé de préserver et d’améliorer la qualité des eaux, la communauté européenne a adopté une Directive Cadre sur l'Eau (DCE). Son objectif est de parvenir à un bon état écologique et chimique des eaux d'ici l’année 2015. Dans ce contexte, la recherche en métrologie a été engagée à l'INERIS afin de détecter les polluants dans les liquides sous forme particulaire, bien que cette dernière forme ne soit pas directement visée par la DCE. Cependant, les particules sont connues pour jouer un rôle important dans le transport des polluants tels que les métaux lourds. En outre, les NOAA (Nano-Objets, leurs Agglomérats et leurs Agrégats), considérés comme des polluants émergents, sont un objet de préoccupation dont la détection devrait être rendue possible. La surveillance et le contrôle de tels polluants, par exemple dans les eaux de rejet d’industries impliquées dans la fabrication de (nano-micro) particules, nécessitent le développement d’instruments de mesure aptes à répondre à cette problématique. Ainsi, la technique de spectroscopie de plasma induit par laser ou technique LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) a été retenue à l’INERIS pour aborder ces enjeux. Dans ce travail, le couplage de la technique LIBS avec un jet de liquide a été étudié dans le but de réaliser l'identification chimique élémentaire et la détermination de la concentration en masse des éléments composant les particules en suspension dans l’eau, in situ et en temps réel. Des particules micrométriques de borosilicate avec des distributions en taille monodispersés ont été utilisées pour simuler des agrégats de nanoparticules dans les suspensions. En utilisant les spectres LIBS enregistrés correspondant à la détection de particules, l'évolution du volume échantillonné (Ve) en fonction de l'énergie laser a été estimée en même temps que les variations du rapport signal sur bruit (SNR). Le rapport signal sur bruit et le volume échantillonné ont montré une saturation en fonction de la fluence laser. En outre, le volume échantillonné s’est avéré bien inférieur au volume délimité par l’intersection du jet liquide avec le faisceau laser. De plus, le signal LIBS est constant en fonction du diamètre des particules, suggérant la possibilité d’une vaporisation non complète des particules. L’ensemble de ces résultats indiquent les limites du couplage du jet liquide avec la technique LIBS pour la détection de particules dans des liquides. L’évolution du volume échantillonné et du rapport signal sur bruit en fonction de la fluence laser a été comparée pour deux longueurs d’onde laser 532 et 266 nm. Cette comparaison a montré que l’utilisation de la longueur d’onde à 266 nm permet d’obtenir de meilleurs résultats en termes de rapport signal sur bruit sur une gamme d’énergie s’échelonnant de 3 à 20 mJ. Suite à ces optimisations, une première limite de détection a été évaluée sur des suspensions de nanoparticules de dioxyde de titane.