Turbidité – Clarification des mesures de basse altitude

par James W. Egan, Jr, PhD.

Au cours des dix dernières années, l’analyse de la turbidité est devenue bien plus qu’une simple mesure de la clarté de l’eau. Aujourd’hui, l’analyse de la turbidité à faible niveau devient la méthode privilégiée pour se protéger contre les agents pathogènes émergents tels que Cryptosporidium et Giardia. En assurant une filtration adéquate de l’eau, les risques liés à divers contaminants indésirables dans les réserves d’eau de notre pays peuvent être réduits.

En 2002, l’EPA a publié la LT1ESWTR (Long Term 1 Enhanced Surface Water Treatment Rule) exigeant que les turbidités dans les effluents filtrants combinés soient à 0,3 NTU ou en dessous. L’EPA espérait que cette action permettrait un retrait de Cryptosporidium1 de 2 log (99 %). Il est actuellement envisagé de réduire ce taux à 0,1 NTU. Pour atteindre les objectifs de l’EPA, la surveillance constante de la turbidité de l’eau filtrée est essentielle. Cette surveillance est souvent réalisée à l’aide de turbidimètres en ligne dans les stations de traitement de l’eau et d’instruments portables sur le terrain. La tendance a été de vérifier l’étalonnage des turbidimètres en ligne avec des turbidimètres de laboratoire ou de terrain portatifs, en utilisant des standards de précision conçus pour répondre aux spécifications de l’EPA.

Mesure de la turbidité

Avant de trop s’aventurer dans le sujet de la clarté de l’eau, il est logique de discuter des principes fondamentaux de la mesure de la turbidité. La turbidité est une propriété agrégée de l’eau. Elle est causée par des particules en suspension dans l’eau. Elle n’est pas spécifique au type de particule présente dans l’eau et les particules peuvent être en suspension ou de la matière colloïdale, ainsi que inorganique, organique ou biologique. À haute concentration, la turbidité est perçue comme de la trouble, de la brume ou un manque de clarté dans l’eau.

L’analyse de turbidité est une mesure optique de la lumière diffusée. Lorsque la lumière passe à travers un échantillon d’eau, les particules sur le chemin de la lumière changent la direction de la lumière, la diffusant. Si la turbidité est faible, la majeure partie de la lumière continuera dans la direction d’origine. La lumière diffusée par ces particules permet de les détecter dans l’eau, tout comme la lumière du soleil peut illuminer les particules de poussière dans l’air.

Un turbidimètre est un terme général désignant un mètre qui mesure la turbidité. Mesurer la turbidité de faible niveau nécessite de quantifier précisément la diffusion de la lumière dans l’eau à l’aide d’un turbidimètre qui est aussi un néphélomètre. Les termes néphélomètre et turbidimètre sont souvent utilisés de manière interchangeable, comme ici. Cependant, un néphélomètre mesure spécifiquement la lumière diffusée à un angle de 90° par rapport au faisceau lumineux. La lumière diffusée à d’autres angles peut aussi être mesurée, mais l’angle de 90° définit une mesure néphélométrique. La source lumineuse pour les mesures néphélométriques peut être l’un des deux types respectant les spécifications EPA ou ISO. La méthode EPA spécifie une lampe au tungstène, avec une température de couleur de 2 200 à 3 000^K2. Les unités de mesure de la méthode EPA sont enregistrées comme unités de turbidité néphélométrique (NTU). La méthode ISO spécifie une diode électroluminescente (LED), avec une longueur d’onde de 860 nm et une bande passante spectrale inférieure ou égale à 60^{nm 3}. Les unités de mesure de la méthode ISO sont des unités néphélométriques formazine (FNU).

L’utilisation de néphélomètres portables portatifs pour vérifier les calibrations des turbidimètres/néphélomètres en ligne nécessite que ces appareils disposent de systèmes optiques méticuleusement conçus. Ces mesureurs doivent être capables d’étalonnages stables et à long terme, d’une grande précision et d’exactitude, ainsi que de faibles limites de détection. Même avec un mesureur bien conçu, la technique de mesure est essentielle pour obtenir des relevés de turbidité de faible niveau précis^{et précis 4}. Les techniques de mesure incluent la sélection et l’utilisation des tubes d’échantillonnage, la minimisation des interférences de lumière parasite et la manipulation appropriée de l’échantillon.

Sélection des tubes

Le choix et la manipulation des tubes sont d’une importance capitale. Il peut parfois être nécessaire de tremper les tubes dans une solution diluée de HCl avant de laver. Ils doivent toujours être lavés à l’intérieur et à l’extérieur avec un détergent doux avant utilisation, pour éliminer la saleté ou les empreintes digitales. Les tubes doivent être rincés 5 à 10 fois avec de l’eau sans turbidité. Ils doivent ensuite être laissés sécher à l’air libre en position inversée pour empêcher la poussière d’entrer dans les tubes. Les tubes propres et secs doivent être stockés avec leurs bouchons pour éviter toute contamination. Avant utilisation, les tubes doivent être propres et exempts de peluches, d’empreintes digitales, de déversements séchés et de rayures. Les rayures posent particulièrement problème si elles sont situées là où le faisceau lumineux entre ou sort du tube. Tout tube rayé doit être jeté et remplacé par un nouveau.

Après qu’un tube a été rempli et bouché, il ne doit être tenu que par le bouchon afin d’éviter les problèmes d’empreintes digitales. Lorsque vous mettez un tube rempli de côté, assurez-vous qu’il est posé sur une surface propre et sèche qui ne contaminera pas le tube. Avant de l’insérer dans l’instrument, la surface extérieure du tube doit être essuyée avec un chiffon absorbant propre et sans peluches, jusqu’à ce qu’elle soit sèche et sans bave. C’est impératif pour des lectures précises et cela permettra de maintenir la chambre lumineuse en état optimal. Les tubes doivent être vidés et nettoyés dès que possible après avoir lu un échantillon afin d’éviter le dépôt de particules à l’intérieur des tubes et des bouchons. Pour des résultats très précis, les erreurs dues à la contamination peuvent être réduites en désignant les tubes et les capuchons pour une utilisation uniquement sur des échantillons de très faible turbidité, tandis que d’autres peuvent être réservés uniquement aux tests de très haute turbidité.

Certains fabricants suggèrent de recouvrir légèrement l’extérieur des tubes d’huile de silicone. Le but est de combler de petites rayures et de minimiser la lumière parasite associée aux imperfections du tube. Cependant, appliquer des quantités constantes d’huile de silicone est un défi et de petites variations peuvent provoquer de grandes variations de l’indice de réfraction des tubes. Cela peut entraîner des changements substantiels dans les relevés de turbidité. Pour cette raison, de nombreux fabricants mettent en garde contre l’utilisation de l’huile de silicone. Il existe d’autres méthodes plus fiables pour minimiser la lumière parasite.

Éducation à la Distance

La lumière parasite est celle qui est détectée mais qui n’est pas directement diffusée par la turbidité de l’échantillon d’eau. Les interférences de la lumière parasite provoquent des lectures élevées. La lumière parasite peut provenir du bruit électronique, des réflexions internes à l’intérieur des optiques, et des réflexions parasites de la saleté et de la poussière dans la chambre du^{compteur 5}. Des rayures, des empreintes digitales et des gouttelettes d’eau sur le tube peuvent également provoquer des interférences de lumière parasite, ce qui conduit à des résultats inexacts. Les gradimètres de turbidité contemporains, équipés de microprocesseurs, éliminent le bruit électronique en soustrayant une lecture d’échantillon avec la source lumineuse éteinte. Les turbidimètres disposant d’une procédure de masquage peuvent éliminer la lumière parasite associée aux réflexions internes. Le blank doit subir la même interférence, due aux réflexions internes, que l’échantillon et est soustrait de la lecture de l’échantillon pour éliminer cette source d’interférence de lumière parasite. Si le même tube est utilisé pour le blank que pour l’échantillon, et qu’il est correctement indexé dans la chambre, les interférences de lumière parasite dues aux imperfections du tube peuvent être minimisées.

Une autre source de lumière parasite est la diffusion moléculaire de la lumière par les molécules d’eau elles-mêmes. Les molécules dissoutes, y compris les particules submicroniques extrêmement petites qui ne peuvent pas être filtrées, diffusent également la lumière. Cette diffusion moléculaire de la lumière a été estimée entre 0,01 NTU et 0,02 NTU. Pour cette raison, l’eau ultra-pure peut encore provoquer une diffusion de la lumière et est donc souvent appelée eau à faible turbidité. On peut soutenir que l’utilisation d’une procédure de suppression peut éliminer les effets de la lumière parasite causée par la diffusion moléculaire. Si l’eau correctement filtrée à travers un filtre de 0,1 micron peut être considérée comme exempte de turbidité, car il n’y a pas de particules non dissoutes dans l’eau, alors toute lumière parasite doit provenir de la diffusion moléculaire. Cette lumière parasite peut être compensée par une procédure de blanking appropriée, sur un instrument doté d’optiques de mise au point de haute qualité, et un résultat de 0,00 NTU peut être obtenu.

Résultats négatifs

Une fonctionnalité utile pour évaluer la turbidité de faible niveau est un turbidimètre qui affiche des résultats négatifs. Les compteurs effectuent parfois une lecture négative qui doit être affichée comme un nombre négatif. Cette situation est plus susceptible de se produire lors de la mesure de la turbidité de faible niveau. Les variations naturelles dans toutes les mesures, qu’elles soient liées à l’instrument ou non, peuvent conduire à un résultat négatif. Ainsi, certains turbidimètres sont conçus pour arrondir un nombre négatif à 0,00 NTU, car un résultat inférieur à 0,00 NTU est théoriquement impossible. Cependant, en pratique, ces résultats sont en réalité assez significatifs. Si un compteur donne systématiquement un résultat négatif, il y a un problème. Le problème pourrait venir de la technique de l’opérateur ou d’une erreur. Cela pourrait aussi indiquer un problème avec la faible turbidité ou l’eau sans turbidité utilisée pour un blank ou un problème d’étalonnage. Si le compteur arrondi le résultat négatif à 0,00 NTU, l’utilisateur ne sera pas alerté d’un problème potentiel.

Manipulation des échantillons

La variabilité de la géométrie de la verrerie et la technique utilisée pour orienter les tubes dans la chambre de lumière sont des causes prédominantes de résultats incohérents. De légères variations dans l’épaisseur de la paroi et le diamètre des tubes peuvent entraîner de légères variations dans les résultats du test. Pour éliminer cette erreur, les tubes doivent être placés dans la chambre avec la même orientation à chaque fois. De nombreux tubes de turbidité possèdent des lignes d’indexation à cet effet. Encore mieux qu’une ligne d’indexation, il y a des dispositifs d’orientation qui forcent physiquement un tube à être positionné dans la même orientation à chaque fois. Pour une meilleure précision et précision, surtout à basse concentration, une forme de dispositif d’orientation est fortement recommandée.

Avant d’ajouter l’échantillon d’eau dans un tube pour une mesure de turbidité, le tube doit être soigneusement rincé 3 à 5 fois avec la solution, qu’il s’agisse d’un blanc ou d’un échantillon d’essai. Le tube doit ensuite être immédiatement bouché pour empêcher la poussière ou d’autres contaminants d’y pénétrer. Veillez à ne pas renverser d’eau à l’extérieur du tube. S’il y a une fuite, essuyez immédiatement le tube avant que des dépôts secs ne se forment.

Pour une turbidité de faible niveau, le tube doit reposer plusieurs minutes pour dégazer après l’ajout de l’échantillon. De minuscules bulles invisibles de gaz dissous peuvent provoquer une interférence positive dans les résultats. Le dégazage sous vide peut entraîner une contamination si l’on ne prend pas une extrême précaution. Un bain sonique peut être utilisé pour dégazer un échantillon, si le tube a été rigoureusement nettoyé au préalable. Si le tube n’était pas scrupuleusement propre, un bain sonique peut déloger les particules des parois du tube et augmenter la^{turbidité 6}. Après le dégazage de l’échantillon, le tube doit être délicatement inversé pour suspendre les particules qui pourraient s’être déposées. Le tube doit alors être laissé reposer et retrouver un état d’arrêt avant de prendre une mesure sur le turbidimètre.

Les relevés de faible intensité doivent toujours être vérifiés en prenant deux ou trois relevés sur un échantillon ou un blanc. Des lectures instables peuvent résulter des courants de convection dans l’échantillon dus au mélange. Quelques grosses particules passant par la zone de détection du tube peuvent également provoquer des lectures instables. Pour compenser cela, certains spectateurs de turbidité disposent d’une option de moyenne du signal qui permet au compteur de faire la moyenne de plusieurs lectures sur un échantillon instable. Pouvoir observer la lecture pendant ce processus de moyenne permettra à l’utilisateur de voir si l’échantillon fournit une mesure stable.

Des études ont montré que les analyses de turbidité à faible niveau sont fréquemment influencées par les techniques de^{l’utilisateur 7}. Puisqu’il existe une courbe d’apprentissage pour effectuer de bonnes mesures de turbidité, un soin méticuleux et une pratique méticuleuses des techniques de mesure sont nécessaires pour une grande précision et exactitude lors du test de turbidité de faible niveau.

Étalonnage

Les néphalomètres disposent généralement d’un calibrage d’usine pour toute la gamme lors de leur achat. Les autorités réglementaires exigent souvent que les étalonnages de ces compteurs soient vérifiés et ajustés. Des étalons de turbidité sont nécessaires pour l’étalonnage/la vérification des compteurs. La plupart des compteurs sont fournis avec des normes de turbidité, telles que AMCO8, SDVB (styrène divinyl benzène), formazine ou « formazine stabilisée », comme standards principaux. Les normes primaires sont approuvées par l’EPA pour l’étalonnage des turbidimètres. D’autres types d’étalons secondaires sont également disponibles, mais ne peuvent être utilisés que pour vérifier un étalonnage.

Les analystes ne doivent utiliser que les normes recommandées par le fabricant du néphélomètre. La formazine est une norme universelle mais les dilutions sont très instables. Les normes AMCO sont plus stables et faciles à utiliser, mais doivent être formulées de manière unique pour chaque conception de compteurs. Une norme AMCO conçue pour un turbidimètre ne peut pas être utilisée de manière fiable avec un autre type de mesureur, même si ces mesureurs proviennent du même fabricant. La « formazine stabilisée » est stable mais nécessite des instructions de mélange spéciales qui doivent être suivies avec soin. L’indice de réfraction des normes de « formazine stabilisée » de bas niveau est très différent de celui de la formazine de bas niveau et de la plupart des eaux ultra-pures de basse turbidité. Cependant, l’indice de réfraction des standards de formazine de bas niveau et de la plupart des eaux de turbidité ultra-pure de faible niveau est très similaire. Les différences d’indices de réfraction peuvent conduire à des résultats très différents. Un appareil calibré avec une « formazine stabilisée » ne peut pas être vérifié avec des standards de formizine, à bas niveau. À des niveaux élevés de turbidité, les différences d’indice de réfraction deviennent faibles et la formazine stabilisée et non stabilisée devraient donner les mêmes résultats.

Il existe une relation linéaire entre la lumière diffusée à 90° et la turbidité de l’eau en dessous de 40 NTU. Il existe deux approches différentes pour étalonner les turbidimètres lors des essais à basse altitude. Une approche utilise des normes de turbidité de niveau intermédiaire pour établir la relation linéaire entre 40 NTU et l’eau ultra-pure. Le mesureur est calibré au niveau intermédiaire puis extrapolé à rebours pour mesurer des échantillons inférieurs à 1 NTU. Un problème avec cette méthode est que toute erreur commise dans l’établissement du point d’étalonnage intermédiaire est amplifiée lors de la mesure d’un échantillon de plus en plus éloigné de ce point. À des niveaux très faibles de turbidité, ces erreurs pourraient devenir une part importante de la mesure. La deuxième approche de l’étalonnage consiste à établir la linéarité dans la plage de turbidité des échantillons à mesurer. C’est une approche courante pour calibrer les instruments scientifiques. Si les échantillons à mesurer sont inférieurs à 1 NTU, la linéarité est établie en étalonnant avec un standard de 1 NTU. Des normes stables de 1 NTU sont disponibles pour les turbidimètres calibrés par les deux approches. Les mêmes techniques de mesure soigneuses, pour obtenir de bonnes lectures de turbidité à bas niveau évoquées précédemment, sont nécessaires pour l’étalonnage à bas niveau. Une fois ces techniques apprises à leur sujet, elles deviennent partie intégrante du processus de réalisation de lectures de qualité de tous types, qu’il s’agisse de lectures d’échantillon, d’étalonnage ou de vérification.

Les turbidimètres utilisant un blanc ont un avantage distinct pour établir un étalonnage linéaire avec deux points dans la plage des échantillons à tester. Pour une turbidité de faible niveau, un turbidimètre peut être calibré avec de l’eau ultra-pure et un standard de 1 NTU. L’utilisation d’une bonne technique, d’une eau ultra-pure à faible turbidité et d’un standard stable de 1 NTU est essentielle pour cette calibration. Le résultat est un calibrage très bien établi pour la plage de 0 à 1 NTU. Ignorer le compteur avant de lire les échantillons garantit toujours que la lecture de l’eau ultra-pure à faible turbidité est référencée à chaque fois qu’un échantillon est déterminé. Cela aide à maintenir un bon calibrage à bas niveau. Il a été démontré que les turbidimètres utilisant une sorte de procédure de masquage, ou une procédure pour définir une lecture basse prédéterminée telle que 0,02 NTU, affichent une lecture inférieure à celle des mètres qui n’utilisent pas cette procédure9. La différence augmente avec le temps, probablement parce que la réponse de la ligne de base dérive vers le haut sur les mètres qui ne sont pas calibrés de façon répétée avec un standard ultra-pur de faible turbidité.

Résumé

Des mesures fiables de la turbidité à faible niveau sont des mesures cruciales de la qualité de l’eau pour la conformité réglementaire et le suivi de l’efficacité de la filtration. Pour obtenir des résultats fiables, une attention particulière aux techniques de mesure est essentielle. Maintenir des tubes avec de bonnes qualités optiques, minimiser la lumière parasite et manipuler soigneusement les échantillons sont autant de facteurs importants. Un instrument bien conçu n’est efficace que s’il est précisément calibré. Enfin, se référer à un étalon de turbidité ultra-pure de bas niveau, tel qu’un blank, lors des tests d’échantillons aidera à préserver et à vérifier un bon programme d’étalonnage de bas niveau.

Références

1) EPA des États-Unis, Règle Finale sur le traitement des eaux de surface à long terme 1, Règle finale, 40 CFR Partie 9, 141 et 142, Vol. 67, n° 9, p. 1814, EPA 815-z-02-001, 14 janvier 2002.

2) EPA des États-Unis, Méthodes d’analyse chimique de l’eau et des déchets, Méthode 180.1, Détermination de la turbidité par néphélométrie, Rev 2, Cincinnati, OH, août 1993.

3) Organisation internationale de normalisation, Qualité de l’eau – Détermination de la turbidité, ISO 7027, Genève, Suisse, 1999.

4) Sadar, M. J., Comprendre la science de la turbidité, Série d’information technique, n° 11, p. 21, Hach Co., Loveland CO.

5) Sadar, p. 11

6) Sadar, p. 12

7) Letterman, R.D., Johnson, C. E., Viswanathan, S., Mesures de turbidité de faible niveau : comparaison des instruments, J. AWWA, 96, 8, p. 137, 2004.

8) AMCO Clear® et AMCO-AEPA® sont des marques déposées de GFS Chemical, Powell, OH.

9) Letterman, p. 137