Capteurs de conductivité : Contrôle de la qualité de l’eau

Qu’est-ce que la conductivité ?

La conductivité est la capacité de l’eau à conduire l’électricité. Cette conduction nécessite que les ions présents dans l’eau soient des porteurs de charge. L’eau pure ne contient pas d’ions (à l’exception de quelques molécules d’eau) et est donc un très mauvais conducteur d’électricité. Mais lorsque l’eau absorbe des sels chimiques, ces derniers ajoutent des ions à l’eau lorsqu’ils se dissolvent. Ainsi, plus la force ionique de l’eau augmente, plus la conductivité augmente : plus l’eau est « salée », plus la conductivité est élevée.

Notez qu’une mesure de conductivité ne vous indique pas nécessairement la concentration d’ions dans l’eau, car différents ions contribuent différemment à la conductivité. Les ions de grande taille et peu gracieux, comme l’acétate, ne contribuent pas à une bonne conductivité de l’électricité. Les petits ions rapides, comme H+, contribuent beaucoup plus à la conductivité. Étant donné que les eaux naturelles sont généralement des mélanges d’ions en constante évolution, une mesure de conductivité n’est qu’une mesure relative de la concentration d’ions.

La salinité est souvent calculée à partir de la conductivité en supposant que la composition chimique de l’eau est très similaire à celle de l’eau de mer. Dans l’eau de mer, une conductivité de 55 000 µS/cm correspond approximativement à une salinité de 35 PSS (PSS est l’échelle de salinité pratique, qui a remplacé les unités de salinité traditionnelles en ppt). La salinité n’est techniquement définie que pour les petites dilutions et concentrations d’eau salée, et est donc rarement utilisée dans les travaux en eau douce.

Pourquoi la conductivité est-elle importante pour la surveillance de la qualité de l’eau ?

D’un point de vue chimique, les relevés de conductivité peuvent être utilisés pour contrôler la stabilité d’une masse d’eau. Une conductivité inchangée signifie généralement qu’aucun produit chimique n’est ajouté ou soustrait à l’eau. Un pic de conductivité peut indiquer une augmentation des ions provenant d’une source de pollution, telle qu’un déversoir d’eaux usées, un ruissellement agricole ou une intrusion de la marée. Une baisse de la conductivité peut indiquer une réduction des apports chimiques et/ou une augmentation de l’apport d’eau douce (à la suite d’un épisode pluvieux, par exemple).

Les relevés de conductivité peuvent également être utilisés pour juger de la santé biologique, car certaines espèces végétales et animales sont sensibles à des conductivités élevées ou faibles. Les huîtres, par exemple, ne se portent pas bien dans une eau de mer fortement diluée. Les poissons d’eau douce ne se portent pas bien dans les eaux salées.

Les relevés de conductivité peuvent également être utilisés par déduction. Par exemple, il est courant, lors de la surveillance des plages d’eau douce, de supposer qu’une augmentation soudaine de la conductivité est due à une contamination par les eaux usées ou au ruissellement des pluies, deux phénomènes généralement associés à une numération bactérienne élevée. Le pic de conductivité peut donc être une raison de fermer les plages.

Enfin, les relevés de conductivité sont utilisés pour corriger les mesures de niveau d’eau et les relevés d’oxygène dissous. L’augmentation de la conductivité entraîne une augmentation de la densité de l’eau, de sorte que les mesures du niveau de l’eau doivent être diminuées pour compenser. L’augmentation de la conductivité réduit également la solubilité de l’oxygène dans l’eau, de sorte que les calculs du pourcentage de saturation en oxygène doivent être augmentés pour compenser.

Comment mesure-t-on la conductivité ?

Deux types de capteurs sont couramment utilisés pour mesurer l’OD. La cellule de Clark traditionnelle se compose de deux électrodes entourées d’une solution électrolytique à base d’eau et recouvertes d’une membrane perméable à l’oxygène. Lorsque l’oxygène traverse la membrane pour se dissoudre dans l’électrolyte, il est consommé dans une réaction chimique qui génère un petit courant électrique entre les deux électrodes. Ce courant est directement proportionnel à la quantité d’oxygène dans l’échantillon d’eau. Cette méthode est décrite plus en détail dans les Standard Methods 4500-O G. Eureka ne propose plus ce type de capteur.

Le deuxième type de capteur d’oxygène est le capteur d’oxygène optique, comme le HDO d’Eureka, dans lequel une lumière bleue est dirigée vers un composé actif à l’oxygène qui a été stabilisé dans un polymère perméable à l’oxygène. La lumière bleue provoque la fluorescence du composé actif à l’oxygène – c’est-à-dire qu’il absorbe de l’énergie sous forme de lumière bleue et émet de l’énergie sous forme de lumière rouge. La fluorescence est atténuée par l’oxygène, c’est-à-dire que l’émission de lumière rouge est réduite si des molécules d’oxygène sont présentes et interfèrent avec le composé actif de l’oxygène. Plus il y a d’oxygène, plus la quantité de lumière rouge produite est faible.

Lorsque la surface sensible en polymère est exposée à l’eau, l’oxygène se diffuse dans la surface sensible en fonction de la quantité (« pression partielle ») d’oxygène dans l’eau. Ainsi, la quantité de lumière rouge reçue par le capteur est directement liée à la quantité d’oxygène dans l’eau. Le signal de lumière rouge est calibré en fonction des unités d’oxygène appropriées.

Les capteurs optiques d’oxygène sont devenus la norme et sont préférés aux cellules de Clark, car ils présentent une faible dérive d’étalonnage sur le terrain, ne sont pas sensibles au débit (aucun circulateur n’est nécessaire) et ne nécessitent pas de changements difficiles de la membrane qui gênent les utilisateurs de capteurs de Clark. Le 1er juillet 2007, l’EPA a approuvé la méthode internationale D888-05 de l’ASTM, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water, pour mesurer l’oxygène dissous dans l’eau conformément à la norme 40 CFR 136, ce qui permet aux agences gouvernementales d’utiliser des capteurs d’oxygène optiques.

La quantité d’oxygène dissous dans un lac ou une rivière, par exemple, dépend de plusieurs variables. Plus la pression barométrique est élevée, plus l’oxygène peut se dissoudre dans l’eau. Plus la température de l’eau est élevée, moins l’oxygène peut se dissoudre dans l’eau.

Si l’eau a absorbé autant d’oxygène que possible pour une combinaison particulière de température et de pression barométrique, on dit que l’eau est saturée en oxygène. Si, en moyenne, aucun oxygène n’entre dans l’eau ou n’en sort, on dit que l’oxygène de l’eau est en équilibre avec l’oxygène de l’atmosphère.

L’oxygène dissous (OD) est généralement indiqué en deux unités. La concentration d’OD est le poids de l’oxygène dissous dans l’eau et est exprimée en mg/l ou ppm. Le pourcentage de saturation de l’OD est le rapport entre l’oxygène présent dans l’eau et la quantité maximale d’oxygène pouvant se dissoudre dans un échantillon d’eau dans les mêmes conditions ; il est exprimé en % de saturation.

Les anciens capteurs Clark Cell étaient traditionnellement calibrés dans de l’air saturé d’eau, mais le calibrage dans de l’eau saturée d’air est de plus en plus populaire. Pour ce faire, on agite un demi-litre d’eau dans un récipient d’un litre pendant une minute, puis on attend une minute pour que les bulles remontent à la surface et disparaissent. Le capteur d’oxygène est immergé dans cette eau et a le temps de se stabiliser. Connaissant la température de l’eau et la pression barométrique, l’instrument peut déterminer le niveau d’oxygène dans l’eau, car il sait que l’eau est saturée en oxygène. L’instrument règle la lecture du capteur d’oxygène en conséquence.