Capteurs d’oxygène dissous : Surveillance de la qualité de l’eau

Qu’est-ce que l’oxygène dissous ?

L’eau liquide est une matrice lâche de molécules d’eau. Si de l’eau dépourvue d’oxygène entre en contact avec une source d’oxygène, telle que l’atmosphère, l’oxygène se déplace lentement dans les interstices de la matrice des molécules d’eau. Cet oxygène est appelé oxygène dissous (OD) ; c’est la même chose que la dissolution du sel de table dans l’eau. L’oxygène dissous dans l’eau provient de l’atmosphère et/ou des organismes photosynthétiques (algues) présents dans l’eau.

Pourquoi voudrais-je mesurer l’oxygène dissous ?

Comme les humains, les poissons et autres animaux aquatiques doivent respirer de l’oxygène pour vivre, et ils sont adaptés pour respirer l’oxygène dissous dans l’eau plutôt que l’oxygène présent dans l’atmosphère. Les poissons de chasse, comme la truite, ont besoin de niveaux élevés d’OD ; les poissons grossiers, comme la carpe, peuvent vivre avec des niveaux d’OD plus faibles. La mort des poissons est souvent causée par de faibles niveaux d’OD, qui sont souvent déclenchés, ironiquement, par la décomposition des algues qui ajoutaient de l’oxygène à l’eau avant la mort.

L’OD influence également la chimie de base de l’eau. Les eaux fortement oxygénées favorisent la forme oxydée des produits chimiques ; les eaux faiblement oxygénées favorisent la forme réduite des produits chimiques. Par exemple, les eaux oxygénées favorisent le soufre sous forme de sulfate, SO4, tandis que les eaux désoxygénées favorisent le soufre sous forme de sulfure d’hydrogène (H2S). Le sulfate est une substance bénigne, mais le sulfure d’hydrogène est un poison.

Les niveaux d’OD proches de zéro se trouvent souvent dans les sédiments accumulés au fond d’une masse d’eau. Ce milieu chimiquement réducteur contribue à fixer les nutriments et les métaux dans les sédiments.

Les changements dans les tendances à long terme de l’OD peuvent signaler la nécessité d’une étude chimique plus détaillée de l’eau et de ses sources de contamination.

Comment mesure-t-on l’OD (oxygène dissous) ?

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.