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Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102)
Edition 2014


Lab-on-Ship


Système « Lab-On-Valve » pour la mesure embarquée de métaux lourds

Système d’analyse automatisé pour la mesure de métaux lourds dans les eaux
Développement d’un système d’analyse modulaire, à haute performance, déployable sur site pour la détermination du cadmium, de mercure et du plomb lors de grandes campagnes d’analyses, notamment en mer.

Outil analytique automatisé pour la surveillance de l’environnement
L’Union Européenne a défini ces dernières années une série de mesures pour le maintien ou l'atteinte du bon état chimique et écologique des eaux continentales et marines. On peut citer notamment la Directive Cadre sur l’Eau et la Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (Directive 2000/60/CE et Directive 2008/56/CE). Pour évaluer l’état des eaux continentales et marines, les directives utilisent les concepts de normes de qualité environnementale (NQE) pour les substances présentant un risque significatif pour l’environnement aquatique. Parmi les substances polluantes concernées par la DCE (décision 2455/2001/CE), les métaux toxiques tels que le cadmium, le mercure et le plomb, et leurs composés, sont répertoriés pour action prioritaire. Leurs NQE sont comprises entre 0,05 et 7 µg/L, ce sont donc des éléments qui même à très faible concentration présentent un risque pour l’environnement.
Le projet Lab-on-Ship a pour objectif global de permettre une mesure précise, rapide et sensible sur site de ces trois métaux toxiques à l’aide d’un dispositif facilement transportable. Plus précisément, ce dispositif sera développé sous la forme d’un système « lab-on-valve », permettant la quantification des 3 métaux de manière séquentielle. Le défi primordial est de répondre aux besoins en sélectivité et sensibilité requis pour l’analyse des métaux traces dans l’environnement.

Impression de vannes laboratoires et modules en flux en 3D
Le système d’analyse développé sera basé sur un protocole comprenant une étape d’extraction des métaux sur une phase solide sélective (SPE), suivie d’une détection de chaque métal par absorptiométrie ou fluorescence après dérivation à l’aide d’un réactif spécifiquement formulé pour chacun. Le système lab-on-valve devra donc intégrer différents modules pour le pré-traitement de l’échantillon (photo-oxydation), la préconcentration des métaux cibles, la dérivation de ces métaux et la détection des complexes métalliques formés. Le système sera conçu en partie à l’aide d’outils de prototypage rapide par impression 3D.
Le développement du système repose sur la conception de différents modules :
- Extraction sur phase solide à partir de polymères à empreinte ionique (IIP) spécifiquement synthétisés pour les 3 métaux ciblés. Ces IIP seront utilisés pour constituer une microcolonne renouvelable dans le système automatisé.
- Photo-oxydation des échantillons par LEDs UV pour la libération des métaux.
- Conception des modules en flux par impression 3D (photolithographie).
- Déploiement sur site du système automatisé développé lors de campagnes en mer menées par l’IFREMER.

Résultats

Un polymère à empreinte ionique (IIP) pour l’extraction du cadmium a été préparé par la méthode dite du piégeage à partir du Cadion. Cependant, après polymérisation, le Cadion piégé dans la matrice polymère est au moins partiellement relargué lors des étapes de lavage du cadmium. D'autre part, le procédé de synthèse (polymérisation par précipitation) utilisé a permis d’obtenir des billes de polymères de petite taille (de l’ordre de 2 à 10 µm environ). Cette taille est trop faible pour l’utilisation future des IIPs dans un système en flux. Les prochains IIP seront donc synthétisés par copolymérisation à la surface de particules de silice de diamètre compris entre 40 et 75 µm.
Un module de photo-oxydation UV en flux a été développé pour permettre la libération des métaux complexés par la matière organique naturelle d’un échantillon. Les travaux ont été réalisés en simulant la complexation du cadmium par de l’EDTA ou des substances humiques. Des essais préliminaires de photo-oxydation par une lampe UV classique (vapeur de mercure basse pression 15W) ont permis de libérer les métaux en quelques minutes en présence d’un oxydant (persulfate de sodium), quel que soit le pH ou la salinité de l’échantillon. La lampe UV doit par la suite être remplacée par des LEDs-UV.

Perspectives

Le projet devrait à terme démontrer la possibilité de concevoir des systèmes automatisés d’analyses à bas coûts. L’utilisation de l’impression 3D peut notamment permettre de diminuer les coûts de conception et de fabrication d’analyseurs en ligne. Dans le cadre de ce projet, un prototype de laboratoire sera développé et des contacts seront pris avec des industriels en vue du développement ultérieur d’un prototype industriel. Ce type d’analyseur en ligne, compact et transportable, pourra permettre de mener à bien des campagnes de surveillance de l’environnement dans différents milieux aquatiques : eaux marines et côtières, estuaires, lacs… Couplé à un système GPS, l’analyseur pourrait alors dresser quasiment en temps réel une carte de qualité des eaux beaucoup plus précise et plus rapidement que dans le cas d’une campagne de prélèvements avec analyse en laboratoire.

Productions scientifiques et brevets

Congrès ICFIA 2016 Palma de Mallorca (Espagne) en préparation.

Partenaires

IFREMER Laboratoire Biogéochimie des Contaminants Métalliques

AMU Laboratoire de Chimie de l'Environnement

UTLN Laboratoire MAtériaux Polymères Interfaces Environnement Marin

Aide de l'ANR 426 591 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

Afin de réduire considérablement la pollution des eaux marines et continentales, l'Union Européenne a pris une série de mesures (DCE, Directive 2000/60/EC et DCSMM, Directive 2008/56/EC). Dans ce cadre réglementaire, une liste de substances prioritaires a été établie parmi celles présentant un risque significatif pour l'environnement aquatique. Parmi les 33 substances prioritaires concernés par la DCE, les métaux toxiques tels que Cd, Pb, Hg et leurs composés sont répertoriés comme "substance prioritaire".

Il existe très peu d'instruments permettant de procéder à des analyses chimiques directement sur site dans de grands écosystèmes aquatiques comme les estuaires et les milieux marins. Bien que certains capteurs électrochimiques ou optiques soient largement utilisés dans ce contexte pour mesurer des paramètres physico-chimiques, il n'existe pas de système d'analyse pour la mesure en ligne sur le terrain simultanément de métaux toxiques tels que Cd , Pb et Hg.

Le projet Lab-on-Ship vise à la préservation des ressources aquatiques naturelles par le développement d'un instrument facilement déployable sur site afin de déterminer à moindre coût et avec précision les niveaux de contamination environnementale par les métaux toxiques. Parmi toutes les substances concernées par les directives, nous avons choisi celles qui présentent une forte toxicité à faible concentration: Cd, Pb, et Hg.
Les objectifs du projet Lab-on-Ship sont de développer un système d'analyse modulaire, à haute performance et déployable sur site en développant un système de Laboratoire-sur-Vanne (Lab On Valve - LOV) combiné avec un système en flux de micropompes solénoïdes (MultiPumping Flow System - MPFS). Ce système d'analyse sera basé sur des modules miniaturisés directement intégrés dans une vanne laboratoire imprimée en 3D et qui comprendra toutes les étapes de pré-traitement de l'échantillon. Le système LOV-MPFS sera validé par son déploiement d'une manière progressive et interactive afin de i ) valider ses performances analytiques en laboratoire et évaluer l'applicabilité à l'analyse d'échantillons réels et ii ) déployer le système sur site pendant des campagnes de terrain.

Dans ce projet, la sélectivité et la sensibilité seront des paramètres primordiaux. Pour atteindre la sélectivité et la sensibilité nécessaires pour de tels systèmes d'analyse, le système LOV-MPFS sera développé sur la base d'une extraction en phase solide sélective (SPE) de Cd, Pb et Hg, suivie d'une détection de chaque métal par absorptiométrie après dérivation par un réactif spécialement formulé pour chacun. La sélectivité est actuellement un problème lors des étapes de préconcentration des métaux, et elle est difficile à atteindre avec les matériaux généralement utilisés (échange d'ions ou chelation). Dans ce projet, l'étape d'extraction en phase solide sera réalisée par des polymères à empreintes ioniques (IIP) qui présentent des propriétés de reconnaissance remarquables pour l'ion cible utilisé lors de leur synthèse. D'autre part, dans les échantillons environnementaux, une fraction importante des métaux est complexée par des ligands naturels ou anthropiques. Pour la détermination des métaux totaux dissous, il est donc nécessaire de libérer le métal avant l'analyse. Cette étape de pré-traitement sera effectuée par un procédé de photo-oxydation par des DELs UV-C qui remplaceront les lampes à vapeur de mercure ou les procédés couplant UV/persulfate classiquement utilisés.

La dernière phase de ce projet sera de valider le système analytique développé par un déploiement sur le terrain dans des environnements où les directives doivent être mis en œuvre. Lors de cette opération, les données obtenues par cette méthode automatisée sera comparée aux données obtenues par les méthodes de référence. Cela permettra de vérifier que le projet aura atteint ses objectifs scientifiques et techniques et permettra de passer à une étape ultérieure de normalisation et/ou de prototypage industriel.

 

Programme ANR : Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102) 2014

Référence projet : ANR-14-CE04-0004

Coordinateur du projet :
Monsieur Bruno COULOMB (Laboratoire de Chimie de l'Environnement)

Site internet du projet : http://lce.univ-amu.fr/lab-on-ship/

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.