La colorimétrie est une méthode d'analyse relativement jeune. Elle se décline en papiers réactifs, en mesures visuelles ou, avec plus de précision par photométrie. Très polyvalente, elle convient à des mesures ponctuelles, sur site, en ligne et en laboratoire. Eaux de surface, résiduaires, industrielles, de procédés, agroalimentaire, pisciculture, agriculture,? la colorimétrie est partout. Méthode rapide, très sensible, elle a l'avantage d'un coût relativement modique et d'une grande simplicité.
La couleur est une notion largement accessible à tout le monde, du moins à toute personne n’ayant pas de problème de perception des couleurs. C’est sans doute ce qui a poussé à la création des premiers papiers réactifs vis-à-vis de l'acidité d’une solution, le fameux papier pH, dont Macherey-Nagel a été précurseur. Un produit vénérable qui garde toute sa pertinence aujourd’hui lorsque l'on veut connaître très vite et à peu de frais l'acidité d'une eau. L'idée s'est étendue rapidement à d'autres molécules chimiques et paramètres que l’acidité. On trouve aujourd’hui des papiers et bandelettes pour une large palette de substances grâce à la mise au point de systèmes réactifs spécifiques de la substance recherchée.
Le papier reste un milieu réactionnel limité. D’où la création des comparateurs de couleurs : dans un récipient calibré (tube ou cuve), le liquide à analyser est additionné
d’un réactif donnant une couleur spécifique, comparée visuellement à une échelle étalon. On obtient une valeur approximative de concentration (entre deux valeurs étalon) parfois avec une très grande sensibilité : quelques microgrammes/litre. Le développement des connaissances scientifiques, le besoin de précision et de reproductibilité (s’affranchir de l’œil) dans les mesures ont conduit aux photomètres et spectrophotomètres mesurant de manière objective, à une certaine longueur d’onde, l’atténuation de lumière, représentative de la concentration de l’espèce colorée, et par suite de l’espèce chimique analysée.
La colorimétrie offre donc des possibilités d’analyses qualitatives (détection) et quantitatives par “intensité” de la couleur obtenue. Palette de moyens et de prix : « une bandelette coûte quelques centimes d’euros, un test visuel de 0,20 à 0,30 €, un tube test pour photomètre environ 2 € » explique Jérôme Porquez de Macherey-Nagel. Luc Derreumaux de Cifec précise : « Dans le cas du chlore, un comprimé de réactif pour une analyse coûte environ 0,50 € alors qu’une électrode jetable coûtera 10 € ». Les applications sont multiples : de la détection rapide d’un polluant ou d’une concentration approximative de l’espèce recherchée (être en dessous ou au dessus de xx) jusqu’à de la mesure en ligne dans des stations d’alerte ou sur des sites industriels. Toutes ces possibilités d’analyse par colorimétrie cohabitent car elles répondent à des besoins spécifiques ; parfois vitaux : Macherey-Nagel a développé une bandelette spécifique de l’arsenic pour tester l’eau des puits en Afrique et en Inde (Quantofix Arsenic 10).
Simplicité mais rigueur d’utilisation
La mise en œuvre de ces méthodes colorimétriques est simple : tremper une bandelette ou pipeter un prélèvement dans un tube. Encore faut-il bien respecter les modes d’emploi et avoir en tête quelques principes de base. La couleur se développe par réaction entre deux espèces chimiques, le “colorant” et la substance recherchée. N’y a-t-il qu’une seule espèce chimique réagissant avec le colorant en question ? C’est tout le problème des interférences. Il faut donc s’assurer que le milieu analysé ne contient pas de substances interférentes, altérant la réaction avec pour conséquence un résultat erroné. Ceci est valable pour toutes les méthodes : papiers, bandelettes et liquides. Le problème est étudié par les fabricants de réactifs qui signalent ces interférences possibles et s’efforcent de trouver des réactifs sélectifs et des protocoles adéquats (préparation d’échantillon). Les spectrophotomètres Pharo de Merck possèdent par exemple un programme intégré d’assurance qualité analytique permettant de mettre en évidence les interférences possibles. Autre impératif, avec les analyses en milieu liquide, attendre que la couleur soit totale-
Basés sur une mesure colorimétrique et pilotés par microprocesseur, les photomètres 7100 et 7500 d’Itzitec sont dotés d’un microprocesseur puissant, d’un large écran LCD pour indiquer les résultats directement en concentration mg/l ou mmol/l. Leurs points forts : le prix, l’étanchéité et leur simplicité d’utilisation.
C'est une affaire de temps, et aussi de température : à froid les réactions sont plus lentes. Pour les déterminations avec un photomètre ou un spectrophotomètre, la mesure repose sur la loi de Beer-Lambert qui dit que l’absorption lumineuse est proportionnelle à l’épaisseur traversée et à la concentration en substance colorée, ceci à une longueur d’onde donnée. Il ne faut pas perturber le faisceau lumineux par des matières en suspension ou des parois de tubes (cuvettes) sales. Cette loi ouvre des possibilités concernant les gammes de concentrations mesurables par le photomètre : on peut jouer sur le trajet optique dans le liquide par des cuvettes plus ou moins épaisses ou jouer sur une dilution d’échantillon pour rester dans une atténuation optimale pour le photomètre. Macherey-Nagel propose désormais un programme automatique permettant le contrôle de la turbidité engendrée par ces perturbateurs au préalable de la mesure du paramètre recherché. Cette étape nouvelle permet de fiabiliser la mesure photométrique.
Comme pour toute méthode analytique, le facteur essentiel de la qualité du résultat est la représentativité de l’échantillon. C’est particulièrement important lorsqu’on emploie les microméthodes, en fort développement depuis quelques années, surtout si l'eau analysée contient des particules. Si le prélèvement est effectué sur un liquide décanté, tout ce qui se trouve sur les particules échappera à la détermination ! Il est donc essentiel d’homogénéiser le liquide. « Sur des eaux particulièrement chargées, la microméthode avec un échantillon utilisé de 2 mL risquerait de ne pas fournir de bon résultat du fait de la représentativité insuffisante de l’échantillon. Certains laboratoires qui ont adopté largement la microméthode pour la DCO (ISO 15705 ST DCO) conservent en partie le protocole classique NF T90-101 pour ces raisons d’échantillonnage », explique Frédéric Soumet.
Avant d’opter pour telle ou telle méthode, il est essentiel de définir son besoin d’analyse en termes de paramètres analysés, dans quel type d'eau, d’urgence du résultat, de lieu d’analyse (sur le terrain ou en laboratoire), de précision souhaitée, de fréquence à laquelle on veut analyser, de traçabilité (conservation des résultats), sans oublier le coût de l'analyse en investissement initial (appareil) et de fonctionnement (réactifs). La finalité de la mesure est tout aussi importante. Lorsqu'il s’agit de mesures liées à des obligations réglementaires (rejets notamment), des méthodes normalisées sont prescrites, parmi lesquelles des méthodes colorimétriques. Dans le cadre de l'autosurveillance, le choix de la méthode est conditionné à la fiabilité de la méthode pour le paramètre visé. La colorimétrie sur le terrain est parfois la seule possibilité pour des raisons d’évolution rapide de l’échantillon rendant l'analyse différée en laboratoire caduque (espèces volatiles ou très réactives). Du cahier des charges d’analyses émergera le choix.
Pour les applications sur site, HANNA Instruments est encore allé plus loin. Le fabricant a développé une gamme de photomètres portatifs étanches disposant d'un dispositif permettant le contrôle rapide et fiable – même sur le terrain – de l’exactitude de mesure des instruments. L’utilisateur peut étalonner son photomètre lorsque les valeurs indiquées au cours de la validation sont insatisfaisantes. La procédure est facile et vite réalisée.
Toutes les eaux peuvent faire l'objet d'une analyse colorimétrique : ressources en eau potable, eau en cours de potabilisation, eaux usées domestiques et industrielles, eaux de ruissellement, eaux de procédés et même milieux réactionnels comme les bains de galvanoplastie. Des centaines de paramètres sont mesurables par colori-
métrie, comme indiqué par les catalogues des fournisseurs. Pour les analyses de routine, la colorimétrie, par sa simplicité, est une méthode de choix que les fabricants font progresser sans cesse. Les principaux paramètres sur l'eau, DCO, chlore, phosphates, ammonium, fer, manganèse, aluminium, silice (eaux ultrapures pour chaudières) etc. sont mesurés par colorimétrie. En nombre d’analyses, le paramètre le plus surveillé est le chlore notamment dans les piscines et simultanément le pH.
Pour ces mesures, les comparateurs font l'affaire même s’il existe des photomètres dédiés ; l’électronique facilite la mémorisation des mesures et leur transfert pour archivage. Pour l’analyse de chlore libre, la méthode DPD (N-N diéthyl-p-phénylènediamine) avec un réactif liquide ou sous forme de comprimé est devenue une norme. Pour le bioxyde de chlore, Cifec utilise une méthode originale à l’amarante (brevet Atochem) qui fournit une précision élevée même à très faible concentration résiduelle : gamme de mesure de 0,002 à 1,42 mg/l en ClO₂. Hach-Lange propose également une méthode basée sur l’amarante. Un exemple de la sensibilité des méthodes colorimétriques, même sur le terrain.
Stabilité des réactifs : en net progrès
Un défi vis-à-vis des réactifs est leur durée de conservation. Pour les analyseurs en ligne c'est un facteur limitant de leur autonomie, problème important pour les analyseurs de terrain isolés. L’autre paramètre limitant l'autonomie est la consommation de réactifs pour chaque analyse. De gros progrès ont été réalisés en matière de stabilité des réactifs et de volume consommé à chaque analyse pour accroître l’autonomie. « On atteint aujourd’hui les 3 mois d’autonomie » affirme Clément Schambel, gérant de Mesuréo. Cette société a développé en 2009 un analyseur colorimétrique en ligne.
DCO : la photométrie s’impose
Depuis l’arrêté du 21 décembre 2007 « relatif aux modalités d’établissement des redevances pour pollution de l'eau et pour modernisation des réseaux de collecte » la détermination de la DCO, lorsque sa valeur est inférieure à 30 mg/L, est effectuée uniquement avec la norme ISO 15705. Cette méthode prouve ainsi son efficacité face à la traditionnelle méthode selon la norme NF T90-101. Cette méthode est dite ST-DCO car elle est réalisée en un seul tube (sealed tube) fermé utilisé aussi pour la lecture photométrique (après développement complet de la couleur et refroidissement). Cette méthode ISO existe depuis 2002, mais n’avait pas été retenue en France.
La DCO, demande chimique en oxygène, exprime le caractère oxydable des matières (principalement composés carbonés) contenues dans l’eau ; c’est un paramètre d’évaluation de la pollution des eaux rejetées. Pour estimer cette quantité on fait appel à une réaction d’oxydation par le bichromate de potassium en milieu sulfurique concentré et chaud pendant deux heures (temps fonction de la température effective) ; les constructeurs ont développé des appareils spécifiques (bloc chauffant) pour réaliser la réaction à la température et pendant le temps voulu. Connaissant la quantité initiale de bichromate et celle restante par photométrie, on en déduit la DCO. Les ions chlorures interfèrent à partir d'une certaine concentration.
Avec cette méthode les manipulations de produits sont réduites au minimum (introduire la prise d’essai dans le tube), le reste se passe dans le tube fermé. L’analyse est automatisable. La quantité de réactif est réduite, environ 10 fois moins qu’avec la méthode classique.
Hach Lange a créé 2 kits spéciaux de DCO LCI 500 (gamme 0-150 mg/L) et LCI 400 (gamme 0-1000 mg/L), indiquant que ce sont les seuls kits conformes à l’ISO 15705 (notamment respect des concentrations). De son côté Macherey-Nagel indique que depuis 2003 quatre kits DCO sur huit disponibles sont déjà certifiés conformes à l’arrêté de 2007. Les deux sociétés revendiquent leurs fournitures à des laboratoires certifiés Cofrac pour ces analyses. La colorimétrie est aussi très concurrentielle. HANNA instruments propose également 3 catégories de réactifs DCO se déclinant en 3 gammes aux normes ISO et EPA, ainsi qu’une méthode sans mercure moins polluante.
CA71AM
Envirolyser. En avril, un tel appareil a été installé pour la détermination du manganèse et l’optimisation du traitement au permanganate dans une usine de potabilisation des eaux de la région Centre. La société a installé d’autres analyseurs en industrie métallurgique pour la surveillance et l’optimisation de la station d’épuration (chrome, nitrites et nitrates, phosphore et azote).
De son côté, Seres Environnement a toujours adapté, sur la base les méthodes de mesure (pour la plupart normalisées) utilisées par les laboratoires dans sa gamme d'analyseurs en ligne et bien évidemment la colorimétrie. Pour contrôler la qualité de l’eau dans des applications aussi diverses que les stations d’eau potable, les stations de traitement de rejets urbains et industriels, les eaux de surfaces ainsi que les eaux de procédés, il est bien sûr essentiel de prendre en compte l’échantillonnage (représentativité, éventuels interférents, filtration, …) et la méthode de mesure. La colorimétrie continue de faire ses preuves dans ce domaine grâce notamment aux apports de la technologie.
D’autres critères se révèlent également d’importance pour les utilisateurs et les fabricants : convivialité et performance, limitation des coûts d’acquisition et de fonctionnement (appareils, réactifs, maintenance) ainsi que des consommations, sans oublier le recyclage de réactifs.
Tels ont été les axes de développement du Cristal®, nouvelle génération de colorimètres de Seres Environnement. L’électronique et l’hydraulique ont été repensés : interface tactile, supervision, routage des informations, traitement des données (mesure, calibration, etc.) souple, fiable et performant, configuration de l'appareil et de la mesure, standardisation des micropompes, nouvelle cuve de mesure réduite avec nettoyage automatique et chauffe si nécessaire, calibration per, analyses multivoies et/ou multi-paramètres.
Swan propose de son côté une gamme très large permettant de répondre à la plupart des besoins pour un contrôle et une régulation sûrs et précis des teneurs. Car au-delà de la simple fourniture d’appareils de mesure, Swan a la capacité de s’adapter aux besoins des exploitants pour leur offrir des solutions complètes, étudiées au cas par cas, pour un suivi en continu et une vision en temps réel du process optimisant ainsi sa régulation. Swan propose des équipements types systèmes microprocesseurs de contrôle automatique et continu, photomètres en ligne, instruments de mesure électroniques pour l’analyse des teneurs souhaitées : ammonium, chlore/ozone/ClO₂, conductivité/résistivité, hydrazine/carbohydrazine, nitrate, oxygène, pH, phosphate, redox (ORP), silice, sodium, turbidité. Ses modules d’analyse sont montés sur panneaux standardisés puis testés en laboratoires sur bancs d’essais réduisant ainsi les risques et les coûts.
L’avantage des analyseurs en ligne, souligné par Christophe Vajsse d’Anael est la
Pour assurer une qualité de mesure optimale et stable sur ses colorimètres Sentinel, Anael réalise la mesure d’absorbance via des fibres optiques à deux longueurs d’ondes distinctes simultanément, ainsi qu’un blanc avant l’addition du complexant. Ainsi, la première longueur d’onde sera utilisée pour la mesure de couleur formée par la réaction de complexation et la seconde longueur d’onde servira de référence en dehors du spectre visible (> 800 nm). En effet, au-delà de 800 nm, l’absorbance mesurée servira à compenser la présence éventuelle de particules en suspension. La prise en compte du blanc avant l’ajout des réactifs (toujours à deux longueurs d’ondes) permettra de s’affranchir de la coloration naturelle et des particules de l’effluent. Sur station d’épuration urbaine, industrielle ou sur fluide process, cela s’avère déterminant.
Clément Schambel met l’accent sur un facteur important en colorimétrie : la température. En effet la mesure photométrique ne doit être faite que lorsque la coloration s’est complètement développée, souvent dix à quinze minutes sur les analyseurs en ligne. On ne pourra pas faire d’analyses à un rythme supérieur au temps nécessaire à la réaction. Si le besoin de données est plus rapide, voire continu, il faut envisager d’autres méthodes (spectrométriques, par exemple, si l’espèce s’y prête). L’alternance jour/nuit engendre des variations de température. « Pour s’affranchir de cela, nous climatisons les caissons, ainsi toutes les réactions sont menées dans les mêmes conditions ». Chez Anael, les analyseurs n’ont pas besoin d’être climatisés car chaque bloc détecteur + filtre interférentiel est thermostaté à une température élevée afin de s’affranchir des variations de température du liquide ou jour/nuit.
Luc Derreumaux insiste sur l’importance de la température à respecter pour avoir un résultat valable. « En agroalimentaire, il y a souvent des eaux froides, il faut être vigilant sur la température pour ne pas faire d’erreur ». Les variations de température ont un effet indirect : la condensation sur la paroi du tube ou sur le filtre interférentiel, ce qui perturbe le faisceau lumineux, sans oublier les inconvénients génériques de corrosion. D’où l’importance de l’étanchéité générale de l’appareil (IP 67), surtout pour les mesures sur le terrain !
Photomètres et spectrophotomètres : une offre élargie
Concernant les photomètres et spectrophotomètres (ces derniers utilisés en laboratoire), les constructeurs tels qu’Endress+Hauser, Hach Lange, Macherey-Nagel, Merck, Hanna Instruments, Cifec, Swan, Aqualyse, Anael, Horiba Sigrist Photometer, Seres Environnement, Foss France ou Proanatec proposent une large gamme : de l’appareil dédié monocouleur au spectrophotomètre de laboratoire totalement polyvalent. Ils contiennent des programmes spécifiques pour les différents composés mesurés ; Hach-Lange et Macherey-Nagel proposent la mise à jour des programmes par téléchargement dans un souci de prolonger la durée de vie des équipements. L’offre en photomètres, mono et multiparamètres, est abondante sur le marché. La différence se fera sur la commodité d’emploi et les coûts d’exploitation, particulièrement les réactifs.
Foss France
L’analyseur Foss FIA 5000 de Foss France est un colorimètre automatique basé sur la technique FIA (Flow Injection Analysis). Il permet la détermination, en moins d’une minute, de un à trois paramètres en simultané selon les méthodes officielles (ISO/EN/NF). En manuel, ou doté d’un passeur automatique, il s’adapte aux stations de traitement des eaux ou aux laboratoires prestataires.
Ces dernières années ont été marquées par le regroupement des laboratoires d’analyses ; la concentration sur quelques sites a pour effet de multiplier le nombre d’analyses de routine. « Le marché de l’analyse cherche aujourd’hui à réaliser des analyses à moindre coût et s’oriente vers des mesures en UV ou en ionométrie afin de limiter les coûts réactifs. Ces principes d’analyses ne peuvent répondre à l'ensemble des paramètres sollicités. La colorimétrie reste pour de nombreux paramètres, le seul moyen d’analyse et surtout le plus précis lorsque nous souhaitons mesurer de faibles teneurs » explique Hervé Ozouf, Responsable Produit chez Axflow.
La société Axflow utilise la colorimétrie dans un grand nombre de ses matériels d’analyse. Du laboratoire, avec les analyseurs de flux continu segmenté et les analyseurs séquentiels de Seal Analytical (anciennement Technicon), au milieu industriel avec les analyseurs en ligne de la gamme Powermon de Bran+Luebbe, la colorimétrie est présente afin de réaliser un suivi analytique de précision. L’analyseur séquentiel AQ2+ d’Axflow automatise les méthodes colorimétriques de façon simple et rapide. Il permet l’analyse automatique d'un simple échantillon ou d'une série, sur plusieurs paramètres. Avec moins de 800 µl de réactifs utilisés par échantillon, le coût analytique avec ce type d’analyseur est faible et les rejets pour l'environnement réduits.
« Pour baisser les coûts, les méthodes colorimétriques se sont robotisées et ce d'autant plus facilement avec les microméthodes où le tube scellé contient tous les réactifs nécessaires à la réaction et fait office de cuve de mesure. Nous avons développé le robot de laboratoire AP 3800, couplable au spectrophotomètre DR 3800 SC. Ce dernier peut recevoir les résultats d'analyses en ligne d’un procédé pour comparer facilement les mesures sur le même appareil » explique Frédéric Soumet de Hach Lange.
Devenir moins polluant
La colorimétrie, méthode chimique par excellence, n’a pas de souci “électriques” (il faut tout de même des accus pour les photomètres de terrain) mais on lui reproche précisément la consommation de produits chimiques et les rejets suite à analyse. Il n'y a pas que le colorant en cause ; pour s’affranchir des interférences, mettre la prise d’essai dans les bonnes conditions, les réactifs utilisés contiennent (selon l’analyse), des solutions tampons, des acides, des séquestrants etc. Certaines analyses comme la DCO nécessitent une préparation avec chauffage en présence de réactifs comme l'argent, le mercure. Que fait-on des solutions après analyse et plus généralement des consommables inhérents à ce type d’analyse ? « Depuis quelques années la demande évolue. Si les clients sont demandeurs d’amélioration de la précision des analyses, ils sont aussi sensibles aux aspects environnementaux de leur activité » affirme Frédéric Soumet de Hach Lange.
Un mouvement déjà ancien en Allemagne comme le confirme Jérôme Porquez de Macherey-Nagel. « Nous avons une gamme Visocolor Eco depuis une dizaine d'années. Les réactifs utilisés ne sont pas toxiques, ce qui est important pour le manipulateur des kits, mais aussi au niveau des rejets ». La société met aussi l'accent sur l’évolutivité de ses appareils, la possibilité de recharge de réactifs (on peut se resservir des seringues, flacons etc.) donc la moindre production de déchets ; même les conditionnements Styrobox sont “verts” car moussés sans CFC.
Les grandes sociétés se préoccupent de ces rejets. Hach Lange est allé très loin en passant un accord avec Tredi-Séché : le site de Hombourg concentre les colis de déchets (qualifiés en faible quantité, donc envoi facilité) envoyés par les clients français (environ 4000). Ils sont ensuite expédiés à Düsseldorf chez Hach Lange qui s’occupe du recyclage avec récupération du mercure, de l'argent, et valorisation des déchets de verre, des emballages.
Macherey-Nagel, qui a également développé un partenariat avec le groupe Tredi, dispose également de son propre centre agréé de traitement des déchets à Düren (Allemagne).
La société HANNA Instruments, quant à elle, opte pour le pragmatisme et la gratuité : elle propose à ses clients la prise en charge intégrale (port, traitement et recyclage) pour un retour annuel des tubes DCO usagés.
Toutes les méthodes d'analyses font des progrès. L’électrochimie, les électrodes spécifiques, la spectrométrie UV qui ne nécessitent pas de réactifs chimiques, profitent des progrès de la microélectronique et élargissent leur champ d'application. La colorimétrie n'est pas en reste. Des chimies nouvelles sont développées pour répondre à la demande des clients sur la sensibilité, le moindre impact environnemental. Dans la suite de la microméthode DCO proposée par Hach Lange, Macherey-Nagel, WTW, Merck ou Izitec, le phosphore et l’azote dans l'eau pourraient y passer aussi puisque c’est déjà une méthode reconnue en Allemagne. Des développements sont en cours sur la DBO₅, les AOX, l’oxydabilité au permanganate pour les eaux potables, également en microméthode.
