FOR 450 : Sonde mesure ampérométrique (Sonde de Clark) - Très ancienne version
Mesure de l'oxygéne dissous dans l'eau avec cellule de Clark
Ce document crée en 1995 lors de l'introduction de l'oxygène dissous dans la gamme BAMO n'est pas faux. Cependant la cellule de Clark a été détronée dans le début des années 2000 par les sondes otiques.
Le leader de l'époque, Danfoss, fut vite dépassé, vendit son activité à Hach Lange qui fit disparaître toutes les sondes installées en milieu industriel par ses sondes optiques.
Sommaire et plan de ce document
1) Description
2) Effet de la température
3) Effet de la pression
4) Effet de la salinité
5) Effet de la vitesse de passage de l’eau
6) Etalonnage
Préambule L’oxygène dissous est le facteur principal de la vie aquatique. Il en est donc aussi le facteur limitant. La mesure de la teneur en oxygène dissous d’une eau permat d’apprécier l’activité biologique qui peut exister dans cette eau, ou son degré de pollution.Différentes méthodes de mesure existent. La plus répandue est la méthode d’analyse électrochimique à l’aide des sondes polarographiques (sondes de Clark).
1) Description de la sonde clark
Deux électrodes métalliques baignent dans un électrolyte (solution aqueuse conductrice du courant électrique). La cathode est isolée de ce liquide par une gaine en verre ou en plastique. Le courant électrique ne peut ainsi passer que par l’extrémité de la cathode qui est au contact d’une membrane qui sépare l’électrolyte du milieu ambiant. Cette membrane généralement en téflon n’est perméable qu’aux gaz.
Fonctionnement:
Lorsque l’on met la sonde sous tension (on branche la sonde sur l’appareil de mesure), le courant passe de l’anode à la cathode par l’électrolyte.
Le passage du courant décompose l’eau de l’électrolyte; l’hydrogène de cette décomposition (électrolyse) va former une couche gazeuse sur l’extrémité de la cathode. Cette couche d’hydrogène isole la cathode et plus aucun courant ne passe. L’appareil indique zéro.
Si le milieu dans lequel on plonge la sonde contient de l’oxygène, ce dernier traverse la membrane poreuse aux gaz. Il se combine alors à l’hydrogène de la cathode pour former de l’eau. La surface de la cathode est alors débarassée de la couche d’hydrogène et le courant passe de nouveau.Le cicuit est fermé et l’appareil indique une valeur différente de zéro. Comme la tension mesurée est proportionnelle à la quantité d’oxygène qui a traversé la membrane, on peut graduer l’appareil directement en milligramme (mg) d’oxygène (ou %) au lieu de le graduer en millivolts.
2) Effets de la température sur la sonde et le milieu
- Sur la solubilité de l’oxygène dans l’eau: la solubilité de l’oxygène dans l’eau diminue quand la température augmente.
- Sur la porosité de la membrane en téflon: le téflon en feuilles très minces réagit fortement aux variations de température. Il se dilate ou se contracte selon que la température augmente ou diminue. Sa porosité varie de la même façon.Cette variation modifie la vitesse de passage de l’oxygène à travers la membrane et fausse la mesure. Sur la plupart des oxymètres un dispositif électronique compense automatiquement cette variation de porosité. Cependant, comme la loi qui régit cette porosité peut varier quelque peu selon les membranes on a intérêt à étalonner la sonde à une température très proche de celle de l’eau que l’on veut contrôler.
3) Effets de la pression
L’air est essentiellement composé (en volume): 79 % d’azote et 21 % d’oxygène.
La pression partielle de l’oxygène est donc de 21 % de la pression totale de mélange gazeux.Si l’on enferme de l’air dans une enceinte fermée et que l’on augmente la pression sur l’air emprisonné. On augmente d’autant la pression partielle de l’oxygène mais la quantité d’oxygène est inchangée.Il se passe la même chose dans la nature:
Mesurons l’oxygène dissous dans l’eau d’un étang. Supposons que cette eau est à 10°C et saturée de façon homogène. La sonde indique dans l’air et aussi, sous la surface de l’eau, 11,26 mg d’oxygène.
Inversement, lorsque l’on fait des mesures dans des ruisseaux ou des lacs d’altitude, la pression atmosphérique est plus faible. La teneur en oxygène indiquée par la sonde est dans ce cas inférieure à la teneur réelle et il faut majorer la lecture.
Dans les deux cas, les constructeurs fournissent avec la notice de l’appareil les tables de correction de pression.
4) Effet de la salinité de l’eau sur la solubilité de l’oxygène.
L’eau salée contient moins d’oxygène que l’eau douce (à même température). En fait le soluté NaCL chasse le soluté O2 de l’eau.
Comme on étalonne généralement les sondes de Clark dans l’air ou dans l’eau douce saturée, on doit (comme pour la pression) corriger la lecture faite en eau salée.
Si l’on ne veut pas faire de calcul de correction, il faut étalonner les sondes directement dans l’eau salée saturée
5) Effet de la vitesse de passage de l’eau devant la membrane.
La sonde consomme l’oxygène qu’elle mesure, par combinaison chimique avec l’hydrogène de la cathode. .Si l’on met la sonde dans une eau saturée au repos, on voit décroître la valeur lue en quelques secondes. Cette valeur finit par se stabiliser bien au dessous de la teneur de saturation que l’appareil devrait afficher.
En fait, la sonde a consommé l’oxygène de l’eau qui est au contact de la membrane. La loi des gaz parfaits tend à transférer l’oxygène de l’eau environnante vers l’eau appauvrie par la sonde.
Mais la vitesse de transfert de l’oxygène dans l’eau est inférieure à la vitesse de diffusion de l’oxygène à travers la membrane. Ce retard explique que la sonde indique une valeur inférieure à la teneur en O2 de l’eau environnante.
Pour compenser ce retard et afficher la teneur réelle en oxygène, il faut renouveler l’eau devant la membrane.On peut:- agiter la sonde dans l’eau- placer la sonde là où l’eau coule assez rapidement- si la vitesse de l’eau est insuffisante, on peut placer un système d’agitation autonome de la sonde.- Elaborer un profil permettant une accélération du flux
6) Etalonnage- Mise en marche de l’appareil et de la sonde
On met la sonde sous tension (on la raccorde à l’appareil).
On doit ensuite attendre que la sonde soit polarisée: c’est à dire que l’hydrogène formé s’accumule sur la cathode. Ce temps de polarisation varie de quelques dizaines de secondes à quelques dizaines de minutes.
- Etalonnage du zéro chimique Il consiste à mettre la sonde dans une eau dépourvue d’oxygène dissous pour vérifier que la sonde fonctionne bien et pour caler le zéro de l’appareil.
Mode opératoire: dans un volume d’eau propre on met une petite quantité de sulfite de sodium. Cette substance, si elle est conservée à l’abri de l’humidité, est très avide d’oxygène.La solution préparée reste dépourvue d’oxygène au moins pendant une heure. On l’appelle solution “Oxy-nul”.
On plonge la sonde dedans, de 5 à 30 mn, avant de caler l’appareil sur zéro. On rince ensuite la sonde.
- Contrôle du zéro: dans une solution saturée de sulfite de sodium, la sonde doit descendre à 0 en quelques minutes.
- Etalonnage à la saturation en oxygène Il faut d’abord préparer un échantillon d’eau saturée: on fait barboter (plus d’une demi heure) de l’air sous pression dans de l’eau fraîchement distillée. Cette aération forcée sursature l’eau. Il faut la laisser au repos, à température constante pendant 24 heures. Cette eau est juste saturée en oxygène.
Quand la sonde plongée dans cette eau s’est mise à sa température, on calibre l’appareil sur la valeur de saturation en fonction de cette température de l’eau saturée.
Les valeurs de saturation de l’eau en oxygène dissous en fonction de la température sont sur une table.
Cependant il n’y a aucune différence entre une eau saturée et l’air qui est au dessus de cette eau; ils contiennent la même proportion d’oxygène. Donc l’étalonnage de la sonde sur la valeur de saturation peut être faite dans l’air à condition de maintenir la sonde à la température de l’eau que l’on veut mesurer.
Contrôle de la saturation: la sonde rincée après la mesure en oxy-nul et laissée à l’air doit remonter régulièrement et rapidement à la valeur de saturation et se stabiliser.
LES APPLICATIONS de la mesure d'oxygéne dissous:
A) Contrôle du taux d’oxygène dissous en pisciculture
B) Contrôle et conduite des stations d'épuration biologique------------------------------------------------------
A) Contrôle du taux d’oxygène dissous en piscicultureLes raisons:
-Pour la Minimisation des risques de mort du poisson: Le manque de contrôle du taux d'oxygène est la cause la plus fréquente de la mort du poisson car en cas de concentration d'oxygène trop faible, c'est asphyxie générale et trop forte il meurt sous l'effet d'une hyper-oxygénation.
- Optimisation de la productivité des installations courantes: La meilleure méthode pour améliorer la productivité, à peu de frais, est l'utilisation de l'instrumentation permettant le contrôle du taux d'oxygène et l'oxygénation des bassins d'élevage.
- Consommation d'oxygène réduite: Le besoin réel en oxygène est fonction des paramètres suivants : - teneur en oxygène de l'eau à l'entrée ; - niveau d'activité du poisson ; - densité de la population et taille des individus ; - nourriture ou pas, métabolisme ou pas ; - présence dans les bassins d'algues, etc. consommant aussi l'oxygène.
Les besoins en oxygène sont très variables : le contrôle automatique de l'apport d'oxygène 24 heures sur 24 représente donc une économie d'oxygène substantielle. Le facteur de variation sur 24 heures du besoin d'oxygène chez le poisson varie généralement entre 2 et 2,5 ; si l'on y ajoute la variation de la teneur en oxygène des eaux d'entrée le facteur de variation de l'apport d'oxygène nécessaire est, au total, de 2 à 5.
- Potentiel digestif accru: La digestion du poisson est fonction de la concentration d'oxygène. Si le taux d'oxygène est de 5 mg/l (au lieu de 7), l'absorption intestinale (et l'appétit du poisson) est réduite de 25%. Résultat : le taux de croissance du poisson est supérieur si le taux d'oxygène est maintenu à la valeur minimale de 7 mg d'oxygène par litre d'eau.
- Frais de nourriture réduits, pollution minimisée: Si la concentration d'oxygène est de 5 mg / litre d'eau au lieu du taux optimal, l'utilisation des aliments (croissance par rapport à la quantité de nourriture) est réduite de 40 à 50 %.
Le maintien automatique du taux d'oxygène optimal signifie donc une utilisation maximale de la nourriture, ce qui signifie à son tour une réduction sensible de la pollution des bassins.- Information permanente sur l'état de l'installation.
Le contrôle continu de la concentration d'oxygène de chaque bassin constitue une source d'informations inégalable sur l'état de fonctionnement à tout moment.
L'importance de cette surveillance devient particulièrement évidente après une certaine expérience, de 1 à 2 ans par exemple.
Dans des élevages expérimentaux, il s'est avéré que certains paramètres provenant, entre autres, du contrôle d'oxygène (respiration) continu permettraient d'enregistrer à un stade précoce les symptômes de stress éventuels, de même qu'ils permettraient de calculer le taux de croissance des alevins et poissons.
B) Contrôle et conduite des stations d'épuration biologique
A compléterConclusions Il y a donc tout lieu d'établir une instrumentation fiable, stable et performante qui possède, entre autres, les propriétés suivantes :
- facilité d'utilisation ;
- facilité d'entretien ;
- entretien minime ;
- système d'alarme intégré ;
- stabilité durable ;
- fonctionnement simple ne demandant aucune formation professionnelle spéciale
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