Projet ANR-11-EMMA-0049 – SApHIRE : Système d’Analyse de pH Innovant pour la Ressource en Eau
Programme : Emergence de produits, technologies, ou services à fort potentiel de valorisation (Emergence)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Marie-Odile MONOD (CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE, DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORETS - CEMAGREF ANTONY)
Partenaires : Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture; Cemagref UR-TSCF CENTRE NATIONAL DU MACHINISME AGRICOLE, DU GENIE RURAL, DES EAUX ET DES FORETS - CEMAGREF ANTONY; Laboratoire national de métrologie et d'essais
Montant : 262734.0 euros
Durée : 24 mois
Résumé : Un nouveau capteur de pH pour les eaux naturellesLa qualité de l’eau s’apprécie par de nombreux paramètres physico-chimiques parmi lesquels le pH est l’un des plus utilisés. Des innovations techniques permettant de diminuer le coût et l'entretien de ces systèmes de mesure sont attendues afin d'améliorer le suivi de la qualité des eaux depuis leur prélèvement jusqu’à leur rejet dans les écosystèmes aquatiques.
Améliorer la qualité de l’eau de consommation et celle des milieux aquatiquesLa Directive Cadre Européenne de 2000 et la loi sur l’eau de 2006 ont établi un cadre pour la protection de la ressource en eau. Elles prévoient la nécessité d’une auto-surveillance et la mise en place de contrôles réguliers sur les eaux des milieux naturels, le eaux de consommation et les eaux de rejet afin d’évaluer l’impact des activités humaines et protéger les milieux aquatiques.Cet objectif ne peut être atteint que par le déploiement de capteurs nombreux, peu coûteux, fiables et d’entretien réduit. Parmi les paramètres clés indicateurs de la qualité de l'eau les plus souvent mesurés, se trouvent le pH et la conductivité. C'est dans ce contexte que le projet SapHire se propose de développer un nouveau capteur combinant conductivité et pH qui réponde à ces attentes. L'objectif est la mise au point d'une technologie qui réduise le coût du capteur, augmente sa longévité et diminue les coûts d’intervention.  Au final, la densité de capteurs sur les sites sensibles pourra être augmentée afin d'assurer un meilleur suivi de la ressource et un diagnostic précoce des pollutions.
Un nouveau matériau, un nouveau concept pour la mesure du pHLes analyses de pH concernent des eaux très variées dans leur composition : de l’eau la plus pure jusqu’aux eaux de rejets industriels, en passant par les eaux de surface et les eaux de consommation.Les deux aspects traités dans le projet, à savoir la méthode de mesure et la technologie des électrodes, devront permettre d’aboutir à un capteur qui couvre l’ensemble de ces applications.Le concept proposé dans le projet est en rupture avec la méthode de mesure traditionnelle du pH qui emploie la potentiométrie et des membranes sensibles aux ions H+. Il s’appuie sur un modèle décrivant les propriétés physiques de l’interface eau-électrodes. La méthode permettra d’utiliser de simples électrodes conductrices. Pour couvrir la gamme de pH et de conductivité des eaux naturelles, de nouveaux matériaux conducteurs seront également explorés.
Résumé de la soumission : Le suivi qualitatif de la ressource en eau passe par la mesure de nombreux paramètres, parmi lesquels la conductivité, la température et le pH sont parmi les plus utilisés. Le projet SApHIRE propose de montrer le potentiel d’application industrielle d’un nouveau capteur de pH pour l’eau, basé sur une mesure de concentration en ions H3O+. Ce concept diffère totalement du principe conventionnel qui mesure l’activité de l’ion H3O+. Le dispositif, qui n’emploie pas d’électrode à membrane sensible et ne nécessite aucun étalonnage, apporte des avantages décisifs par rapport à l’offre existante. Le premier objectif du projet sera de valider la mesure en concentration fournie par le capteur par rapport à la mesure de référence en activité. Le second objectif sera l’intégration du capteur, puis sa validation. Accompagnés par la structure de valorisation qui pilotera l’étude de marché, les résultats attendus permettront d’envisager selon le cas, soit des cessions de licence de brevet vers des entreprises du secteur de l’analyse de l’eau, soit la création d’une entreprise.
Résultats : Un nouveau matériau issu de la famille des polymères organiques conducteurs (POC) a été mis au point par synthèse électrochimique du Polypyrrole (PPy). Le nouveau matériau qui présente une structure micrométrique en forme de micro-escargots (micro-snails) a été caractérisé au microscope à balayage électronique. La synthèse du PPy, facile à réaliser, permet notamment de développer des matériaux hautement sensibles aux ions H+.  C’est le cas de ce nouveau matériau, à base de « micro-snails » qui pourra être utilisé dans des sondes de pH bas coût.  Par ailleurs, une nouvelle approche basée sur la physique de l’interface eau-électrodes a été développée. Elle permet de calculer simultanément la concentration en ions H+ et la conductivité de l’eau. Elle a été testée sur différentes géométries d’électrodes comportant des revêtements divers (carbone, or, platine, acier), notamment des électrodes planes  sérigraphiées (SPE) ou à couche mince (thin-film electrodes).
Perspectives : Nous avons montré que la synthèse électrochimique de matériaux polymères organiques conducteurs pouvait conduire à l’élaboration de nouveaux capteurs peu coûteux et à haute sensibilité pour la mesure du pH. La nouvelle méthode de mesure simultanée de la conductivité et du pH de l’eau qui a été développée, permet l’utilisation de capteurs de très bas coût qu’il est possible d’utiliser à la fois comme capteurs de conductivité et de pH. Ces résultats intéressent les industriels de la mesure de la qualité de l’eau et ouvrent la voie au déploiement à grande échelle de capteurs de surveillance de l’environnement.
Publications et brevets : S. Chebil, M. O. Monod, P. Fisicaro, Direct electrochemical synthesis and characterization of polypyrrole nano- and micro-snails, (2014), Electrochimica Acta, Vol.123, pp.527-534.
S. Chebil, M. O. Monod, P. Fisicaro, R. Champion, Nouveau capteur de pH à base de micro-snails de polypyrrole pour l’analyse de l’eau, (2014), Instrumentation, Mesure, Métrologie, vol. 14, N°1-2, pp. 69-83.
S. Chebil, M. O. Monod, P. Fisicaro, Nouveau capteur de pH pour l’analyse de l’eau, Revue « Instrumentation & Interdisciplinarité – Capteurs Chimiques & Physiques », éditions EDP Sciences, 2014, pp. 381-386 (ISBN 978-2-7598-1116-8)
S. Chebil, M. O. Monod, P. Fisicaro, R. Champion, P. Faure, Nouveau capteur de pH pour l’analyse de l’eau, 6ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation (C2i 2013), Lyon, France, 29-30 janv. 2013
S. Chebil, M. O. Monod, P. Fisicaro, R. Champion, P. Faure, Nouveau capteur de pH pour l’analyse de l’eau, Journées d’Electrochimie 2013 (JE 2013), Paris, France, 8-11 juil. 2013
M.O. Monod, « Procédé de calcul de l’acidité des eaux naturelles » logiciel déposé à l’APP (Agence pour la Protection des Programmes) le 13/07/2012