Brevet FR2016328A1 — publié le 19700508

Le but de la présente invention est de permettre la mesure de l'oxygène biochimique demandé par les micro-organismes aérobies pour leur cycle vital (sigle anglais B.O.D. = Biochemical Oxygen Demand). Comme on le sait ce paramètre est celui qui se prête le Lieux à caractériser des liquides riches en triel organique susceptible entre métabolisé (eaux d'égouts, effluents d'industries alimentaires, papetières, textiles, pharmaceutiques, etc.). Les méthodes dont on dispose pour la détermination de la demande biochimique d 1oxygène sont les suivantes a. Méthode au nitrate : on ajoute à l'échantillon contenant du matériel organique en solution et/ ou en suspension des nitrates (facilement décomposables par les icro-organismes), que l'on titre avant et après l'épreuve. b. Méthode par dilution : on dilue l'échantillon dans de l'eau dépourvue de substances organiques, le contenu d'oxygène étaFt connu, et l'on relève la diminution, dans le temps, de la valeur initiale du dit gaz, à travers des mesure de l'oxygène dissous dans le mélange, effectuées, en principe, avec la méthode Wink leur. c. Méthode directe ou respirométrique : on met l'échantillon en contact avec une atmosphère d'oxygène ou d'air et l'on effectue, au moyen d'un manomètre, la mesure de la consommation d'oxygène. La méthode au nitrate est désormais abandonnée depuis longtemps et il est donc inutile de s'étendre sur cette dernière. La méthode par dilution présente, à son tour, deux inconvénients fondamentaux. L'un de ces inconvénients est lié au fait que la quantité d'oxygène dissous à la disposition des micro-or ganismes étant fixe, au fur et à mesure que le dit oxygène est consommé par ces derniers, sa concentration et, par conséquent, sa tension diminuent; cela provoque un ralentissement dans le métabolime des icro-organismes présents et, par conséquent, une influence négative sur leur activité de reproduction l'autre inconvénient est la permanence dans l'échantillon du CO2 qui s'est développé à la suite de la respiration, ce qui a comme conséquence l'altération du milieu au point de vue biologique. Par 1 méthode directe ou respirométrique on obvie à ce deuxième inconvénient en réalisant l'élimination du milieu du C02 qui s'est développé et lton tache aussi de remédier au premier inconvénient en rechargeant pdriodiquement d'oxygène ou d'air le système ou bien en fournissant une quantité initiale de ces gaz suffisent pour satisfaire avec une large marge d'excédent les manifestations vitales des rricro-organismes. Toutefois, même de cette façon on ne réu@sit ras à éviter complètement que la tension de l'oxygène diminue au fur et à mesure que la consommation de ce gaz augmente, surtout lorsque la demande de biochimie d'oxygène de l'échantillon est très élevée.Par contre, si l'échantillon est "faible" (c'est à dire lorsque son contenu en subs- tances organiques est modeste) la méthode respirométrique, qui est basée sur une mesure différentielle de pression, ne permet pas d'effectuer des lectures manométriques soignées. Une modification de la méthode directe-ou respirométrique qui permet d'obvier meme aux dits inconvénients est représentée par la méthode électrolytique, dont le principe sera decrit syn thdtiquement ci-après. L'échantillon à examiner est placé dans un système fermé muni de thermostat et par conséquent indépndant de la pression atmosphérique et de la temptrature extérieure. Par suite de la réaction biochimique de l'oxygène est consommé et il se développe du CO2, qui est éliminé, comme dans la méthode directe-respirométrique originale, par absorption sur une solution alcaline. La diminution de pression qui endérive est exploitée pour fermer le circuit d'une cellule éléctrolytique, à l'anode de laquelle se développe de l'oxygène en quantité égale à celle consommée. De cette façon les micro-organismes présents dans le liquide peuvent respirer et se reproduire toujours dans les mêmes conditions de concentration d'oxygène, tandis que la quantité d'oxy- gène développée par voie électrolytique, ou une grandeur proportionnelle à cette dernière, permet de remonter à la demande biochimique d'oxygène de l'échantillon. Dans les applications effectuées jusqu'ici de la méthode électrolytique la variation de pression qui se vérifie dans la bouteille de réaction, par suite de la consommation d'oxygène.et de l'absorption du C02, commande l'amorce de la réaction soit au moyen d'une membrane appropriée et d'un transducteur, soit a travers le déplacement du mercure dans une colonne reliée avec la cuve fermée de la réaction.Pour la détermination de la quantité d'oxygène développée électroly quement ou consommé par les micro-org & ismes on mesure la quantité d'électricité qui est passée dans la cellule ou, si l'intensité du courant est constante, on mesure le temps local de ce passage. La méthode éléctrolytique permet donc d'éliminer les inconvenients présents par les autres méthodes décrites ci-dessus toutefois les applications que cette méthode a eues jusqu 'ici, basées sur des mesures électriques comportent un appareillage particulier, dont l'usage demande, à son tour, une w écision technique telle que celle que possèdent des analystes spécialisés. On a donc pensé à employer la méthode électrolytique d'une façon qui présente l'avantage d'une plus grande simplicité qui permette par conséquent la réalisation d'un appareil de coût peu élevé et facile à utiliser; qui puisse être employé même par un personnel non spécialisé pour des mesures de routine. On a obtenu cela en effectuant la mesure de la demande biologique d'oxygène à travers la détermination gazo-volumétrique d'hydrogène qui se développe à la cathode pendant l'électrolyse et en déterminant l'amorce de cette dernière au moyen de la montée de la même solution électrolytique dans le compartiment anodique, comme conséquence directe de la diminution de pression dans la bouteille de la réaction. l'invention sera mieux illustrée si l'on se rapporte à la planche de dessins ci-jointe dans laquelle : La fig. 1 représente le système par blocs de l'appareil; La fig. 2 montre un exemple de réalisation pratique de l'appareil même. Si l'on se rapporte à la fig.1, 1 représente la bouteille de réaction contenant l'échantillon à mesurer dont la capacité peut outre choisie en ra port avec la valeur de la demande biochimique d'oxygène de l'échantillon même. A l'intérieur de la bouteille est placée une coupelle, non indiquée dans la figure, contenant une solution alcaline pour l'absorption du 002. Deux petits grappins, actionnés par un même agitateur magnétique et placés l'un dans la bouteille, l'autre dans la coupelle favorisent la dissolution de l'oxygène dans l'-chantillon et la libération de ce dernier du C02, et, respectivement, le contact du C02 avec la solution alcaline. A travers le -accordeLent 2 la bouteille de réaction 1 communique avec le compartiment anodique 4 de la dellule dlectre- litique 3 contenant une solution d'acide sulfurique. La connes xion électrique 5 entre le compartiment anodique et le-compar- timent cathodique 6 de la cellule est bdaliaéeau moyen d'un pont d'agar contenant une solution saturée de K2S04 : il est évident que l'on peut remplacer l'agar par n'importe que substance poreuse ou conductrice de deuxième catégorie qui assure la continuité électrique mais non hydraulique entre les deux compartiments de la cellule. il faut remarquer que les deux compartiments 4 et 6 ne sont reliés entre eux qu'électriquement ce qui fait que l'ensemble bouteille de réaction t et compartiment ano- dique 4 constitue un système fermé qui ne se ressent pas des variations de la pression atmosphérique, à laquelle, par contre, le compartiment cathodique 6 peut entre sujet.Dans la solution contenue dans le compartiment cathodique 6, qui se trouve par contre à la pression atmosphérique, est immergée l'extrémité inférieure d'une burette gazométrique dont la capacité peut être choisie en fonction de la demande biochimique d'oxygène. à mesurer. Tout l'appareil, excepté éventuellement le compartiment cathodique 6 de la cellule est contenu dans une chambre 8 oppor tunèment 8 thermostat de façon à effectuer la mesure à une température préfixée et c nstante. L'électrode du compartiment cathodique 6 de la cellule se trouve constamment imergé dans la solution électrolytique, tandis que l'électrode du compartiment anodique 4 est initialement hors de la solution et est rejoint par cette dernière, comme on le verra, par suite d'une aspiration due à l'évolution de la réaction biochimique. Le fonctionnement de -l'appareil est le suivant . On détache le récipient 1 du récipient4 et l'on verse le liquide à mesurer dans la bouteille de réaction en laissant au dessus du liquide un volume d'air égal au moins à 1/5 du volume de l'échantillon ; on verse en outre dans la coupelle appropriée une substance quelconque capable d'absorber et de fixer le C02. On verse dans les deux compartiments 4 et 6 de la cellule 3 une quantité suffisante de solution d'acide sulfurique. On dispose la burette gazométrique 7 en la remplissant complètement du m8- me acide sulfurique par exemple par aspiration d'un robinet supérieur. On stabilise la température des récipients 1 et 4, après quoi on relie entre eux ces derniers au moyen du raccord 2 constitué par exemple par un chevalet à joints sphériques. On eff ctue les connexions électriques nécessaires. Au fur et à mesure que la réaction biochimique avance l'oxygène présent initialement au-dessus de 'échantillon est consommé et, comme le C02 qui s' est développé a été tout de suite éliminé, la pression du flacon de réaction diminue. La dépression provoque la ontée de la solution électrolytique continue dans le compartiment anodique 4 de la cellule 3, qui, se trouvant en contact avec son électrode provoque la fermeture du circuit électrique de la cellule électrolytique. A l'anode se développe, par consé- quent, une quantité telle d'oxygène que l'équilibre des pressions est rétabli (c'est à cire une quantité égale à celle d'o xygène consommé), tandis que à la cathode se développe un volu- me double d'hydrogène.Cet hydrogène, recueilli dans la burette gazomètrique permet d'effectuer la mesure de la consommation d'oxygène. Naturellement, une fois .ue l'égalité des pressions s'est rétablie , la solution électrolytique redescend dans le compartiment anodique, à la suite de quoi le circuit est ouvert et l'électrolyse cesse, jusqu'à ce qu'unie onsommation ultérieure d'oxygène de la part de l'échantillon à mesurer ait créé de nouveau une dépression dans le flacon et ainsi de suite. Pour la mesure de la demande biochimique d'oxygène à partir du volume d'hydrogène qui se développe dans la cathode on procède de la façon suivçnte. Etant donné que 1 burette gazométrique est disposée pour des raisons pratiques hors du thermostat et que le liquide contenu dans le compartiment cathodique est en contact avec l'atmosphère, lorsqu on effectue la lecture de ce volume, il faut relever aussi la température ambiante, ainsi que la pression atmosphèrique et la hauteur de la colonne liquide dans la burette gazométrique par rapport à la surface libre de la solution dans le compartiment cathodique. Si l'on indique par V1 le volume d'hydrogène lu dans les conditions expérimentales, en cms3, par H la vaeur de la pres si,n atmosphérique, en mms de Hg, par T la température ambiante, en C, par h la hauteur de la colonne de la burette par rapport à la surface libre du-liquide dans le compartiment cathodique 6, en mme, 1 volume d'hydrogène, ramené à -OC et u a pression noraIe, sera donné par la fortule obtenue de la loi caracté- ristique des gaz h (H - - Tm) 273 V 20 = V1 760 (273 + (T - 20) ) Tm est la tension maximum de la solution d'acide sulfurique à la température t, mais on commet une erreur néglgeable si on la remplace par la tension maximum de l'eau, que l'on paut tirer facilement des tableaux des constantes physiques. Le terme h .représente la hauteur de la colonne de solution élec- 13,5 trolytique, exprimée en mms de Hg. On assume la valeur 13,5 parce que la densité de la solution de SO4H2 n'est pas très différente de celle de l'eau.Si l'on veut obtenir le B.O.D. de l'échantillon à mesurer, en p.p.m. il faut diviser V20 par 2 pour connaître la consommation d'oxygène en cms3, multiplier ensuite la valeur obtenue par la constante 1,33 qui représente le poids en mgs de 1 cm3 de O 2 à 760 mms de pression et à 20 C et enfin rapporter la quantité d'oxygène ainsi calculé au volume de l'échantillon. La fig.2 montre à titre d'exemple non limitatif une réali- sation pratique possible du schéma de la fig.1. Dans cette figu- re les parties ayant les mais fonctions sont indiquées avec le même numéto de référence Te matériel employé dans ce cas est en verse, , mais on peut employer une antre matière. a stabilisation thermique est obtenue iei avec un bain d'eau, mais elle peut être réalisée en se servant d'autres systèmes connus. Il faut dire aussi qu avec l'appareillage selon l'invention la coisommation d'oxygène peut être suivie 'une façon continue à travers de simples mesures gazo-volumetriques ; toutefois, puisque le développement de l'oxygène qui remplace celui qui est consommé est lié au phénomène électrique, il est possible, en disposant d'une f.e.m. constante, d'effectuer un enregistre- ment graphique du développement de la réaction biochimique en équipant l'appareil d'accessoires appropriés. R E V E N D I C A T I O N Dispositif pour la détermination volumétrique de la demande biochimique d'oxygène dans un échantillon liquide suivant la méthode électrolytique, comprenant un flacon de réaction relié de façon à former, avec le compartiment anodique d'une cellule électrolytique, un système hermétique, caractérisé par le fait que le compartiment cathodique de la dite cellule, qui ne communique pas avec le dit compartiment anodique et qui n'est uni à ce dernier qu'électriquement, comporte, à la hauteur de l'électrode respective, une burette gazométrique graduée, ce qui permet de pouvoir effectuer avec une sensibilité redoublée la détermination de la consommation d'hydrognène de la part de l'échantillon liquide.