Brevet FR2245945A1 — publié le 19750425

L'invention concerne un procédé et un appareil permettant de mesurer par voie photométrique la concentration dlune matière en suspension dans un milieu liquide et elle peut être avantageusement utilisée pour mesurer la teneur des matières en suspension dans les eaux résiduaires. La séparation et la concentration des matières en suspension constituent des stades importants de purification des eaux résiduaires. Fréquemment, on réduit la proportion des matières présentes dans l'eau en convertissant d'abord l'eau résiduaire en une suspension, par exemple par une précipitation chimique des phosphates et une oxydation des substances organiques, de sorte qu'on obtient une bouillie biologique. En conséquence, on doit pouvoir disposer d'instruments à la fois simples et fiables pour mesurer continuellement la concentration des matières en suspension dans l'eauypratiquement pendant la plus grande partie des étapes de traltement,si l'on veut contrôler et régler la purification des eaux résiduaires. On a déjà proposé un très grand nombre de procédés pour ce but, par exemple l'utilisation de viscosimètres, l'irradiation des particules, la détermination de la conductibilité électriquey des procédés thermiques et l'utilisation de centrifugeuses (Downing et al 1965, Anon, 1967 et Setter,19353. Selon un procédé connu de mesure de la teneur dans la bouillie, on présume que la proportion d'une substance dans la suspension estconstan- te et on considère qu'une détermination de cette-substance permet d'avoir une idée précise de la concentration dans la bouillie.Ce procédé connu a été utilisé par Bradley et Krone (1971) qui ont analysé la teneur en polysaccharides dans une suspension d'une bouillie active par cette technique, On a cependant constaté que les procédés photométriques donnent des résultats plus satisfaisants. Une détermination photométrique de la teneur en matières en suspension est fondée sur ltexistence d'un rapport simple entre la lumière émise, la lumière transmise et la concentration des matières en suspension, ou bien entre la lumière émise, la lu mière propagée et la teneur en matières en suspension. L'intensité de la lumière émise doit être extreement stable car, s'il n'en était pas ainsi, on serait obligé d'effectuer des compensa- tions, ce qui est une technique coûteuse. D'autre part, la couleur de l'eau résiduaire ne doit pas perturber les mesures. Il en est particulièrement ainsi dans le cas de décharges variables des eaux provenant d'un abattoir et allant, par exemple, dans les égouts publics .Les essais effectués par Krawczyk et Gonglewski (1959) ont démontré que la sensibilité à la couleur d'une détermination photométrique de la teneur en matières en suspension disparait aux longueurs d'ondes au-dessus d'environ 9.000 t Avec des longueurs d'ondes croissantes, la répercussion de la granulométrie des matières en suspension devient également plus faible. Le pouvoir de pénétration de la lumière émise doit être bon quand on mesure la lumière transmise. On doit également prendre en considération l'encrassement ou le salissement des instruments de mesure lors de la détermination photométrique de la concentration d'une matièreen suspension. Les procédés et les instruments connus jusqu'à présent pour la mesure photométrique de la concentration d'une suspension ne permettent pas de satisfaire aux exigences indiquées. Ces instruments, ou bien fonctionnent avec une lumière blanche propagée qui les rend sensibles à la couleur, ou bien on doit utiliser des dispositifs coûteux pour produire et enregistrer la lumière en dedans d'une plage donnée de longueurs d'ondes. La lumière blanche est saturée, ce qui donne de la stabilité pendant de longues périodes. L'invention a pour but de surmonter les problèmes précités et de fournir un procédé et un appareil permettant d'engendrer une lumière constante en dedans d'une plage particulière de longueurs d'ondes, de sorte qu'on dispose d'un procédé simple et fiable, en l'absence de toute sensibilité à la couleur. D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va en être faite ci-aprEs - Selon l'invention, le procédé préconisé comporte principalement l'utilisation de la lumière infrarouge provenant de diodes semi-conductrices émettrices de lumière, en qualité de source lumineuse. De préférence, les diodes semi-conductrices émettrices de lumière possèdent une stabilité exceptionnelle à long terme et elles émettent la lumière en dedans d'une plage étroite de longueurs d'ondes. Une diode émettrice de lumière en GaAs, ayant une longueur d'onde d'environ 9500 A et une largeur de bande d'environ 200 convient dans ce but. En vue de conférer à la lumière un bon pouvoir de pénétration, on peut obtenir une production plus forta de lumière si l'on soumet la diode à des impulsions. Les impulsions offrent également l'avantage de supprimer le fonctionnement du récepteur au point zéro et, d'autre part, l'appareil photométrique devient insensible à la lumière diffusée. L'invention va maintenant être décrite plus en détail en se reférant au dessin annexé sur lequel la figure 1 est un schéma de câblage d'un appareil photométrique selon l'invention la figure 2 est un graphique montrant le pouvoir absorbant colorimétrique pour les polysaccharides dans une bouillie active en fonction de la teneur en matières solides on a représenté en ordonnées le pouvoir absorbant colorimétrique à 4850 A et en abscisses la teneur en matières solides en mg/l ; ; la figure 3, enfin, est un graphique montrant l'absorption de la lumière par la bouillie active provenant d'une installation de purification, qu'on mesure par le Photomètre aux ins'ra- vouges selon l'invention, on a représenté en abscisses la teneur en matières solides en mg/l et es ordonnées nw 9e l'appareil. Un photomètre fonctionnant à la lumière infrarouge est ;eprsenté sur la figure 1 et il utilise une diode i en GaAs. La longueur d'onde est de 9500 A et la largeur -de benne est de 200 . En fonctionnement continu. ce semi-conducteur peur emet- tre un courant photo-électrique de 1600 micro ampères pour un ct > urant de diode de 100 mA. Pour obtenir une production pl;s importante de lumière, on soumet la diode 1 à des impulsions et ces impulsions ont une durée de X,1 millseconde. On t't 'nsi obtenir et maintenir le courant à 1,2 ampère, c'est-à-dire à une valeur douze fois plus grande qu'en fonctionnemn; continu. Les impulsions permettent également de supprimer io * ifsnil3- ment du récepteur au point zéro et redent ce photomètre insensible à la lumière diffusée. D'autre part, si Iio ieut eviter que la lumière externe venant frapper le photodétecteur 2 perturbe la mesure, la diode 4 ne doit pas être surmodulée. Toutefois, étant donné que le point de saturation est extrêmement élevé, ce danger est pratiquement inexistant avec l'intensité de la lumière diffusée qu'on risque de rencontrer en fonctionnement Les impulsions de l'émetteur 1 sont produites par un multivibra teur 3 par exemple de fréquente 30 Hz débitant dans une cfi- mentation 4.Le type de semi-coduteur (source lumineuse)- qu'on utilise selon l'invention possède une stabilité exceptionnelle à long terme. Dans le mode de realisation représenté, le détecteur 2 peut être avantageusement une diode au silicium du type à barrière 9 Schottky ayant une surface active de 0,08 cm2. Pour obtenir une haute linéarité, la diode 2 du détecteur est connectée par voie photovoltaïque avec un premier amplificateur opérationnel 5 du récepteur. On effectue l'amplification des impulsions en deux étapes (il est donc prévu un second amplificateur opérationnel 6) après quoi le signal est transmis à un redresseur 7 et à un in- tégrateur 8. La tension continue ainsi obtenue est transmise à un instrument électromagnétique 9.Par une variation de lo connexion et de l'équilibrage du pont indicteur, on pet régler le point maximum et le point zéro indépendamment l'un de l'autre, à savoir, respectivement, à l'aide des potentiomètres 10 et 11. Une telle construction de l'instrument comportant des points maximum et zéro varables permet l'intervalle désiré des mesures en dedans de l'intervalle dynamique total d'être réglé à une valeur d'étalonnage, si bien qu'on peut utiliser toute la longueur du boitier de l'instrument. Le système électronique est alimen- té à partir du secteur par l'intermédiaire d'une unité à tension continue stabilisée. Le photomètre muni de la source lumineuse pulsée d'infrarou ges est avantageusement construit dans un boiter qui contient également un dispositif d tubes d'essai, comportant en l'occurrence des tubes d'essai d'un modèle ordinaire ayant, par exemple, 180 mm de longueur et 17 mm de diamètre. Le verre nDuran 50" possède des propriétés optiques tout à fait suffisantes dans le but envisagé. Pendant la mesure, on introduit le tube d'essai contenant l'échantillon de suspension dans un tube perforé en polerchlorure de vinyle. Ce dernier tube présente des perfo rations ou trous pour recevoir la source lumineuse et le photodétecteur.Les échantillons sont introduits par le couvercle du boItier.Or.peut égaiement connecter à l'aide dgun contact une cellule de mesure weeextelneRp r exemple une cellule à écoulement de part en part. En variante, le photoètrepettévIdemment être construit de nombreuses autres façons, par exemple sous forme d'une sonde plongeante. Pour enregistrer les valeurs mesurées ou pour régler le pro cédé, etc., un instrument à fonctionnement continu doit comporter une constante de temps correctement choisie. Par exemple, pour enregistrer sur un appareil d'impression, on peut considérer un résultat pour une valeur moyenne de 5 à 10 minutes comme étant approprié en prenant en ligne de compte la vitesse du papier et a largeur de la course (Wiksell 1973). Les exemples suivants servent à illustrer l'invention. On prélève une bouillie active des réservoirs d'aération de plusieurs installations de purification pour effectuer les essais. En premier lieu, on étudie la suspension provenant de l'installation de purification Loudden à Djurgarden, Stockholm, mais on prélève également-des suspensions dans l'installation de purification Kappala à Lidingo et aux installations de purification Eolshäll et Nockeby à Stockholm pour des études comparatives. Pour chaque suspension, on détermine l'absorption de la lumière, la teneur en matières solides et l'indice de suspension (bouillie) ainsi que, dans certains cas, la concentration des polysaccharides. On détermine la substance sèche par évaporation et séchage à 1054C d'échantillons de 50 ml. On obtient la teneur en substances en suspension par différence des substances sèches dans un échantillon non filtré et un échantillon filtré. On détermine les substances qui forment un sédiment en laissant décanter la bouillie pendant trente minutes dans un verre doseur,d'une contenance d'un litre, en wpîexiglassfl , ayant63 mu de diamètre. Le quotient du volume de la matière sédimentée (ml/l) par la concentration de la matière en suspension (g/l) permet d'obtenir l'indice de suspension exprimé en ml/g. Pour mesurer la concentration des polysaccharides, on utilise le procédé de Bradley et Krone (1971). Dans ce procédé, on place, dans un tube d'essai, 2 ml d'une bouillie active contenant moins de 500 mg/l de matières en suspension, après quoi on ajoute I ml d'une solution aqueuse à 5 % de phénol, ensuite 5 ml d'acide sulfurique concentré, on mélange rapidement, on refroidit àla température ambiante et on mesure l'absorption du mélange à une longueur diode de 4850 X On n'effectue que deux séries d'essais pour déterminer la concentration de polysaccharides dans la suspension. fla figure 2 -montre les résultats de ces essais ainsi que les résultats des essais de Bradley et Krone (1971) Il est évident qu'on obtient un rapport linéaire entre le pouvoir absorbant colorimétrique de la teneur en polysaccharide et la teneur en substances sol i- des, respectivement.Ce rapport peut être presenté approximativement comme suit - pouvoir absorbant colorimétrique w 0,032 x teneur en solides 6nçJU Cet essai démontre que la concentration des polysaccharides peut servir comme une indication de la teneur en matières solides au moins dans le cas de la même installation de purification. La figure 3 montre l'absorption de la lumière par la bouillie active provenant de l'installation de purification Loudden en fonction de la concentration des matières solides, qu'on mesure par un photomètre aux infrarouges. La courbe obtenue peut être représentée par absorption = a1 x teneur en solides + a2 équation dans laquelle a1 et a2 sont des constantes dont les valeurs dépendent également de la nature de l'instruments Les essais effectués avec le photomètre aux infrarouges montrent que les mesures, au cours d'un mois, font ressortir un écart maximal de -24 à +32%. Cet écart maximal englobe les erreurs d'analyse lors de la détermination des matières solides par évaporation. Environ pour les deux tiers des valeurs obtenues, l'écart est inférieur à + 10%. Un avantage certain du photomètre aux infrarouges est la possibilité de mesurer une plus forte teneur en matières solides et aussi le fait que la source lumineuse est extrêmement stable. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à caux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été- plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure photométrique de la teneur en matières en suspension dans un milieu liquide, caractérisé en ce quVl comporte les étapes suivantes - éclairage du milieu liquide par une source lumineuse, et - enregistrement par voie photoélectrique de l'intensité de la lumière transmise, ladite source lumineuse étant une lumière aux infrarouges produite par des diodes semi-conductrices émet- trices de lumière. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une lumière infrarouge pulsée provenant des diodes semi-conductrices en qualité de source lumineuse. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on utilise comme source lumineuse une diode en GaAs éxet- trace de lumière ayant une longueur d'onde d'environ 9500 A0 et une largeur de bande d'environ 200 A. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on effectue la mesure dans un courant de liquide en chute libre. 5. Appareil de mesure photométrique de la teneur en ma- fière en suspens on dans un milieu liquide caractérisé en ce quil comprend une source lumineuse ai est une diode sem4- conductrice émettrice de lumière ayant une longueur d'onde dten- viron 9500 Ao et une largeur de bande d'environ 206 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que la diode semi-conductrice est une diode an GaAs émettice de lumière. 7. Appareil selon la revendication 5 ou , caractérisé en ce qui comporte des moyens pour soumettre i une pulsation les impulsions de l'émetteur. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendication à 7, caractérisé en ce que l'amplificateur est conçu d Dart pouvoir régler indépendamment le point maximum et le poln zSro e qui donne la possibilité d'utiliser la partie du système dy- namique total arbitrairement choisie.