Brevet FR2586810A1 — publié le 19870306

La présente invention se rapporte à un disposi- tif modulaire d'échantillonnage de l'eau, pour la détermi- nation des profils hydrochimiques de l'eau souterraine, des lacs, étangs, réservoirs et analogues. Le dispositif d'é- chantillonnage comprend une pluralité de cellules dispo- sées à des distances prédéterminées les unes des autres et comportant chacune des membranes de dialyse. Le dispo- sitif d'échantillonnage est particulièrement utile pour déterminer des profils de qualité d'eau. La nécessité croissante de comprendre les pro- cessus de contamination de l'eau du sol à entraîné le dé- veloppement d'une nouvelle technique de prise d'échantillon. Dans les études hydrochimiques, il est important d'obtenir des profils à petit intervalle de la couche d'eau examinée. Généralement, on collecte les échantillons d'eau dans des puits de pompage ou par des dispositifs d'échantillonnage descendus à différentes profondeurs dans des puits de re- cherche. Ces procédures perturbent les gradients chimiques et fournissent seulement des échantillons d'eau mélangés provenant de différents niveaux de la nappe aquifère. On décrit dans la littérature des dispositifs d'échantillon- nage qui ont été utilisés principalement pour des nappes a- quifères peu profondes. Dans la plupart de ces dispositifs, l'échantillon d'eau est pompé à partir de la surface et les intervalles d'échantillonnage sont de l'ordre de 0,5 m. Les appareils d'échantillonnage créés pour les études d'eau dans des lacs utilisent la technique par mem- brane de dialyse qui consiste à placer à l'endroit d'échan- tillonnage un appareil comportant des cellules de dialyse remplies d'eau distillée et à le laisser jusqu'à l'équili- bre entre l'eau ambiante et l'eau de la cellule. Par ce procédé, on a obtenu des intervalles d'échantillonnage de 1 cm. Le temps d'équilibrage d'un système de cellule de dialyse peut être calculé par la deuxième loi de diffu- sion de Fick. L'invention a pour objet un nouveau dispositif d'échantillonnage d'eau qui fournit des informations sur le profil chimique d'une couche d'eau à une certaine profon- deur, par exemple dans un forage, un puits d'eau ou un lac ou analogue. Le dispositif est un appareil modulaire d'échan- tillonnage qui peut être assemblé avec un nombre désiré de cellules d'échantillonnage dont chacune fournit une in- formation sur une certaine profondeur. Ces cellules peu- vent être placées l'une derrière l'autre et leur diamètre détermine les intervalles d'échantillonnage. En général, des intervalles d'échantillonnage de 3 à 5 cm environ sont satisfaisants. Chacune des cellules du dispositif d'échantillon- nage comprend une pièce tubulaire fermée à ses deux extré- mités par une membrane de dialyse. Lorsque de telles cel- lules sont agencées en une structure en colonne, avec les ouvertures tournées vers les côtés de la structure, on peut introduire le dispositif d'échantillonnage dans un puits, tandis que les cellules sont remplies avec de l'eau distil- lée. On laisse le dispositif dans le puits, au repos, pen- dant un laps de temps adéquat pour atteindre l'équilibre avec l'environnement et, lorsqu'on retire le dispositif d'échantillonnage, on peut analyser l'eau contenue dans chaque cellule, ce qui fournit un profil de la couche dé- finie par la longueur cumulée de la pluralité de cellules. Le dispositif d'échantillonnage comprend une tige ou tube comportant une pluralité de trous traversants per- pendiculaires dont chacun peut recevoir une cellule de dialyse. On a construit un dispositif d'échantillonnage avec une pluralité de cellules de 3 cm de diamètre mais cette valeur n'est pas impérative et on peut utiliser tout autre diamètre approprié. Les cellules sont espacées les unes des autres par une garniture d'étanchéité appropriée, en matière élastique, d'un diamètre correspondant à celui du puits à échantillonner. Des structures en forme de dis- que sont montées aux deux extrémités du dispositif pour guider la structure dans le puits. Avantageusement, un poids est attaché à l'extrémité inférieure du dispositif d'échan- tillonnage et un crochet pour un cable approprié est prévu à son extrémité supérieure. Le dispositif d'échantillonnage est construit à partir d'éléments modulaires, chaque tron- çon comprenant un nombre prédéterminé de cellules de dialyse, et on peut assembler une succession de tels sous-ensembles pour obtenir le nombre désiré de cellules dans un appareil d'échantillonnage. Il est également possible de construire cet appareil à partir d'une pluralité de cellules, placées l'une derrière l'autre. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de son mode préféré de réalisation, non li- mitatif, représenté schématiquement sur les dessins anne- xés, dans lesquels: Fig. 1 est une vue de côté d'un dispositif d'é- chantillonnage, en coupe partielle; Fig. 2 est une coupe à plus grande échelle à travers une partie de la longueur de ce dispositif; Fig. 3 est une vue en plan d'une garniture d'é- tanchéité en caoutchouc pour ce dispositif; Fig. 4 est une vue schématique d'un puits de recherche et d'un profil lithologique; Fig. 5 illustre les résultats d'un essai d'équi- libre; Fig. 6 illustre un profil de conductivité élec- trique mesuré au moyen d'un dispositif d'échantillonnage suivant l'invention; et Fig. 7 illustre le profil chimique mesuré dans le puits de recherche de la figure 4. Comme représenté sur les figures 1, 2 et 3, le dispositif suivant l'invention comprend une tige 11, en matière plastique appropriée, de 5 cm de diamètre environ et d'une longueur de 135 cm environ, comportant 38 trous perpendiculaires croisés 12 dont chacun reçoit une cellule de dialyse 13. Ces cellules sont espacées à 3 cm d'inter- valle et elles sont séparées par des garnitures d'étanchéi- té 14 en caoutchouc souple. Deux anneaux 15 en chlorure de polyvinyle sont prévus aux extrémités du dispositif d'é- chantillonnage et ils servent à guider l'appareil dans le puits. De tels anneaux 15 peuvent également être prévus à intervalles prédéterminés. Les cellules de dialyse sont tenues en place par des vis 10 en nylon. Un lest revêtu 17 est attaché à l'extrémité inférieure du dispositif d'é- chantillonnage. Un câble en nylon est fixé à l'élément su- périeur de retenue 18. Le dispositif comprend avantageuse- ment une pluralité de tronçons modulaires de tige 19 qui peuvent être raccordés par une vis double 20. Les cellules individuelles de dialyse 13 sont constituées de fioles 21 en polyéthylène modifié, ouvertes aux deux extrémités, qui comportent des anneaux de fermeture 22 et 23, respective- ment, et des membranes de dialyse 24 et 25 qui peuvent ain- si être facilement remplacées et qui sont maintenues soli- dement en place. On remplit les cellules d'eau distillée ou d'une autre solution, on les ferme aux deux extrémités au moyen des membranes et on introduit le dispositif dans l'eau (puits,lac ou analogue) qui doit être échantillonnée et on attend la mise en équilibre avec le milieu environnant. On peut ainsi utiliser le dispositif d'échantillonnage avec tout profil d'eau, naturelle ou non. Il peut être utilisé pour déterminer la minéralisation d'une eau du sol, pour un contrôle de qualité dans des procédés industriels, pour déterminer la contamination par des rejets d'huile, etc. Il est également possible d'introduire des élec- trodes dans certaines cellules et de surveiller ainsi de la surface la conductivité de l'eau dans la cellule, qui est indicative de la concentration en ions dans la cellule. Afin de déterminer empiriquement le temps de mise en équilibre du nouveau système d'échantillonnage, on a procédé à un essai de laboratoire dans lequel six paires de cellules de dialyse sont immergées dans des bains sépa- rés de 800 ml d'une solution (Cl -=200 mg/l; NO=100 mg/l) qu'on mélange une fois par jour d'échantillonnage (figure 5). On contrôle le fonctionnement du dispositif d'é- chantillonnage par mesure d'un profil de conductivité élec- trique. Le gradient de salinité est établi artificiellement par introduction d'une solution saline froide (1 g/cm3 de NaCl) au fond d'un récipient rempli d'eau potable. On échantillonne deux profils consécutifs, après une période de mise en équilibre d'une semaine (figure 6). On utilise avantageusement le dispositif d'échan- tillonnage dans un puits à crépine. Comme l'un des ob- jectifs du système est de surveiller l'arrivée de polluants dans la zone de la nappe d'eau, la demanderesse a étudié et foré un puits de recherche pour cet usage particulier, qui est représenté sur la figure 4. Le puits est situé dans la nappe phréatique sableuse profonde de la Plaine Cotière en Israël. La profondeur de la nappe d'eau est de 27 m et l'épaisseur de la zone saturée est de 130 m environ. Le puits a été foré par un procédé de forage hélicoïdal à sec, sans addition d'eau. On a utilisé des tubes en PVC. Des crépines à garnissage de gravier sont placées à 3 m au-dessus et à 5 m au-dessous de la nappe d'eau (Pumpen- Boese-KK Filter 80/0,6/0,7-1,2, D. Klotz, 1979). La posi- tion des crépines par rapport à la nappe d'eau est choisie pour permettre un échantillonnage de longue durée tenant compte à la fois des fluctuations à court et long terme (mensuellement à annuellement) de la nappe d'eau. Un câble en acier inoxydable fixé sur l'une des crépines est relié à la surface par un câble en acier inoxydable revêtu de PVC. On insère dans le dispositif d'échantillonnage les cellules de dialyse remplies d'eau distillée. On descend le dispositif, composé de deux tronçons connectés d'un appa- reil d'échantillonnage flottant multicouches, d'une longueur totale d'échantillonnage de 241 cm, dans le puits de recher- che. On le maintient en place par attache du câble en nylon au crochet du puits. On détermine la position exacte de la nappe d'eau par rapport aux cellules de dialyse, par rac- cordement des deux câbles isolés en acier inoxydable à un ohmmètre. On laisse le dispositif au repos pendant une pé- riode de mise en équilibre de 30 jours. La période de 30 jours est prévue pour permettre le retour à l'équilibre du système aquifère du puits à des conditions hydrochimiques "normales" après descente du dis- positif d'échantillonnage dans le puits (vitesse d'écoule- ment dans la nappe aquifère de l'ordre de 0,5 à 0,01 m/jour). Le dispositif d'échantillonnage flottant multi- couches est peu coûteux et il est facile à utiliser. Il peut être descendu dans tout puits crépiné existant et sa profondeur d'échantillonnage n'est pas limitée. Ses dimen- sions sont fonction du diamètre du puits. Le volume d'é- chantillonnage est principalement défini par les interval- les d'échantillonnage désirés. Le système d'essai (échantillonneur et puits de recherche) a été spécialement construit en PVC pour permet- tre également l'étude future des métaux lourds dans la zone de la nappe d'eau. Le dispositif d'échantillonnage flottant multi- couches décrit a permis d'obtenir des échantillons d'eau souterraines non perturbés, à de petits intervalles verti- caux permettant la mesure de profils chimiques dans des puits crépinés, à toute profondeur. On peut également uti- liser le dispositif d'échantillonnage pour surveiller des masses d'eau souterraine contaminée. On peut utiliser le dispositif pour échantillonner et mesurer les flux polluants réels qui atteignent la nappe d'eau à partir de la zone non saturée avant qu'ils soient dilués dans la masse principale d'eau. Un type flottant du dispositif d'échantillonnage possède d'autres avantages. La flottabilité permet au dis- positif de fluctuer à l'intérieur du puits en fonction des variations mensuelles de la nappe d'eau. On peut appliquer le procédé de dilution de puits unique pour étudier le pro- fil vertical des vitesses horizontales en conjonction avec la variation des profils chimiques. Dans les dessins annexés, les figures 5 à 7 re- présentent: Fig. 5 - essai de mise en équilibre de cellules de dia- lyse effectué à 22 C; -Cl, x-N03, o-SO_; chaque point représentant deux essais de mise en équilibre. Fig. 6 - profils de conductivité électrique mesurés dans une cuve d'eau par un dispositif d'échantillonnage flot- tant multicouches. Fig. 7 - profil de terrain de conductivité électrique, Cl-, NO3 et SO, mesuré par dispositif d'échantillonnage 3 04 1 flottant multicouches dans le puits de recherche WT-2 (20. 9.84). Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la construction du dispositif suivant l'invention sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Dispositif d'échantillonnage pour établir la concentration et le profil de concentration de conta- minants ou de constituants d'un liquide qui sont capables de traverser une membrane de dialyse et de passer dans une cellule délimitée par deux de ces membranes, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison un élément allongé (11) comportant des trous traversants (12) à intervalles prédé- terminés, chaque trou contenant une cellule de dialyse (13) fermée aux deux extrémités débouchant dans le milieu ambiant par des membranes de dialyse (24,25), des moyens étant pré- vus pour introduire et maintenir ce dispositif d'échantil- lonnage dans le liquide à examiner et pour l'y maintenir dans un état de repos jusqu'à ce que l'équilibre soit éta- bli. 2. Dispositif d'échantillonnage suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de tronçons (19) qui peuvent être raccordés les uns aux au- tres et dont chacun comporte une pluralité de cellules de dialyse consécutives rapprochées. 3. Dispositif d'échantillonnage suivant la reven- dication 1 ou 2, caractérisé en ce que les cellules de dia- lyse sont placées à intervalles de 3 à 10 cm environ, cha- que tronçon contenant de l'ordre de 3 à 50 cellules de dialyse individuelles consécutives. 4. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la struc- ture support est une tige comportant des trous croisés ou un élément tubulaire comportant de tels trous, chacun des trous étant prévu pour recevoir une cellule de dialyse tubulaire, dont l'axe est perpendiculaire à l'axe vertical du dispo- sitif d'échantillonnage, chaque extrémité de la cellule étant pourvue d'une membrane de dialyse démontable. 5. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque tron- çon portant des cellules d'échantillonnage est muni d'élé- ments de guidage (15) pour guider le dispositif lorsqu'on l'introduit dans un puits. 6. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un lest (17) à son extrémité inférieure et des moyens d'attache (18) d'un câble à son extrémité supérieure. 7. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 6, de structure modulaire, caractérisé en ce que chaque élément modulaire est prévu pour être rac- cordé à l'élément suivant par une vis double (20) ou un moyen mécanique similaire, chaque élément portant de l'ordre de 3 à 20 cellules de dialyse, le diamètre total du disposi- tif étant de 5 à 10 cm environ et l'espacement des cellules de dialyse étant de 3 à 8 cm environ. 8. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'une ou plu- sieurs des cellules comportent une paire d'électrodes re- liées à la surface, permettant des mesures de conductivité dans la cellule de dialyse ainsi munie d'électrodes. 9. Dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des élé- ments en forme de disque (14), d'un diamètre supérieur à la longueur des cellules de dialyse, sont prévus entre les cellules consécutives, le diamètre de ces éléments étant légèrement plus petit que celui du puits dans lequel le dis- positif doit être introduit. 10. Procédé pour établir le profil chimique d'une masse d'eau, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire dans cette eau un dispositif d'échantillonnage suivant l'une des revendications 1 à 9, à laisser ce dispositif au repos jusqu'à ce qu'un équilibre soit établi, à retirer le dispo- sitif et à analyser le contenu de chaque cellule de dialyse.