Brevet FR2856939A1 — publié le 20050107

La présente invention concerne un humidificateur de gaz, notamment pour la spectrométrie d'émission atomique. La spectrométrie d'émission à source plasma à couplage induit ("Inductively coupled plasma"-ICP) est une des techniques de spectrométrie d'émission atomique la plus couramment utilisée. Elle permet de déterminer de manière quantitative la composition élémentaire d'échantillons avec une sensibilité sur les concentrations des espèces élémentaires de l'ordre du ppb (parts per billion), voire ppt (parts per trillion) pour certains éléments. Cette limite de détection est, par exemple, nécessaire pour l'analyse d'éléments toxiques contenus dans l'eau afin de respecter les limites de concentration très faible autorisées. Pour atteindre une telle limite de détection, il est connu de nébuliser l'échantillon à analyser avec un nébuliseur avant introduction dans le dispositif d'excitation. Il a en effet été montré que la qualité de la détection dépend très fortement de la manière dont l'échantillon à analyser est introduit dans le dispositif d'excitation du spectromètre d'émission et en particulier, de la distribution en taille des particules dans le dispositif d'excitation, l'excitation et l'ionisation des particules plus larges étant plus faibles. De plus, l'introduction d'éléments nébulisés réduit l'effet de refroidissement du plasma observé lors de l'injection de large volume de liquides, ce qui signifie que plus d'énergie est disponible pour l'excitation et l'ionisation des particules augmentant ainsi la limite de détection. En général, les nébuliseurs mis en oeuvre sont des nébuliseurs pneumatiques, qui sont concentriques ou tangentiels. Les éléments ainsi nébulisés sont ensuite entraînés dans le flux du gaz support du plasma, typiquement de l'argon. Le dispositif d'excitation ICP qui est une source d'excitation à très haute température (7000-8000 K), vaporise, excite et ionise alors les atomes. Les radiations lumineuses émises par le faisceau d'ions, d'atomes et d'électrons issus du plasma ainsi créé, sont envoyées vers un spectromètre à réseau de diffraction pour analyse. Néanmoins, en raison de la géométrie du nébuliseur et des écoulements des fluides à l'endroit où se produit la nébulisation, le nébuliseur tend invariablement à s'obstruer lorsque l'analyte, i.e. l'échantillon à analyser, contient une haute concentration de sels. II est alors connu pour éviter l'obstruction du nébuliseur d'humidifier le gaz porteur. Le gaz porteur saturé en eau permet alors de minimiser le dépôt de matériau à l'extrémité du nébuliseur. L'humidificateur de gaz représente donc un élément pivot du système d'introduction de l'échantillon à analyser dans le dispositif d'excitation. L'emploi d'un humidificateur est lié au type d'analyte et il doit donc être facilement accessible par un opérateur pour une connection ou déconnection rapide au système d'introduction. Il est également nécessaire que cet humidificateur soit situé aussi proche que possible du nébuliseur car le gaz saturé en eau n'est seulement requis qu'à l'endroit où se situe la nébulisation. Cependant les dispositifs d'humidification de l'art antérieur sont en général, complexes car constitués d'une pluralité de composants. Les coûts d'approvisionnement et d'assemblage de ces composants multiples pèsent sur le coup de revient de ces dispositifs. Ils sont encombrants et donc éloignés de l'endroit où le gaz humidifié est nécessaire. Ils sont de plus, difficiles à mettre en oeuvre par un opérateur. L'objectif de la présente invention est de proposer un humidificateur simple dans sa conception, présentant une grande commodité d'emploi et en particulier de connexion et déconnexion à un dispositif d'analyse, permettant d'incorporer de l'eau en phase vapeur dans des gaz, en particulier pour la spectrométrie d'émission atomique, par exemple de type ICP. Un avantage particulièrement intéressant de cette invention est que l'eau contenue dans le récipient est à la pression atmosphérique ou approximativement, ce qui permet de remplir ledit récipient sans arrêter le fonctionnement de l'humidificateur. De plus, comme l'humidificateur fonctionne à pression atmosphérique, il n'y a pas de réservoir sous pression dans la ligne de gaz de nébulisation, ce qui supprime tout échappement à la pression atmosphérique. A cet effet, l'invention concerne un humidificateur de gaz comprenant un récipient à eau liquide, une porte d'entrée pour l'introduction du gaz dans le récipient et une porte de sortie du gaz du récipient. Selon l'invention, l'humidificateur comprend des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur dans le gaz, le gaz circulant dans lesdits moyens, lesdits moyens comportant une membrane au moins partiellement immergés dans l'eau liquide. On entend ici par "membrane", tout corps poreux, dont les pores sont suffisamment petits pour empêcher le passage d'eau en phase liquide mais assez gros pour permettre le passage de l'eau en phase vapeur. Dans différents modes de réalisation particuliers de l'humidificateur, 5 chacun ayant ses avantages particuliers et susceptibles de nombreuses combinaisons techniques possibles: - ladite membrane est la paroi d'un tube relié aux portes d'entrée et de sortie, - ladite membrane est la paroi d'une spirale reliée aux portes d'entrée et 10 de sortie, - le récipient et les portes d'entrée et de sortie forment une seule pièce monobloc obtenue directement par moulage, - ladite pièce monobloc est en plastique, - le récipient comporte un couvercle permettant d'ajuster le niveau 15 d'immersion des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur dans le gaz, - les portes d'entrée et de sortie sont des connecteurs, - le récipient comprend de l'eau liquide déionisée, - le récipient comprend de l'eau liquide distillée. L'humidificateur tel que décrit précédemment peut avantageusement être utilisé pour la spectrométrie d'émission atomique, en particulier de type ICP, et également pour d'autres types de spectrométrie telle que la spectrométrie d'absorption atomique. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins 25 annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique de l'humidificateur selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue en face arrière de l'humidificateur de la figure 1. Une des conditions déterminantes pour la qualité d'une analyse par spectrométrie d'émission est la manière dont l'analyte est introduite dans le dispositif d'excitation. Il faut éviter par exemple l'introduction de gouttelettes dans le dispositif d'excitation, ce qui pourrait entraîner l'apparition d'instabilité dans le spectre d'émission. Ainsi pour un dispositif d'excitation de type ICP, il est essentiel que l'humidification du gaz support du plasma, typiquement de l'Argon, soit obtenue sans formation de gouttelettes. L'humidificateur comprend donc des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur dans le gaz, ce qui permet d'éliminer toute possibilité de formation desdites gouttelettes. La Figure 1 représente schématiquement un humidificateur selon un mode de réalisation particulier de l'invention. L'humidificateur comprend un récipient 1 destiné à contenir de l'eau liquide qui peut être déionisée et! ou distillée ou autre... De préférence, ce récipient 1 comprend un couvercle 2 venant couvrir la paroi 3 dudit récipient 1 pour fermer celuici. Les pertes de liquide lors de la manipulation de l'humidificateur pour sa connection ou déconnection du nébuliseur sont ainsi évitées. Ce couvercle 2 peut être amovible ou non et dans le premier cas, il peut alors être fixé par vissage. L'humidificateur comprend également une porte d'entrée 4 pour l'introduction du gaz dans le récipient 1 et une porte de sortie 5 du gaz dudit récipient. La porte d'entrée 4 pour l'introduction du gaz est, en général, reliée à une source de gaz permettant d'alimenter un dispositif d'analyse en gaz sec, i.e. très faiblement ou non humide. Cette porte d'entrée 4 est par exemple un connecteur d'entrée reliée à une ligne de transfert d'un gaz, elle-même connectée à ladite source de gaz. La porte de sortie 5 du gaz peut être également un connecteur auquel un nébuliseur par exemple est relié aussi près que possible. Avantageusement, le récipient 1 ainsi que les portes d'entrée 4 et de sortie 5 forment une seule pièce monobloc obtenue directement par moulage. Cette pièce monobloc est par exemple en plastique. On obtient ainsi à moindre coût puisque obtenu quasiment en une seule opération de moulage un humidificateur pouvant être connecté en série au dispositif d'analyse. Il suffit en fait de lui adjoindre simplement des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur 6 pour compléter le dispositif d'humidification. L'humidificateur monobloc ainsi obtenu est compact et facile à manipuler (à la main ou directement par un élément de machine automatisé) sans risque de désassemblage de ses parties constitutives et avec des risques très réduits de détérioration en cas de chute ou de chocs intempestifs. L'humidificateur ainsi réalisé peut porter avantageusement une marque d'identification individuelle permettant de déterminer la nature de l'eau liquide 7 destinée à être contenue dans le récipient (distillée, déionisée, ...). Dans d'autres modes de réalisation, la pièce monobloc est en inox ou inox revêtu de téflon, ou autre. Les moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur 6 dans lesquels circule le gaz à humidifier comprennent une membrane. Cette membrane a une paroi en contact d'un coté avec l'eau liquide 7 et de l'autre avec le gaz (Fig. 2). La membrane 6 peut former la paroi d'un tube creux ou d'une spirale creuse. Mais elle n'est cependant pas limitée à ces exemples et peut prendre tout autre forme permettant une circulation du gaz à humidifier à l'intérieur de celle-ci et offrant extérieurement une surface de contact avec l'eau liquide 7. Typiquement, lors de l'introduction du gaz dans la membrane au moins partiellement immergée dans l'eau liquide 7, les molécules d'eau qui sont adsorbés sur la paroi interne de la membrane, i.e. en contact avec le gaz, sont très rapidement libérées dans le flux du gaz et entraînées avec ce dernier. Le gaz est ainsi humidifié. La membrane est par exemple en téflon modifié. Le gaz à humidifier est introduit par la porte d'entrée 4 du récipient 1 dans les moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur 6 et le gaz humidifié est reçu en sortie à la porte de sortie 5 de l'humidificateur. Les moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur 6 dans le gaz comprennent une membrane au moins partiellement immergés et de préférence, totalement immergés dans l'eau liquide 7. Le récipient 1 permet avantageusement à l'opérateur de pouvoir accéder auxdits moyens 6 pour varier le niveau d'immersion de la membrane dans l'eau liquide 7 faisant ainsi varier la surface d'interaction entre le gaz en circulation et la paroi de la membrane en contact avec ledit gaz. Le taux d'humidité du gaz est ainsi varié. Ce taux dépend bien évidemment d'autres paramètres tel que la pression du gaz à l'intérieur des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur 6. Les dimensions typiques du récipient 1 pour contenir de l'eau liquide 7 sont dans un mode de réalisation particulier 80 x 80 x 60 (mm). Les dimensions de la paroi du tube sont alors de 250 mm de longueur et 3 mm de diamètre. Ces dimensions permettent avantageusement dans un mode de mise en oeuvre d'obtenir un taux d'humidification proche de 90% dans le cas d'un flux d'Argon de un litre par minute pour un spectromètre d'émission atomique de type ICP. 6 REVENDICATIONS 1. Humidificateur de gaz comprenant un récipient à eau liquide (1), une porte d'entrée (4) pour l'introduction du gaz dans le récipient (1) et une porte de sortie (5) du gaz du récipient, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur (6) dans le gaz, le gaz circulant dans lesdits moyens (6), lesdits moyens (6) comportant une membrane au moins partiellement immergés dans l'eau liquide (7). 2. Humidificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane est la paroi d'un tube relié aux portes d'entrée (4) et de sortie (5). 3. Humidificateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite membrane est la paroi d'une spirale reliée aux portes d'entrée (4) et de sortie (5)- 4. Humidificateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le récipient (1) et les portes d'entrée (4) et de sortie (5) forment une seule pièce monobloc obtenue directement par moulage. 5. Humidificateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite pièce monobloc est en plastique. 6. Humidificateur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le récipient (1) comporte un couvercle (2) permettant d'ajuster le niveau d'immersion des moyens pour incorporer de l'eau en phase vapeur (6) dans le gaz. 7. Humidificateur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les portes d'entrée (4) et de sortie (5) sont des connecteurs. 8. Humidificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le récipient comporte de l'eau liquide (7) déionisée. 9. Humidificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le récipient comporte de l'eau liquide (7) distillée. 10. Utilisation de l'humidificateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 pour la spectrométrie d'émission atomique.