# Elaboration de matériaux d'extraction pour la détermination spectrophotométrique du sélénium inorganique dans les eaux

Jean Luc Boudenne, Bruno Coulomb, Geoffrey Depecker, Catherine Branger, André Margaillan, Thierry Pigot, Sylvie Blanc

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Jean Luc Boudenne, Bruno Coulomb, Geoffrey Depecker, Catherine Branger, André Margaillan, et al.. Elaboration de matériaux d'extraction pour la détermination spectrophotométrique du sélénium inorganique dans les eaux. 7ème congrès international du GRUTTEE, Groupement de Recherche Universitaire sur les Techniques de Traitement et d'Epuration des Eaux, Oct 2007, Pau, France. hal-05363776

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# Elaboration de matériaux d'extraction pour la détermination spectrophotométrique du sélénium inorganique dans les eaux

Jean-Luc Boudenne<sup>a</sup>, Bruno Coulomb<sup>a</sup>, Geoffrey Depecker<sup>a-b</sup>
Catherine Branger<sup>b</sup>, André Margaillan<sup>b</sup>
Thierry Pigot<sup>c</sup>, Sylvie Blanc<sup>c</sup>

## Résumé

Les travaux présentés concernent la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux permettant l'extraction en phase solide des différentes formes de sélénium inorganique en milieu aqueux, dans le but de réaliser un analyseur de terrain. Il s'agit de supports (résine ou membrane) portant un complexant fluorescent spécifique du sélénium (2,3-diamino-naphtalène) qui seront analysés directement par spectrophotométrie UV-Visible (réflexion diffuse et fluorescence). Le greffage du ligand a été mis en évidence par Pyrolyse-GC et IRTF et les taux ont été évalués par un dosage acido-basique en retour. Avant de quantifier le sélénium sur les supports solides, les propriétés des complexes ont été étudiées en solution (stœchiométrie, stabilité, cinétique de formation, spectres électroniques).

## Introduction

L'essor des méthodes alternatives pour l'analyse et la détermination sur site des teneurs en contaminants organiques et minéraux s'explique par la prise en considération des impacts sanitaires et environnementaux induits par la présence anthropique mais aussi naturelle de ce type de composés. Les outils analytiques de terrain doivent répondre aux différents textes législatifs qui imposent un suivi régulier de la qualité des eaux superficielles¹, de la qualité des eaux traitées rejetées dans le milieu naturel² et de la qualité des eaux brutes destinées à la consommation humaine³. Le principe d'autosurveillance⁴ (ou d'autocontrôle) suppose le développement d'analyseurs sur site⁵ qui permettent de quantifier rapidement les teneurs en certains composés toxiques afin de réagir rapidement en cas de pollution accidentelle ou afin de vérifier les bons rendements de certaines filières de traitement des eaux. L'analyse quantitative et sélective des différentes formes de composés métalliques dans les eaux est particulièrement délicate lorsque ces composés se trouvent sous forme d'oxyanions. Seules des méthodes couplées peuvent permettre de résoudre ces difficultés mais ne peuvent en aucun cas être appliquées à des mesures hors laboratoire. Généralement, l'eau potable excède rarement $10 \mu g l^{-1}$ de sélénium⁶, mais les concentrations peuvent atteindre $1600 \mu g l^{-1}$ dans l'eau de surface des régions sélénifères.⁷ La limite acceptable de Se dans l'eau potable⁸ est établie à 5 $\mu g l^{-1}$. Les méthodes classiques de détermination, telles que la spectrométrie d'absorption atomique avec génération d'hydrures, la spectrométrie d'émission atomique avec plasma couplé par induction pour le dosage des formes totales⁹, ou des méthodes permettant la spéciation des différentes formes avec le couplage de ces méthodes spectroscopiques avec des techniques séparatives¹⁰ ou électrochimiques¹¹, sont des outils analytiques difficilement transposables pour l'analyse sur site.

Afin de développer une nouvelle procédure analytique de détermination des espèces inorganiques du sélénium sur le terrain nous avons élaboré de nouveaux supports d'extraction sélectifs dans le cadre du projet ARSENIUM*. Il s'agit de membranes de type polymère greffées avec un ligand fluorescent spécifique du sélénium, le 2,3-diaminonaphtalène (DAN). La spectrofluorimétrie sur phase solide (généralement des ligands imprégnés sur des résines¹²) a déjà été utilisée avec succès pour la détection de composés organiques dans des fluides biologiques¹³ et dans le milieu naturel¹⁴ mais reste très peu utilisée pour la détection d'espèces inorganiques. Le greffage du complexant assure une durée de vie plus longue aux supports élaborés en évitant de relargage du ligand au cours du temps. Après percolation des échantillons sur ces supports modifiés, les oxyanions complexés sur ces matériaux sont analysés directement par spectrophotométrie UV-Visible en réflexion diffuse ou fluorescence, évitant ainsi une étape d'élution.

<footnote><sup>a</sup> Laboratoire Chimie et Environnement, FRE2704, Université de Provence - CNRS,3 place Victor Hugo -case 29-, 13331 Marseille cedex 3 ;</footnote>

<footnote><sup>b</sup> Laboratoire Matériaux à Finalités Spécifiques, EA1356, Université du Sud-Toulon-Var, ISITV -BP56-, 83162 La Valette du Var ;</footnote>

<footnote><sup>c</sup> Equipe Chimie Physique, IPREM, UMR5254, Université de Pau et des Pays de l'Adour, Avenue de l'Université, BP 1155, 64013 Pau cedex.</footnote>

<footnote>* ARSENIUM est l'acronyme d'un projet de recherche financé par l'Agence Nationale de la Recherche (Programme Jeunes Chercheurs 2005) : *Développement de sondes fluorescentes pour la détermination des différentes formes d'arsenic et de sélénium inorganiques dans les eaux*</footnote>
## Propriétés en solution

La première étape du travail consiste à trouver un ligand spécifique du sélénium. Il doit être fluorescent afin d'augmenter la sensibilité de la détection, réagir rapidement pour avoir un résultat en temps réel et être peu onéreux en vue des applications recherchées. De nombreuses méthodes colorimétriques de dosage du sélénium sont basées sur des mécanismes d'oxydo-réduction suivis de réactions avec des amines comme le couplage de la p-nitroaniline avec le NEDA (N-(1-naphthalène-1-yl)éthane-1,2-diamine dihydrochlorure)¹⁵. Le sélénium est également détecté par spectrophotométrie au cours de son action catalytique lors de la réduction par le sulfure de composés tels que la resazurin¹⁶. Ces techniques efficaces nécessitent des mesures en laboratoire. Les complexants comme le bismuthiol II¹⁷ ou l'acide J¹⁸ sont peu sélectifs tandis que les dérivés de l'anthraquinone (diaminochrysazine¹⁹, 1,1'-dianthrimide²⁰), plus spécifiques, requièrent plusieurs heures de chauffage dans l'acide sulfurique concentré. Quelques références mentionnent la complexation du sélénium avec des dérivés du diaminobenzène ou du naphtalène²¹ cependant l'emploi du 2,3-diaminonaphtalène (Figure 1) comme agent analytique pour la détermination du sélénium reste le plus cité notamment en biologie²² ou dans le domaine de l'environnement.²³ Signalé pour la première fois par Parker et Harvey²⁴ en 1962, ce composé est essentiellement utilisé comme réactif de dérivation avant dosage par chromatographie couplée tantôt à une détection fluorimétrique tantôt à la spectroscopie d'absorption atomique¹.

C'est un composé quasiment insoluble dans l'eau²⁵, sauf en milieu très acide²⁶. Il est soluble dans de nombreux solvants organiques tels que le chloroforme, le tétrachlorure de carbone et dans des solvants miscibles dans l'eau, comme le méthanol, l'éthanol, le tétrahydrofurane, 1,4-dioxane ou l'acétonitrile. La réaction entre le DAN et le sélénium Se (IV) donne un complexe fluorescent appelé 2,4-benzopiazsélénol²⁷. Ce dernier se forme en milieu aqueux et est habituellement extrait à l'aide de cyclohexane²⁸. Il a été montré que les solvants organiques peuvent augmenter l'intensité de fluorescence de ce complexe et réduire l'effet d'extinction du à la viscosité.²⁹.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1 :** Formule chimique du 2,3-diaminonaphtalène et représentation schématique de la structure cristallographique du 2,4-benzopiazsélénol</figcaption></figure>

Parmi les différents solvants organiques testés (1,4-dioxane, tétrahydrofuranne, méthanol, éthanol, méthylisobutylcétone (MBIK) et acétonitrile), seul l'acétonitrile permet d'obtenir une sensibilité intéressante sans doute liée à la solubilisation totale du DAN et du complexe formé avec le sélénium. Le maximum de l'intensité de fluorescence du complexe Se(IV)-DAN a été mesuré à 364 nm pour la longueur d'onde d'excitation tandis que les longueurs d'ondes d'émission varient en fonction du solvant (MIBK 565nm, THF 580 nm, acétonitrile et 1,4-dioxane 587 nm, éthanol 597nm, méthanol 603 nm). Afin de solubiliser le DAN et son complexe en milieu aqueux et pour obtenir une complexation effective en moins de 5 minutes, il faut opérer à $p[H] = 2$ et à une température de 80°C.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2 :** Spectre d'émission de fluorescence du complexe formé entre le DAN ($2 \times 10^{-5}$ M) et le sélénium ($\lambda_{ex} = 364$ nm)</figcaption></figure>

La limite de détection (LD) correspond à celle utilisée par la Norme AFNOR XP T 90-210 qui établit la limite de détection comme la concentration correspondant à la signal moyen du blanc ($Y_{blanc}$) auquel il est ajouté $K_d$ fois la valeur de l'écart type de ce même blanc ($S_{blanc}$), pour une série de n mesures répétées du blanc. La limite de quantification est définie comme la concentration du signal moyen du blanc ($Y_{blanc}$) auquel il ajouté dix fois la valeur de l'écart type du blanc ($S_{blanc}$), pour une série de n mesures répétées du blanc. La gamme de concentrations de sélénium quantifiables est similaire en milieu organique et en milieu aqueux, soit environ de 0,2 mg.l⁻¹ à 1,6 mg.l⁻¹. Cependant, la
sensibilité est nettement meilleure dans le cas du solvant mixte eau/acetonitrile (10/90) que dans le cas du milieu aqueux à p[H] = 2 et 80°C, avec respectivement 3,5 µg.l⁻¹ et 34,5 µg.l⁻¹.

Afin d'obtenir des paramètres cinétiques de la complexation nous avons suivi la réaction en fonction du temps, à p[H]= 2 en milieu aqueux pour des concentrations initiales en sélénium égales à 10⁻⁵ M et des teneurs en DAN égales à 2,5×10⁻⁴ M et des températures comprises entre 20 et 80°C. Les résultats obtenus ont montré qu'il s'agit d'une réaction d'ordre 1 par rapport au sélénium, et ceci quelle que soit la température du mélange réactionnel.

## Synthèse et caractérisation des matériaux

Des travaux antérieurs réalisés sur des membranes Empore SDB-XC nous ont montrés qu'il est possible de greffer sur ce support plusieurs types de ligands³⁰ pour l'extraction sélective de cations métalliques³¹. C'est un matériau stable, inerte et qui est couramment utilisée pour des applications en SPE (Solid Phase Extraction). De plus, il est non coloré se prêtant parfaitement à des mesures de réflectance. Cette membrane est constituée de bille de résine de poly(styrène-co-divinylbenzène) incluses dans une matrice polytérafluoroéthylène filaire (PTFE, figure 1). Cependant avant de greffer les membranes, des essais ont été réalisés au niveau moléculaire et sur la résine XAD-4 copolymère de divinylbenzène (DVB) et d'éthylvinylbenzène (EVB) de composition similaire à la membrane, des produits moins coûteux ce qui permet de vérifier la faisabilité des réactions et d'optimiser les rendement.

Le choix des voies de greffage a été dicté par le souci de réduire au maximum le nombre d'étapes à réaliser sur les membranes. Diverses fonctions peuvent être introduites au niveau des noyaux aromatiques (chlorure d'acide, amine). Nous avons choisi de greffer les ligands sélectionnés via un pont diazoïque et donc introduire une fonction amine sur le support. Ceci se fait en deux étapes successives : nitration et réduction. Ces étapes ont été optimisées sur la résine XAD-4 puis transposées sur la membrane en tenant compte de 2 paramètres important la durée de réaction et les quantité de réactif. La première consiste en une nitration des noyaux benzéniques des supports, soit en milieu HNO₃/H₂SO₄, soit en conditions plus douces HNO₃/Ac₂O dans différents types de solvant (H₂O, CCl₄, CH₂Cl₂). La validation de cette première étape a été faite par IRTF et a montré que les meilleurs résultats en termes de rendement et de coloration du support étaient obtenus avec le premier milieu. La seconde étape consiste à réduire le groupement nitro à l'aide de chlorure d'étain (SnCl₂) en présence d'HCl durant 15h à 90°C en milieu éthanol. Les supports ainsi fonctionnalisés, ainsi que les différentes étapes permettant leur synthèse, ont été caractérisés par différentes techniques analytiques (IRTF, RMN CP-M, Pyr-CG-SM et réflexion diffuse).

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 3 :** *Structure des supports*</figcaption></figure>

Afin d'évaluer la possibilité de greffage via un pont diazoïque du DAN sur les supports fonctionnalisés et pour optimiser les conditions opératoires, le greffage a d'abord été réalisé sur une molécule modèle, la 4-éthylaniline (EA), en 2 étapes : formation d'un sel de diazonium de EA en présence de NaNO₂ et d'HCl, puis greffage du DAN en étudiant l'influence de la température de réaction et la nature du milieu réactionnel. Le produit obtenu a été caractérisé par Pyr-GC/MC, RMN et IRTF et a été étudié par ATD/ATG. Les résultats montrent que la méthode de greffage retenue est sélective (1 seul isomère isolé) et que les rendements sont supérieurs à 70%. Ces bons résultats, nous ont permis de développer le greffage du DAN sur la résine en extrapolant le mode opératoire utilisé sur l'EA c'est-à-dire greffage en deux étapes passant par la synthèse du sel de diazonium. Les greffages du DAN se font avec des taux de l'ordre de 0,43 mmol g⁻¹ pour la résine et de 0,22 mmol g⁻¹ pour la membrane.
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 4 :** Voie de synthèse de supports sélectifs pour l'extraction de sélénium</figcaption></figure>

La complexation d'une solution de sélénium dans un tampon glycine à p[H] = 2 a été validée par des essais de percolation à travers les supports greffés par analyses rayons X couplées au MEB (EDAX). Les premières mesures effectuées en présence de sélénium montrent qu'il n'y a pas de rétention de Se par la résine XAD-4 vierge. Les résultats obtenus montrent que la séquestration du sélénium inorganique (formation d'un naphto-2-selena-1,3-diazole) est plus importante sur les supports élaborés en milieu sulfonitrique (comparés à ceux obtenus en milieu (HNO₃/Ac₂O). Ils montrent également que la cinétique de complexation est fortement dépendante de la température de l'échantillon percolé. Les études par réflectance diffuse et fluorescence UV-Visible sont en cours.

[1] Décret n°2005-378 du 20 avril 2005 relatif au programme national d'action contre les pollutions des milieux aquatiques par certaines substances dangereuses (Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable).

[2] Arrêté du 17 août 1998 modifiant l'arrêté du 2 février 1998 relatif aux prélèvements et à la consommation d'eau ainsi qu'aux émissions de toute nature des installations classées pour la protection de l'environnement soumises à autorisation.

[3] Annexe 13-2 du décret n°2003-461 du 21 mai 2003 relatif à certaines dispositions réglementaires du code de la santé publique : Contrôle et programmes d'analyse des échantillons d'eau mentionnée aux articles R. 1321-15, R. 1321-16 et R. 1321-24.

[4] Article 18-1 du décret 2001-1220 du 20 décembre 2001 relatif aux eaux destinées à la consommation humaine, à l'exclusion des eaux minérales naturelles

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