Travaux pratiques de contrôle qualité (partie 3/8)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Expliquer le principe de la turbidimétrie et réaliser le dosage du soufre dans un échantillon d’eau ou de boue en suivant un protocole normalisé. - Décrire le fonctionnement d’un spectrophotomètre d’émission de flamme et déterminer les concentrations de calcium, fer et zinc dans des solutions préparées à partir de sols, d’engrais ou d’eaux usées. - Utiliser un spectrophotomètre d’absorption atomique (AAS) pour quantifier des éléments minéraux (Fe, Cu, Mn, Zn…) dans des matrices diverses après minéralisation appropriée. - Appliquer les règles de sécurité, d’hygiène et de métrologie liées à chaque technique (manipulation de réactifs corrosifs, utilisation de flammes, gestion des déchets). **Prérequis nécessaires :** - Notions de base en chimie analytique (solutions, dilution, loi de Beer‑Lambert). - Connaissance des unités de concentration (mg L⁻¹, ppm, ppb) et de la préparation des étalons. - Maîtrise des pratiques de laboratoire (pipetage, utilisation de balons jaugés, nettoyage du matériel). - Sensibilisation aux risques chimiques (acides, solvants) et aux risques liés aux flammes ouvertes. --- ## Introduction contextualisée Dans les industries agro‑alimentaires, minières et de traitement des eaux au Cameroun, le contrôle qualité repose sur la capacité à mesurer rapidement et précisément des éléments traces ou des composés spécifiques. Le dosage du soufre par turbidimétrie permet de surveiller la teneur en sulfures dans les eaux de rejet des usines de transformation du caoutchouc ou des minerais. La spectrophotométrie d’émission de flamme offre une méthode simple et peu coûteuse pour le suivi du calcium dans les laits, du fer dans les engrais et du zinc dans les aliments pour bétail. Enfin, la spectrophotométrie d’absorption atomique, plus sensible, est indispensable pour la détection de métaux lourds dans les sols agricoles ou les boues de stations d’épuration. Ce chapitre présente les trois techniques au travers de protocoles réalisables en atelier technique, avec les précautions nécessaires pour garantir la fiabilité des résultats et la sécurité des opérateurs. --- ## I. Dosage du soufre par turbidimétrie ### Principe de la turbidimétrie La turbidimétrie mesure la diminution de l’intensité de la lumière transmise à travers une suspension colloïdale. Lorsque le soufre sous forme d’ions sulfure (S²⁻) réagit avec le formaldéhyde en milieu acide, il se forme une colloïdale de soufre élémentaire qui trouble la solution. La perte de transmission est proportionnelle à la concentration de soufre selon une relation de type Beer‑Lambert adaptée à la diffusion : \[ T = T_0 \, e^{-k\,c\,l} \] où \(T\) est la transmission mesurée, \(T_0\) celle du blanc, \(k\) une constante dépendant de la longueur d’onde et de la taille des particules, \(c\) la concentration de soufre et \(l\) la longueur du trajet optique. > **> La turbidimétrie est particulièrement adaptée aux concentrations faibles (0,1–10 mg L⁻¹) où la formation de particules colloïdales est linéaire avec la concentration.** ### Réactifs et matériel - Réactif A : solution de chlorure d’hydrogène 0,1 N (pour acidifier). - Réactif B : solution de formaldéhyde 37 % (v/v). - Eau distillée déionisée. - Tubes à verre borosilicaté de 10 mL avec bouchons. - Spectrophotomètre réglé à 540 nm (ou turbidimètre dédié). - Pipettes graduées (0,1–10 mL), burette, chronomètre. - Gants nitrile, lunettes de protection, blouse de laboratoire. ### Protocole expérimental pas à pas 1. **Préparation du blanc** : Dans un tube, mélanger 5 mL d’eau distillée, 0,5 mL de réactif A et 0,5 mL de réactif B. Homogénéiser et laisser réagir 5 min à température ambiante. 2. **Préparation de l’échantillon** : Prélever 5 mL de l’échantillon à analyser (eau de procédé, boue diluée 1/10 si nécessaire). Ajouter 0,5 mL de réactif A puis 0,5 mL de réactif B. Mélanger et démarrer le chronomètre. 3. **Mesure** : Après exactement 5 min de réaction, transférer la solution dans la cuve du spectrophotomètre et noter la transmission \(T\) (en %). Effectuer trois lectures et prendre la moyenne. 4. **Étallonnement** : Préparer une série d’étalons de soufre (ex. 0, 2, 4, 6, 8, 10 mg L⁻¹) à partir d’une solution mère de sulfure de sodium (Na₂S) connue, préparée à partir d’un étalon certifié de sulfure (ex. Na₂S·9H₂O), en suivant les mêmes étapes 1‑3. Tracer la courbe de transmission versus concentration. 5. **Calcul** : À partir de la courbe d’étalonnage, lire la concentration correspondant à la transmission moyenne de l’échantillon. ### Exemple chiffré entièrement résolu Supposons que la transmission moyenne du blanc soit \(T_0 = 92 %\). Pour un échantillon, on obtient \(T = 68 %\). La courbe d’étalonnage (déterminée précédemment) donne la relation linéaire : \[ \%T = 92 - 2,4 \, c \quad (c \text{ en mg L}^{-1}) \] En résolvant pour \(c\) : \[ c = \frac{92 - \%T}{2,4} = \frac{92 - 68}{2,4} = \frac{24}{2,4} = 10 \text{ mg L}^{-1} \] Ainsi, la concentration de soufre dans l’échantillon est de **10 mg L⁻¹**. ### Normes et sécurité - Respecter la norme NF EN ISO 11732 (détermination du sulfure par méthode spectrophotométrique) ; pour la turbidimétrie, appliquer une procédure interne validée conforme à cette norme. - Travailler sous hotte lorsqu’on manipule le formaldéhyde (irritant, potentiellement cancérigène). - Éliminer les déchets contenant du formaldéhyde dans les conteneurs dédiés aux déchets chimiques dangereux, conformément à la réglementation camerounaise (Arrêté n° 001/MINEPAT du 12 janvier 2020). - Vérifier l’étalonnage du spectrophotomètre chaque semaine avec une solution de référence de sulfate de baryum (BaSO₄) connue. --- ## II. Spectrophotométrie d’émission de flamme : Ca, Fe et Zn ### Principe de l’émission de flamme Lorsque une solution contenant un élément métallique est introduite dans une flamme chaude (air‑acétylène ≈ 2100 K ou protoxyde d’azote‑acétylène ≈ 2800 K), les atomes sont excités à des niveaux d’énergie supérieurs. En retombant à leur état fondamental, ils émettent des photons dont la longueur d’onde est caractéristique de l’élément. L’intensité du rayonnement mesuré à cette longueur d’onde est proportionnelle à la concentration de l’élément dans la solution, selon la loi d’émission linéaire : \[ I = k \, c \] où \(I\) est l’intensité mesurée, \(k\) une constante dépendant de l’instrument et de la flamme, et \(c\) la concentration. > **> L’émission de flamme est linéaire sur une gamme de concentrations généralement comprise entre 0,1 et 100 mg L⁻¹ pour Ca, Fe et Zn.** ### Instrumentation - **Source de flamme** : brûleur à gaz avec régulation du débit d’air et d’acétylène (ou protoxyde d’azote). - **Monochromateur** : réseau de diffraction permettant de sélectionner la longueur d’onde d’émission (Ca : 422,7 nm ; Fe : 371,9 nm ; Zn : 213,9 nm). - **Détecteur** : photomultiplicateur tube (PMT) ou diode à état solide. - **Système d’aspiration** : nébuliseur à effet Venturi pour transformer la solution en aérosol fin. - **Affichage** : lecture directe en concentration après étalonnage ou sortie analogique pour enregistrement. ### Préparation des échantillons 1. **Minéralisation (si nécessaire)** : Pour les sols ou les boues, réaliser une digestion à l’acide nitrique concentré (HNO₃ 65 %) à 120 °C pendant 2 h, puis filtrer. 2. **Dilution** : Ajuster la concentration de l’analyte dans la gamme linéaire (ex. diluer 1/10 pour un sol contenant ~500 mg kg⁻¹ de Fe). 3. **Matrice** : Ajouter un agent de libération (ex. lanthane 1 % pour réduire les interférences de phosphate sur le Ca). 4. **Blanc** : préparer une solution identique contenant tous les réactifs sauf l’analyte. ### Protocole de mesure - Allumer la flamme et laisser se stabiliser 10 min. - Sélectionner la longueur d’onde correspondant à l’élément à analyser. - Aspirer le blanc et mettre l’instrument à zéro. - Aspirer successivement les étalons (ex. 0, 2, 5, 10, 20 mg L⁻¹) et noter les intensités. Tracer la courbe d’étalonnage (intensité vs concentration). - Aspirer l’échantillon inconnu et lire la concentration directement ou en interpolant sur la courbe. - Effectuer trois répliques et calculer la moyenne. ### Exemple de calcul (détermination du Ca dans un lait) Étalon : 0 mg L⁻¹ → I = 12 a.u. ; 5 mg L⁻¹ → I = 62 a.u. ; 10 mg L⁻¹ → I = 112 a.u. Régression linéaire donne : \(I = 10\,c + 12\). Échantillon de lait (dilution 1/50) donne I = 72 a.u. \[ c = \frac{I - 12}{10} = \frac{72 - 12}{10} = 6 \text{ mg L}^{-1} \] Concentration réelle dans le lait (en tenant compte du facteur de dilution) : \[ C_{\text{lait}} = 6 \times 50 = 300 \text{ mg L}^{-1} = 300 \text{ ppm} \] ### Sécurité et entretien - Vérifier labsence de fuites de gaz avant chaque utilisation (détecteur de combustible). - Nettoyer le nébuliseur après chaque série pour éviter l’encrassement par les sels. - Éliminer les déchets acides (HNO₃) dans les conteneurs de déchets dangereux. - Porter des lunettes de protection anti‑projection et des gants résistants à la chaleur lorsqu’on ajuste la flamme. --- ## III. Spectrophotométrie d’absorption atomique : éléments minéraux ### Principe de l’absorption atomique (AAS) Dans un four à graphite ou une flamme, les atomes de l’élément d’intérêt sont à l’état fondamental. Lorsqu’ils sont éclairés par une lampe à cathode creuse émettant la longueur d’onde caractéristique, ils absorbent une fraction de la radiation. L’absorbance \(A\) est liée à la concentration par la loi de Beer‑Lambert adaptée à l’absorption atomique : \[ A = \log\frac{I_0}{I} = \varepsilon \, b \, c \] où \(I_0\) est l’intensité incidente, \(I\) l’intensité transmise, \(\varepsilon\) le coefficient d’absorption atomique, \(b\) la longueur du trajet optique (généralement 1 cm) et \(c\) la concentration. > **> L’AAS offre des limites de détection pouvant atteindre quelques µg L⁻¹, idéal pour les traces de métaux lourds dans les sols et les eaux.** ### Types de flamme et lampes - **Flamme air‑acétylène** : température ~ 2100 K, adaptée à la plupart des éléments (Ca, Mg, Cu, Zn). - **Flamme protoxyde d’azote‑acétylène** : température ~ 2800 K, nécessaire pour les éléments réfractaires (Al, Ti, V). - **Lampe à cathode creuse (HCC)** : remplie du gaz noble (argon ou néon) contenant le métal à analyser ; émet des lignes spectrales nettes et intenses. ### Préparation des échantillons (minéralisation) 1. **Pesée** : 0,5 g d’échantillon sec (sol, plante, déchet). 2. **Addition d’acides** : 5 mL d’HNO₃ concentré + 2 mL d’HCl concentré (mixte aqua regia) pour assurer la solubilisation des métaux. 3. **Chauffage** : placer le tube dans un bloc digesteur à 120 °C pendant 1 h, puis augmenter à 180 °C pendant 30 min si nécessaire. 4. **Refroidissement et filtration** : filtrer sur papier Whatman n°1, ramener le volume à 25 mL avec de l’eau distillée. 5. **Dilution** : ajuster la concentration pour rester dans la linéarité de l’étalon (ex. 1/10 pour un sol contenant ~200 mg kg⁻¹ de Fe). ### Protocole de mesure - Allumer la flamme et laisser se stabiliser 15 min. - Sélectionner la lampe HCC correspondant à l’élément (ex. Fe : lampe au fer). - Régler la longueur d’onde sur la ligne d’absorption principale (Fe : 248,3 nm). - Aspirer le blanc (solution d’acide seule) et mettre l’instrument à zéro. - Aspirer les étalons préparés à partir d’une solution mère de Fe (ex. FeSO₄·7H₂O) à des concentrations connues (0, 1, 2, 5, 10 mg L⁻¹). Noter l’absorbance et tracer la courbe d’étalonnage. - Aspirer l’échantillon inconnu, relever l’absorbance, déterminer la concentration par interpolation. - Effectuer trois mesures et calculer la moyenne. ### Exemple de calcul (détermination du Fe dans un sol) Étalon : 0 mg L⁻¹ → A = 0,002 ; 2 mg L⁻¹ → A = 0,148 ; 5 mg L⁻¹ → A = 0,372 ; 10 mg L⁻¹ → A = 0,745. Régression : \(A = 0,0745 \, c + 0,002\). Échantillon (dilution 1/20) donne A = 0,210. \[ c = \frac{A - 0,002}{0,0745} = \frac{0,210 - 0,002}{0,0745} = \frac{0,208}{0,0745} \approx 2,79 \text{ mg L}^{-1} \] Concentration réelle dans le sol : \[ C_{\text{sol}} = 2,79 \times 20 = 55,8 \text{ mg kg}^{-1} \] ### Sécurité, entretien et calibration - Vérifier l’étanchéité du système de gaz avant chaque utilisation (détecteur de fuites). - Nettoyer la tête du nébuliseur avec de l’acide nitrique dilué (1 %) après chaque série pour prévenir les dépôts. - Effectuer un contrôle de qualité quotidien avec une solution de référence certifiée (ex. NIST SRM 1643e pour les métaux traces). - Éliminer les résidus d’acide concentré dans les conteneurs de déchets dangereux conformément à la législation camerounaise (Décret n° 2015/123 du MINEEP). - Porter en permanence lunettes de protection, gants nitrile et blouse de laboratoire ; éviter les éclaboussures lors de l’ajout d’acides concentrés. --- ## Synthèse du chapitre - **Turbidimétrie** : mesure de la perte de transmission due à la formation de particules colloïdales ; utilisée pour le dosage du soufre (0,1–10 mg L⁻¹) ; réaction S²⁻ + HCHO → S⁰ colloïdal ; lecture à 540 nm ; respecter les temps de réaction (5 min) et se référer à la norme NF EN ISO 11732 (détermination du sulfure par méthode spectrophotométrique) ou à une procédure interne validée. - **Émission de flamme** : excitation atomique dans une flamme air‑acétylène ou protoxyde d’azote‑acétylène ; intensité émise proportionnelle à la concentration (I = k·c) ; longueurs d’onde caractéristiques : Ca 422,7 nm, Fe 371,9 nm, Zn 213,9 nm ; nécessité d’un blanc et d’étalons linéaires ; précautions liées aux gaz combustibles et aux températures élevées. - **Absorption atomique (AAS)** : absorption de radiation par des atomes à l’état fondamental ; absorbance liée à la concentration par A = ε·b·c ; flamme air‑acétylène (2100 K) ou protoxyde d’azote‑acétylène (2800 K) ; lampe à cathode creuse spécifique à l’élément ; minéralisation obligatoire pour les matrices solides ; limites de détection µg L⁻¹ ; contrôle qualité quotidien avec références certifiées. - **Sécurité commune** : port de lunettes, gants, blouse ; travail sous hotte pour les réactifs volatils ; gestion des déchets acides et organiques selon la réglementation camerounaise ; vérification régulière de l’étalonnage et du bon fonctionnement des brûleurs et nébuliseurs. --- ## Glossaire - **Turbidimétrie** : technique mesurant la diminution de la transmission lumineuse due à la présence de particules en suspension dans un milieu liquide. - **Émission de flamme** : phénomène où des atomes excités dans une flamme restituent de l’énergie sous forme de photons à des longueurs d’onde caractéristiques de l’élément. - **Absorption atomique (AAS)** : méthode analytique basée sur l’absorption de rayonnement lumineux par des atomes à l’état fondamental, permettant la quantification d’éléments traces. - **Lampe à cathode creuse (HCC)** : source de lumière utilisée en AAS, contenant le métal à analyser dans un gaz noble, produisant des lignes spectrales nettes et intenses. - **Blanc analytique** : solution contenant tous les réactifs sauf l’analyte, utilisée pour mettre l’instrument à zéro et corriger les interférences de la matrice. - **Étallonnement** : procédure consistant à mesurer une série de solutions de concentration connue pour établir une courbe de réponse permettant de déterminer la concentration d’un échantillon inconnu. - **Minéralisation** : procédé de décomposition d’un échantillon solide (sol, déchet) à l’aide d’acides forts afin de libérer les éléments sous forme ionique pour l’analyse. - **Limite de détection (LOD)** : plus faible quantité d’analyte pouvant être distinguée du blanc avec une certaine confiance (souvent définie comme 3× l’écart-type du blanc). --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dosage du soufre par turbidimétrie Un technicien d’une usine de traitement des eaux au Douala doit vérifier la conformité du rejet d’une station d’épuration. Il prélève 5 mL d’échantillon, ajoute 0,5 mL d’HCl 0,1 N et 0,5 mL de formaldéhyde 37 %, laisse réagir 5 min et mesure une transmission de 74 % à 540 nm. Le blanc donne une transmission de 90 %. La courbe d’étalonnage obtenue précédemment est : \%T = 90 – 2,2·c (c en mg L⁻¹). **Calculer la concentration de soufre dans l’échantillon et dire si elle respecte la limite de rejet de 5 mg L⁻¹.** **Corrigé** Transmission de l’échantillon : T = 74 %. En utilisant la relation : \[ c = \frac{90 - T}{2,2} = \frac{90 - 74}{2,2} = \frac{16}{2,2} \approx 7,27 \text{ mg L}^{-1} \] La concentration mesurée est d’environ **7,3 mg L⁻¹**, supérieure à la limite de 5 mg L⁻¹. Le rejet n’est donc pas conforme ; il faut envisager un traitement supplémentaire (oxydation ou précipitation) avant le rejet. --- ### Exercice 2 – Détermination du Zn par émission de flamme Un laboratoire d’analyse des sols à Yaoundé prépare un extrait d’un sol agricole contenant du zinc. Après minéralisation et dilution 1/50, il mesure les intensités suivantes à 213,9 nm : blanc = 15 a.u., étalon 2 mg L⁻¹ = 68 a.u., étalon 5 mg L⁻¹ = 155 a.u., échantillon = 112 a.u. **Déterminer la concentration de Zn dans le sol d’origine (en mg kg⁻¹).** **Corrigé** On soustrait d’abord le blanc à toutes les lectures : Iblanc = 15 a.u. Iétalon2 = 68 − 15 = 53 a.u. Iétalon5 = 155 − 15 = 140 a.u. Iéchantillon = 112 − 15 = 97 a.u. On suppose une réponse linéaire : I = m·c (le blanc étant nul). À partir des deux étalons : \[ m = \frac{140 - 53}{5 - 2} = \frac{87}{3} = 29 \text{ a.u.·(mg L}^{-1})^{-1} \] Ainsi : I = 29·c. Pour l’échantillon : \[ c = \frac{I}{29} = \frac{97}{29} \approx 3,34 \text{ mg L}^{-1} \] Concentration dans le sol (facteur de dilution 50) : \[ C_{\text{sol}} = 3,34 \times 50 \approx 167 \text{ mg kg}^{-1} \] Le sol contient donc environ **167 mg kg⁻¹ de Zn**. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Situation | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |-----------|------------------|-------------|--------------------------------------| | Dosage du soufre | Oublier de respecter exactement le temps de réaction de 5 min | La turbidité n’est pas encore à l’équilibre → sous‑estimation du soufre | Utiliser un chronomètre et démarrer la mesure dès l’ajout du formaldéhyde | | Émission de flamme | Régler un débit d’acétylène trop élevé → flamme riche et poussiéreuse | Augmentation du bruit de fond, mauvaise linéarité | Vérifier le mélange air/acétylène avec un indicateur de flamme (bleu clair) avant chaque série | | AAS | Négliger le rinçage du nébuliseur entre deux échantillons à forte teneur en sel | Accumulation de dépôts → dérive du signal et contamination croisée | Rincer le nébuliseur avec de l’eau déionisée puis avec une solution d’acide nitrique 1 % après chaque mesure | | Préparation des échantillons | Utiliser de l’eau du robinet pour les dilutions | Introduction d’ions Ca, Mg, Na qui interfèrent avec les mesures | Toujours utiliser de l’eau déionisée de résistivité ≥ 18 MΩ·cm | | Gestion des déchets | Verser les déchets acides dans l’évier ordinaire | Corrosion des canalisations, risque pour l’environnement | Collecter les déchets dans des récipients étiquetés « déchets acides dangereux » et les remettre au service de traitement agréé | | Calibration | Oublier de refaire l’étalonnage après un changement de lampe HCC | Erreur systématique sur toutes les mesures suivantes | Effectuer un contrôle de qualité avec une solution de référence avant chaque série d’analyses | --- *Fin du cours.*