Chambre à flux, chromatographie mobile et portable en phase gazeuse, biocapteurs… La liste des outils de diagnostic in situ et sur site n’en finit pas. Au total, 23 technologies utilisables sur des sites et sols pollués ont été identifiées dans une étude réalisée par le réseau de recherche sur les déchets Record et le groupe d’ingénierie Setec. Parmi elles, neuf sont considérées comme innovantes. « Déplacer les outils de laboratoire sur le terrain est une demande très importante des acteurs des sites pollués pour réaliser des diagnostics rapides », confirme Pierre Faure-Catteloin, le président du groupement d’intérêt scientifique sur les friches industrielles.
Il n’est pas question de technologies de rupture : la R & D s’attache à améliorer des dispositifs existants, à accommoder des technologies au secteur de la dépollution ou encore à miniaturiser des équipements de paillasse pour les rendre portables. « L’un des défis est d’adapter ces capteurs à des conditions souvent contraignantes et aux matrices complexes que sont les sols », explique Jean-Louis Crabos, le directeur du programme Innovasol. Exit l’analyse en laboratoire ! Réduit à une valise de 14 kg, le GC-MS (chromatographe en phase gazeuse couplé à la spectrométrie de masse) Torion s’utilise sur site. En le couplant avec le chromatographe Micro GC 490, il est possible d’identifier et suivre les gaz dans n’importe quelle matrice en réalisant jusqu’à plusieurs dizaines d’échantillons par jour d’après les résultats du projet Gesipol Monic.
Des échantillons ciblés plus vite
L’intérêt ? Améliorer la rapidité et la précision du diagnostic, et en maîtriser le coût. En général, plusieurs échantillons sont prélevés sur le terrain puis envoyés au laboratoire pour analyse, nécessitant plusieurs allers-retours. Grâce aux outils de terrain, il est possible de couvrir rapidement un plus grand nombre de points, afin de prélever ensuite quelques échantillons ciblés. « Cela permet aux bureaux d’études d’affiner beaucoup plus rapidement leur diagnostic », témoigne Pierre Faure-Catteloin. Cette étape est l’un des principaux critères de réussite d’un projet de dépollution. « Un diagnostic précis permet de choisir et de dimensionner les techniques de dépollution », affirme Yves Duclos, expert en sites et sols pollués à l’Ademe. L’amélioration du dimensionnement et du pilotage des traitements est l’un des deux axes prioritaires de recherche de l’édition 2023 de l’appel à projets Gesipol de l’Ademe.
Lors d’un diagnostic, différentes informations sont collectées pour caractériser le milieu étudié et la pollution : nature et concentration des composés, répartition spatiale, stade, persistance, extension, origine… « La plus grande limite est le manque d’outils de terrain fournissant une mesure quantitative », analyse Pierre Faure-Catteloin. Isabelle Delsarte, gestionnaire de projet de recherche à Innovasol, tempère : « Les données qualitatives sont aussi importantes pour suivre les variabilités temporelles des polluants. » Alors, pour fiabiliser les mesures et tirer parti de cette masse croissante d’informations, de nouveaux moyens d’analyse sont développés. La société Envisol réalise des diagnostics intégrés à l’aide d’outils de géostatistique, une approche qui représente spatialement des phénomènes grâce à des méthodes mathématiques appliquées à des données géoréférencées. « Ces solutions sont utiles pour pallier l’imprécision des capteurs de terrain », commente Pierre Faure-Catteloin. Autre atout : le couplage itératif de la géostatistique aux mesures de terrain rationalise et réduit l’investigation, d’après la fiche technique innovante du BRGM.
Imagerie hyperspectrale
Une autre tendance émerge grâce à l’analyse de données : l’utilisation de l’imagerie hyperspectrale, qui enregistre une image dans un grand nombre de bandes spectrales étroites et contiguës. La société Tellux développe un outil, l’Hyperlab, fournissant des concentrations d’hydrocarbures sur site et en temps réel à partir d’une carotte de sol. « Nous utilisons une caméra hyperspectrale disponible sur le marché, explique Maxime Lhoir, le directeur du développement commercial. Le travail a porté principalement sur l’algorithme de traitement du signal. » En laboratoire, un grand nombre de matrices de sols différentes contaminées aux hydrocarbures ont alimenté l’intelligence artificielle, désormais capable de déterminer la concentration en hydrocarbures. « Nous déterminons également la lithologie de l’échantillon : cela permet de valoriser directement les lots de terre pour limiter les déchets », pointe Maxime Lhoir. « Les travaux prospectifs sur le traitement des données, notamment en chimiométrie, sont prometteurs : ils ouvrent à la voie à une information exhaustive du sous-sol à l’aide de méthodes peu invasives », conclut Pierre Faure-Catteloin.
Cartographier les flux de COV avec une chambre à flux mobile
Carte représentant les flux de COV à la surface d’un sol contaminé. Elle a été réalisée par Mobiflux, la chambre à flux motorisée d’Innovasol.
Sur un site pollué, les flux de gaz émis à l’interface sol-atmosphère sont une source majeure de risque sanitaire. « Les émissions de composés organiques volatils (COV) sont l’une des problématiques les plus importantes lors de la réhabilitation de sols contaminés », précise Jean-Louis Crabos, le directeur du programme Innovasol. Ce consortium a mis au point Mobiflux, une chambre à flux statique motorisée. L’objectif ? Mesurer in situ les flux de COV et de CO2 sur une grande surface.
« Les chambres à flux manuelles disponibles sur le marché sont petites et très sensibles aux hétérogénéités, liées à la pollution elle-même ou au sol », explique Isabelle Delsarte, gestionnaire de projet de recherche à Innovasol. Pour dépasser ces limites, l’équipe a conçu une chambre à flux de grande surface (0,25 m2) intégrée sur un châssis motorisé. « L’essentiel du développement a porté sur l’étanchéité de la chambre à flux lors de la mesure, assurée par un joint en caoutchouc », raconte Isabelle Delsarte. En moyenne, il est possible de réaliser 15 mesures par jour.
« Travailler avec une chambre à flux de plus grande surface abaisse également les seuils de détection. » L’outil apporte une plus-value dans la phase initiale de diagnostic d’un site pollué. « Grâce à Mobiflux, il est possible de réaliser une cartographie rapide et de déterminer les zones nécessitant une investigation plus approfondie », détaille Jean-Louis Crabos. Le système a été validé sur cinq sites contaminés. À un stade TRL 8-9, il est utilisé par Innovasol lors de prestations.
Cibler un gaz avec une nanopuce à oxyde métallique sélective
Pour évaluer la qualité de l’air, la start-up Nanoz a opté pour la miniaturisation. Le capteur est un semi-conducteur à oxyde métallique (MOX) : la mesure repose sur la variation de résistance par rapport à l’environnement. « La technologie MOX est mature, elle présente plusieurs avantages : la miniaturisation, la stabilité et un bas coût, énumère Thibaud Sellam, le directeur de Nanoz. Mais elle n’est pas sélective. C’est ce que nous proposons. »
La puce Nanoz embarque deux chauffages et quatre capteurs sur une seule couche sensible. À cela s’ajoute un algorithme d’intelligence artificielle développé pour discriminer l’ensemble des gaz du signal. Il permet de reconnaître le gaz ciblé dans un environnement donné. Ces développements font l’objet d’un brevet déposé par Aix-Marseille Université. Nanoz offre une mesure avec une précision de 15 % dans des seuils de détection de l’ordre du ppb (partie par milliard) ou du ppm (partie par million) selon le gaz ciblé, quels que soient la température, l’humidité ou les gaz en présence.
« Selon le cas d’usage et le gaz ciblé, nous adaptons le chauffage et l’algorithme, explique le PDG. Nous pouvons mesurer n’importe quel gaz. » Commercialisée depuis fin 2022, la nanopuce trouve son application dans la maintenance prédictive industrielle. Mais Thibaud Sellam n’exclut pas un usage orienté vers la qualité de l’air intérieur ou extérieur. « À ce stade, nous avons besoin de collecter des données à proximité des stations de mesure de la qualité de l’air pour entraîner notre algorithme. Des mesures précises à grande échelle grâce à notre puce permettraient d’améliorer la prévention, par exemple en adaptant le trafic routier au niveau de pollution. »
L’un des défis est d’adapter ces capteurs à des conditions contraignantes et aux matrices complexes que sont les sols.
— Jean-Louis Crabos, directeur du programme Innovasol
Diagnostiquer les hydrocarbures totaux in situ
De nombreux sites industriels sont pollués par les hydrocarbures. Classiquement, des échantillons sont envoyés en laboratoire pour un résultat en cinq à dix jours. La société Ziltek commercialise un instrument de terrain, le RemScan. Il mesure en temps réel la concentration des hydrocarbures pétroliers totaux dans les sols, sans échantillonnage. « Même si son coût est élevé, il offre des résultats rapidement tout en conservant une précision intéressante (de l’ordre de 10 ppm) par rapport aux analyses en laboratoire », détaille Albert Sotto, le directeur de Tal Instruments qui commercialise le RemScan. L’erreur relative typique est de 10-15 % par rapport aux analyses de laboratoire.
Le RemScan embarque un spectromètre infrarouge. Si la spectrométrie n’est pas une technologie nouvelle, son utilisation dans un instrument portatif adapté à l’analyse des sols est innovante. « L’équipe a travaillé pendant quinze ans au développement des algorithmes de traitement pour parvenir à extraire et traiter le signal d’intérêt », raconte Albert Sotto. Déjà commercialisé, l’instrument est un vrai plus pour les bureaux d’études. « La société Envisol l’utilise, parmi une panoplie d’instruments, pour réaliser le diagnostic d’un site pollué. Grâce à sa grande maîtrise de la cartographie et à la rapidité du RemScan, elle peut rapidement proposer des actions de réhabilitation. »
Des puces microfluidiques pour mesurer les métaux
Développé par l'entreprise Klearia, Panda est un système microfluidique qui intègre des capteurs électrochimiques miniaturisés pour l’échantillonnage de micropolluants dans l’eau.
« Les technologies de laboratoires sur puce sont couramment utilisées dans le diagnostic médical. J’ai souhaité les amener dans le secteur de l’environnement pour offrir des analyses à un prix raisonnable », raconte Clément Nanteuil, le PDG de Klearia. L’entreprise développe Panda, un système microfluidique intégrant des capteurs électrochimiques miniaturisés pour l’échantillonnage de micropolluants dans l’eau. La mesure est réalisée par voltamétrie par stripping anodique, en moins de deux heures et demie. « Nous avons validé notre système sur des mesures de taux d’arsenic dans des matrices réelles. Nous atteignons les mêmes sensibilités que les analyses en laboratoire par spectrométrie ICP-MS », précise le PDG. Le capteur – protégé par trois brevets – mesure l’arsenic et le plomb (à partir d’une concentration de 1 microgramme par litre), le mercure (0,5 µg/l) et le cuivre (2 µg/l).
À ce jour, Panda séduit plutôt les industriels qui veulent mesurer la qualité de leurs effluents. Mais Clément Nanteuil l’assure : « Notre capteur présente un intérêt fort pour le secteur de la dépollution. Nous avons travaillé sur un projet de remédiation d’un site pollué au mercure. Panda a permis de suivre le bon déroulé de tout le traitement. » Le système atteint actuellement le niveau TRL6, et un pilote industriel sera construit début 2024. La suite ? Développer des systèmes microfluidiques pour les pesticides et les produits pharmaceutiques, reposant cette fois sur des méthodes de détection optique.
Les arbres, vigies naturelles
Utiliser les arbres comme bio-indicateurs des pollutions actuelles : voilà l’idée du phytoscreening. En puisant les nutriments nécessaires dans le sol, les arbres sont susceptibles de capter les polluants présents dans les sols, les gaz du sol ou la nappe phréatique. Des échantillons de carottes de bois ou de copeaux prélevés sous l’écorce sont analysés en laboratoire pour identifier la source et l’extension géographique de la pollution. « La technique est assez mature pour les solvants chlorés et les métaux, mais reste à fiabiliser pour les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) notamment », témoigne Yves Duclos, expert en sites et sols pollués à l’Ademe.
Les limites de détection sont de l’ordre du ppb (partie par milliard) à ppt (partie par billion), selon le polluant et le procédé employé. « Cette technique présente l’avantage d’être non destructive et économique », souligne l'expert. À ce jour, le phytoscreening est 4 à 8 fois moins cher que des méthodes conventionnelles, comme les sondages ou les forages, et 5 à 10 fois plus rapide, d’après un guide publié en 2021 par IDfriches.
Le projet Gesipol Phytocarb vise à améliorer ses performances en le couplant aux capteurs de terrain. L’analyse sur site d’échantillons à l’aide d’un spectromètre de fluorescence des rayons X (XRF) permet ainsi de détecter des métaux insoupçonnés, de réorienter le programme d’échantillonnage et de sélectionner les échantillons à soumettre à l’analyse en laboratoire. L’analyseur de terrain GC-MS Torion offre les mêmes avantages pour les composés organo-halogénés volatils (COHV).
