Contrôle de la qualité de l'eau : la technologie DIAMSENS
Nos capteurs font partie de la grande famille des capteurs électrochimiques. Cette méthode de mesure est très largement majoritaire pour le contrôle de la qualité de l’eau. Nos capteurs héritent des caractéristiques reconnues de la méthode, notamment la sensibilité et précision.
Le choix du diamant nous permet de satisfaire les demandes des utilisateurs pour plus de durabilité et moins d’entretien. Le diamant – même de synthèse– restant un matériau coûteux, nous avons opté pour un matériau composé de nanocristaux de diamant, qui peut se fabriquer bien plus rapidement que les cristaux massifs. Nous avons recours à des techniques éprouvées et automatisées de la microélectronique pour assembler les capteurs à un coût avantageux.
Qualité de l'eau : des capteurs électrochimiques sans compromis sur les performances
Comment fonctionne un capteur électrochimique ?
L’électrochimie c’est d’abord une réaction chimique de type oxydo-réduction, ce qui implique un échange d’électrons entre deux espèces : un oxydant fort (espèce avide d’électrons) et un réducteur fort (espèce surnuméraire en électrons).
Un exemple complet peut être visionné dans la vidéo ci-contre.
Dans un capteur électrochimique l’une des deux espèces est remplacée par une électrode – une pastille de métal – dont on modifie le potentiel afin de la rendre acceptrice ou donneuse d’électrons. L’intensité des échanges d’électrons est proportionnelle à la concentration des espèces en solution avec lesquelles interagit l’électrode.
On peut observer/mesurer soit une différence de potentiel électrique (qui donne une image de l’énergie nécessaire pour activer un échange d’électrons), soit un courant électrique (qui représente la dynamique de l’échange). Pour cela on va utiliser respectivement deux ou trois électrodes que l’on va polariser pour provoquer la réaction d’oxydo-réduction recherchée. Une instrumentation de hautes performances permettra ensuite de recueillir le signal généré (qui reste relativement faible).
La plupart des capteurs DIAMSENS sont de type ampérométrique. On applique une tension entre deux électrodes (électrode dite « de référence » et électrode dite « de travail ») et on observe le courant résultant sur une troisième électrode (appelée la « contre électrode »). Avec un balayage en tension, on peut tracer des courbes de voltampérométrie prenant la forme caractéristique dite du « canard ».
Dans ce cas, c’est la hauteur du pic qui est proportionnelle à la concentration recherchée. Le potentiel médiant entre les deux pics permet d’identifier l’espèce mesurée.
Quels sont les critères de qualité d’un capteur électrochimique ?
Pour comparer les matériaux sensibles entre eux, indépendamment de la mesure finale que l’on cherche à faire, une série de caractérisations est généralement suivie. On retiendra en particulier :
La largeur de la fenêtre d’analyse :
- Plus la fenêtre est large, plus on pourra détecter de réactions redox différentes,
- Plus la courbe est plate, moins la mesure sera perturbée par des réactions parasites,
- Moins le courant de base est élevé, plus le courant minimum détectable sera faible, et donc meilleure sera la « limite de détection » du capteur.
La forme des courbes I=f(V) dans un milieu de référence, par exemple le rhuténium hexaamine :
- Plus le pic de courant est élevé, meilleure est la sensibilité,
- Plus les pics positifs et négatifs sont proches du zéro, meilleure est la réactivité de la surface, et donc la sensibilité de la mesure.
A titre d’exemple, les courbes ci-contre montrent l’évolution des caractéristiques selon la concentration d’un dopant dans le matériau de base.
Quelles sont les performances du diamant ?
Le diamant massif dopé au bore, la référence des capteurs diamant, a d’excellentes performances selon ces critères. Notre version de matériau diamanté se comporte de manière similaire au diamant de référence. DIAMSENS a breveté une structure générique des électrodes, associée à des procédés de fabrication, qui permet d’atteindre les meilleures performances tout en optimisant les coût de production de l’ensemble d’une électrode puis d’un capteur.
Un capteur plongé en permanence dans de l’eau se dégrade sous l’effet de deux phénomènes :
- Un vieillissement de sa structure : l’eau est un milieu très oxydant qui va interagir avec les matériaux de construction du capteur. L’eau peut déformer la structure du capteur et/ou dissoudre d’éventuels réactifs embarqués, ce qui va se répercuter sur les performances analytiques du capteur,
- Un encrassement des surfaces de contact, avec un impact direct sur la sensibilité de la surface.
Le diamant est le matériau le plus inerte chimiquement, il ne va pas se déformer structurellement ni se modifier.
Le CEA a breveté un procédé d’autonettoyage des surfaces encrassées par des méthodes électriques, à la fois efficace et relativement peu gourmand en énergie. Le capteur est ainsi régénéré et retrouve sa sensibilité initiale.
DIAMSENS surveille l’encrassement progressif des électrodes et n’active ce procédé que lorsque la précision de la mesure risque d’être impactée. La dépense énergétique est ainsi minimisée.
Des capteurs faciles à intégrer dans un équipement de contrôle de la qualité de l'eau
Les électrodes et le dispositif électronique de mesures sont fournies encapsulés dans un boitier étanche. Les dimensions dépendent du nombre de capteurs retenus. Pour un cas typique (4 à 6 capteurs) le boitier aura un diamètre autour de 60mm et une hauteur autour de 20mm.
Quel que soit le nombre de capteurs, un seul câble relie le boîtier à la station de mesures, pour transmettre les données et recevoir l’alimentation en énergie. Pour les applications industrielles avec une station de mesures déportées, une interface RS485 est disponible.
DIAMSENS fournit les bibliothèques logicielles qui permettent à la station de mesures de contrôler facilement les capteurs et de télécharger les résultats des mesures.
