Multi-capteurs chimiques de chloramines et de chloroforme à transduction optique. Application à la surveillance de la qualité de l’air dans les piscines

par Trung Hieu Nguyen

Thèse de doctorat en Chimie physique

Sous la direction de Thu-Hoa Tran-Thi.

Soutenue le 04-02-2014

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud , en partenariat avec Laboratoire Francis Perrin (Gif sur Yvette) (laboratoire) .

Le président du jury était Mehran Mostafavi.

Le jury était composé de Thu-Hoa Tran-Thi, Mehran Mostafavi, Philippe Belleville, Robert Pansu, Yves Bigay, Nadine Locoge.

Les rapporteurs étaient Philippe Belleville, Robert Pansu.


  • Résumé

    Le chlore est largement utilisé pour ses propriétés bactéricides dans les piscines. Dans les eaux de piscine, le chlore réagit avec les matières azotées et carbonées générées par l’activité humaine (sueur, salive, urine, peau) pour former divers composés toxiques tels que la monochloramine (NH2Cl), la dichloramine (NHCl2), le trichlorure d'azote (NCl3), le chloroforme (CHCl3), etc… qui se retrouvent dans l’atmosphère. La détection et la quantification de ces composés volatils à des teneurs ppb (partie par milliard) est un réel besoin afin de contrôler la qualité de l’air des piscines. Cependant il n’existe pas à ce jour des appareils à la fois sensibles et peu coûteux.L’objectif de ce travail de thèse est d’élaborer des capteurs chimiques colorimétriques, sensibles, sélectifs et peu coûteux de la monochloramine, du trichlorure d’azote et du chloroforme. Dans ce but, nous avons mis au point des capteurs chimiques réalisés à partir de matrices nanoporeuses de silicate dopée des réactifs. Ainsi le capteur de NCl3 dopé de NaI et d’amylose permet de mesurer de faibles teneurs de NCl3 (5 ppb à 180 ppb) dans les atmosphères humides (50-80% HR) des piscines. Grâce au changement rapide de couleur, de transparent à rose-violet, visible à l’œil nu, le capteur de NCl3 permet de surveiller la qualité de l’air dans les piscines. Le capteur sélectif de NH2Cl est basé sur la réaction de Berthelot. La matrice de silicate nanoporeuse dopée de nitroprussiate de sodium et de phénol en milieu alcalin, initialement transparente, devient bleue lors d’une exposition à NH2Cl gazeux. Ce capteur permet de détecter NH2Cl dans la gamme de 60 à 250 ppb dans une atmosphère très humide (≈ 80%). Utilisé pour la sonder la qualité des eaux de piscine, il permet de mesurer NH2Cl dans l’eau avec une limite de détection de 0,1 µmol•L-1. Une étude préliminaire de la détection de CHCl3 a également été entreprise pour déterminer les molécules-sonde aptes à réagir avec le chloroforme en formant des produits colorés. Les réactifs de la réaction de Fujiwara ont été sélectionnés. L’étude de la réactivité de la 2,2’-bipyridine en solution en présence d’une base forte a permis de mettre en évidence la formation simultanée de deux composés colorés, dont la formation dépend de la nature de l’environnement réactionnel.

  • Titre traduit

    Multi-chemical sensor for the optical detection of chloramines and chloroform. Application for monitoring the air quality in pools


  • Résumé

    In swimming-pools, chlorine is used as a disinfectant to minimize the risk to users from microbial contaminants. In water, chlorine reacts with nitrogen compounds generated by human activity like saliva, sweat, urine and skin, leading to the formation of toxic compounds, such as monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2), nitrogen trichloride (NCl3), chloroform (CHCl3), etc… The detection and the quantification of these volatile compounds at ppb level (part per billion) is an important and significant challenge to be able to monitor the air quality in swimming pool. Or, there is currently no commercially available and low-cost system which can instantaneously measure at ppb concentrations.The aim of this research is to develop a cheap, sensitive and selective chemical and colorimetric sensors of monochloramine, nitrogen trichloride and chloroform. For this purpose, we developed chemical sensors based on the use of nanoporous silicate matrices doped with probe-molecules. The NCl3 sensor doped with NaI and amylose can detect NCl3 at ppb level (5 ppb – 180 ppb) in humid atmospheres (from 50% to 80% relative humidity) at ambient pool temperatures. Due to the fast change of color, visible with naked eyes, these sensors can be used to detect peaks of pollution and to monitor the air quality of indoor pools. The NH2Cl selective sensor is based on the Berthelot reaction. The nanoporous silicate matrices doped with sodium nitroprusside and phenol in an alkaline medium, turn from transparent to blue upon exposure to gaseous NH2Cl. This sensor can detect NH2Cl in the range from 60 to 250 ppb in a very humid atmosphere (≈ 80%). Used to probe the quality of pool water, this sensor can detect NH2Cl in water with a detection limit of 0,1 µmol•L-1. A preliminary study of the CHCl3 detection was also conducted to identify probe-molecules capable of reacting with chloroform to form colored products. The reagents of the Fujiwara reaction were selected. The study of the 2,2’-bipyridine reactivity in solution in the presence of a strong base allowed highlighting the simultaneous formation of two colored compounds, whose formation depends on the nature of the reaction environment.


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