Fiabilisation de la quantification des éléments traces cationiques et anioniques par la technique d'échantillonnage DGT en milieu aquatique naturel

Increasing the reliability of the DGT technique for quantifying cationic and anionic trace elements in natural water

• Auteur / Autrice : Delphine Devillers
• Direction : Gilles Guibaud, Rémy Buzier, Adeline Charriau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 23/10/2017
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'environnement Gay Lussac (La Rochelle ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupement de Recherche Eau, Sol, Environnement
• Jury : Président / Présidente : Véronique Deluchat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Uher, Pierre François Staub
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Marie Mouchel, Gabriel Billon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments traces

Biofilms

Spéciation (chimie)

Mots clés libres

DGT

Spéciation

Biofilm

Encrassement

Élution

Échantillonnage passif

DGT

Speciation

Biofouling

Fouling

Elution factors

Passive sampling

Résumé

La technique d’échantillonnage passif DGT (« Diffusive Gradients in Thin Films ») possède de nombreux avantages (intégration des variations temporelles, abaissement des limites de quantification) qui font d’elle une méthode prometteuse pour une utilisation en réseaux de mesure pour quantifier les éléments traces dans les eaux naturelles. Cependant, il existe encore des zones d’ombre qui constituent des freins à son utilisation dans un contexte réglementaire. Ce travail a donc pour objectif d’identifier des biais potentiels et ainsi contribuer à fiabiliser la méthode. Cette étude montre que l’obtention d’un résultat avec une incertitude minimisée doit passer par la détermination expérimentale des facteurs d’élution ; cependant, l’utilisation d’une valeur standard de 0,8 pour le Cr(III) et de 0,85 pour Al(III), Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), Pb(II) et Zn(II) est proposée afin d’alléger les manipulations tout en conservant une incertitude raisonnable (<10%). L’étude de l’influence de l’encrassement des dispositifs DGT a montré que la sorption des cations Cd(II), Cu(II) et Pb(II) sur les filtres encrassés affectent respectivement peu, modérément et fortement leur accumulation dans les échantillonneurs et donc leur quantification. Des durées d’exposition de moins d’une semaine sont alors préconisées pour ces éléments. En revanche, l’encrassement a eu un impact négligeable sur le Ni(II) et sur les oxyanions As(V), Cr(VI), Sb(V) et Se(VI). Enfin, une méthode de quantification simultanée du Cr(III), essentiel à la vie, et du Cr(VI), toxique, a été développée en vue d’améliorer l’évaluation de la toxicité d’une eau. Un unique échantillonneur DGT fixe les deux formes tandis qu’elles sont ensuite sélectivement séparées par une étape d’élution. Cette méthode est robuste sur une large gamme de forces ioniques et de concentrations en sulfate mais sur une gamme de pH plus restreinte ne couvrant pas toutes les eaux naturelles (4 à 6).

The passive sampling DGT technique (Diffusive Gradients in Thin Films) has a lot of benefits (time-weighted average concentrations, low limits of quantification) and would therefore be a useful tool for monitoring studies to quantify trace elements in natural water. However, there are still some limitations and grey areas that put the brakes on the development of the method for regulatory applications. The aim of this work is to identify potential biases and contribute to increase the method reliability. This study shows that a minimized uncertainty on results can be obtained only if elution factors are experimentally determined; however, standard values of 0.8 for Cr(III) and 0.85 for Al(III), Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), Pb(II) and Zn(II) are suggested to reduce manipulations while keeping reasonable uncertainty (<10%). Studying the influence of fouling developed on DGT devices showed that the sorption of cations Cd(II), Cu(II) and Pb(II) had, respectively, a slight, moderate and strong impact on their accumulation in DGT samplers and therefore on their quantification. Samplers should then be deployed for less than one week. In contrast, fouling had a negligible impact on oxyanions As(V), Cr(VI), Sb(V) and Se(VI). Finally, a method was developed to simultaneously quantify both Cr oxidation states naturally occurring in natural waters, which are Cr(III), essential to life, and Cr(VI), toxic. Both forms are accumulated in a single DGT sampler before being selectively separated during an elution step. This method is robust for wide ranges of ionic strengths and sulfate concentrations but for a narrower range of pH (4 to 6).