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Spécificités et contraintes de la mesure des odeurs dans l'environnement par réseaux de capteurs
Jacques NICOLASUniversité de Liège (Belgique) – Site d’Arlon
Département « Sciences et Gestion de l’Environnement »Unité « Surveillance de l’Environnement »
Principal objectif de recherche : estimer la nuisance olfactive générée dans l’environnement par différentes sources industrielles ou agricoles.
Centres d’Enfouissement Technique
Installations de compostage
Détection de moisissures dans les bâtiments
Bassins de décantation de sucrerie
Porcheries, poulaillers
Stations d’épuration
Différents outils :
Analyse de laboratoire (GC-MS)
Olfactométriedynamique
Inspection de terrain + modélisation de la dispersion atmosphérique
… et le nez électronique
Possibilités très prometteuses
+
Monitoring des émissions d’odeur et prédiction de la
nuisance olfactive dans l’environnement
Contrôle des systèmes d’abattement d’odeur
Stress
Utiliser l’odeur comme variable de process pour détecter des anomalies
de fonctionnement
Dans le domaine des odeurs, aucune méthode ne peut être considérée comme une "référence".Toutes les méthodes doivent être considérées comme complémentaires pour fournir une aide à la décision.
Rappel du principe de la mesure olfactométrique
Prélèvement d’un sac (Tedlar) sur le terrain
Mesure (olfactomètre) en laboratoire par un panel de 6 personnes
Principe de l’olfactométrie dynamique
Echantillon odorant prélevé
sur le terrain
Air pur
l'olfactométrie
Le "niveau" d'odeur est défini par le nombre de fois qu'il faut diluer l'échantillon odorant avec de l'air pur pour arriver au seuil de perception olfactive (50% des personnes sentent et 50% ne sentent plus)
CompostDilué 300 fois
Concentration de l'odeur = 300 "unités odeur"
Air à 500m de la source
Déjà tel quel au seuil de perception = Dilué 1 fois
Concentration de l'odeur = 1 "unité odeur" = seuil de perception
• La seule méthode normalisée pour mesurer une concentration d'odeur.
• Reconnue au niveau européen par la norme EN 13725• Définie par un protocole rigoureux
le niveau de l'odeur est défini par sa concentration en uoE/m3 (unité-odeur européenne par mètre cube)
Pour rappel : 1 uoE/m3
correspond à la concentration au seuil de perception
!
!
!?
?
?
l'olfactométrie
Rappel : Le nez électronique
Principe : réseau de capteurs-gaz non spécifiques
C1 : Composés soufrés, H S
2
C2 : Solvants organiques, alcools
C3 : Contaminants de l'air, CO, hydrogène, fumée de cigarette
C6 : Composés aminés, NH
3
C5 : Gaz combustibles, propane, butane
C4 : Vapeur d'eau
Dans notre cas: capteurs àoxydes d'étain commerciaux (Figaro, FIS, Capteur)
Le nez électronique ex. dans une station d'épuration
C6
C1
C5
C4
C3
C2
Boues
Le nez électronique
C6
C1
C5
C4
C3
C2
Eaux brutes
Le nez électronique
C6
C1
C5
C4
C3
C2
Boues
Eaux brutes
Gaz d’échappement
Produit désodorisant
Le nez électronique : détection de l’émergence d’une odeur un des problèmes = trouver un indice "global", image de l'odeur
-10
-5
0
5
10
15
20
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00
time (hours)
odor
eve
nt
"odour event" pointed out
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Moving away from the landfill gas extraction well
Classification functions values
The classification function for biogas decreases
The classification function for fresh waste
remains nearly stable
Si indice "global" suivi continu possible
C6
C1
C5
C4
C3
C2
Autre problème : La concentration descend sous la limite de détection des capteurs
Au niveau de l'émission, ou à proximité de la source, un nez électronique est capable de détecter et de reconnaître une odeur, mais pas dans l'environnement
Composition chimique typique ?
Installation de compostage
terpens28%
alcohols27%
esters23%
& aldehydesketones
17% aliphatic
hydrocarbons3%
aromatics1%
sulfurcompounds
1%
Station d'épuration
AcétoneCétones
MéthanalEthanalButanal
Aldéhydes
Acide acétiqueAcide butyriqueAcide valérique
Acides organiques
Sulfure de diméthyleMethanthiolEthanethiolSulfure d'hydrogène
Composés soufrés
AmmoniacDiméthylamineMéthylamineEthylamineScatoleIndoleCadavérine
Composés azotés
Concentrations typiques à l'émission ?
Installation de compostage Station d'épuration(stabilisation des boues)
1.155Ethanol
3.340Limonène
0.1162-butanone
0.1141-propanol
0.065Acetate d'éthyl
0.044Phénol
0.0382-butanol
0.019Ethyl ester d'acide butanoïque
0.0223-methyl-butanal
ppm(v)Exemples de composés
0.360Sulfure de diméthyle
0.290Toluène
25Ammoniac
ppm(v)Exemples de composés
Abattoir
0.001Acétone
0.001Tétramethylepyrazine
0.005Sulfure de triméthyle
0.007Sulfure de diméthyle
ppm(v)Exemples de composés
Rarement au dessus de 1 ppm(v)Mais le nez électronique réagit à l'émission globale (pas aux
composés individuels)Somme ?
- pas représentative de la réponse globale du réseau de capteurs- pas représentative de la concentration d'odeur (en uo/m3)
Resistance des capteurs
Concentration d'éthanol Dilution du mélange gazeux odorant
EthanolAmbiance odorante
Pour avoir une idée de l'ordre de grandeur de la "concentration chimique globale" détectée par le réseau de capteurs
Trouver une équivalence entre la "concentration chimique globale" du mélange odorant et la concentration de vapeur d'éthanol
Caractéristique commune = signaux des capteurs
EthanolGaz odorant(compost)
1 … 25 ppmv équivalents-éthanol
ETHANOL
Quelle est la limite de détection en "équivalents-éthanol" ?
Limite de détection rapport signal-bruit S/N = 3
Bruit = écart-type σ du signal stabilisé (p.ex. en kΩ)
Pour notre configuration selon le type de capteur
Correspond à 0.04 … 1.03 ppm(v) en équivalents-éthanol
Ou à une dilution de 20…100 pour un échantillon typique prélevé au dessus du compost
[ ]0.07,1.8kσ ∈ Ω
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00
Ethanol concentration (ppmv)
(R0-
R)
sens
or T
GS
2620
(k
ΩΩ ΩΩ)
0
1
2
3
4
5
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Ethanol concentration (ppmv)
(R0-
R)
sens
or T
GS
2620
(k
ΩΩ ΩΩ)
3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ
Ethanol concentration = 0.20 ppmv
… et la limite de résolution peut encore être plus élevée
(p.ex. reconnaître une odeur de compost parmi d'autres)
-1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Factor 1
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Fac
tor
2
compost neutralizing product
Decreasing concentration
Decre
asing
conc
entra
tion
Il est donc essentiel d'améliorer le prélèvement du gaz
10 ppm … 1 ppm … 100 ppb … 10 ppb
Lorsqu'on s'éloigne de la source, la concentration "globale" descend rapidement sous la limite de détection
des capteurs gaz
Correspondance avec la "concentration d'odeur"
Echantillons prélevés en double
0
10
20
30
40
50
60
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
ou/m3
(R0-
R)
sens
or T
GS
2620
(k
ΩΩ ΩΩ)
3σσσσ = 1.35 kΩΩΩΩ
15 uo/m3
"Courbe de calibration" entre la concentration d'odeur et les signaux des capteurs
Pour une émission de compost, la concentration d'odeur correspondantà la limite de détection des capteurs est faible et proche du seuil de détection olfactif, défini par 1 uo/m3.
Pour les différents capteurs : de 10 à 80 ou/m3.
Objectif du nez électronique : reconnaître une odeur (ex. : émission de compost) et la suivre en continup.ex. : détecter que le niveau d'odeur dépasse un "seuil d'alerte"
Problème supplémentaire : mesurer une odeur
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
9:40
9:46
9:51
9:56
10:0
1
10:0
7
10:1
2
10:1
7
10:2
3
10:2
8
10:3
3
10:3
9
10:4
4
10:4
9
10:5
4
11:0
0
11:0
5
11:1
0
11:1
6
11:2
1
11:2
6
11:3
2
11:3
7
Time
exhaust gaz of a
truck
700 uoE/m³ : seuil d'alerte de la concentration d'odeur
Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants
Le signal global du nez électronique ≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur
Con
cent
ratio
n od
eur
1201401601801
10011201140116011801
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25Conductance G(kS)
Concentration = 1+9352 *(G-G0)
r² = 0.88with G0 = 0.0219
TGS 822
OK pour les émissions de compost
0200400600800
100012001400160018002000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Conductance (G, kS)
TGS 800 TGS 822
PAS pour les émissions d'une imprimerie
Mais : les capteurs gaz répondent à la fois aux composés odorants et aux composés non-odorants
Le signal global du nez électronique ≈ "odeur" si la concentration "chimique" est corrélée avec la concentration d'odeur
Con
cent
ratio
n od
eur
1201401601801
10011201140116011801
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25Conductance G(kS)
Concentration = 1+9352 *(G-G0)
r² = 0.88with G0 = 0.0219
TGS 822
OK pour les émissions de compost
Conserver cette relation après préconcentration
Parfois : aucun composé spécifique, mais "signature" caractéristique
Exemple (pollution de l'air "indoor") : détection de la contamination aux moisissures de matériaux en bois
La signature fongique caractéristique ("odeur de moisi") n'inclut pas nécessairement de nouveaux composés par rapport aux matériaux sains
α-pinène β-pinène α-pinène β-pinène
Problème : Préserver la dynamique de la détection
Monitoring continu
0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
1 0 0
1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7 1 8 : 5 7 6 : 5 7
Mah
alan
obis
dis
tanc
e (D
²)
w o r k i n g d a y s o f f
c o m p o s t p i l e m o v i n g c o m p o s t a e r a t i o n
w e e k - e n d
Idéalement
• Une pré-concentration devrait travailler de manière quasi continue, pour permettre l'analyse d'un grand nombre "d'échantillons" durant une période donnée.
9:40
9:45
9:50
9:55
9:59
10:0
4
10:0
9
10:1
4
10:1
9
10:2
3
10:2
8
10:3
3
10:3
8
10:4
3
10:4
7
10:5
2
10:5
7
11:0
2
11:0
7
11:1
1
11:1
6
11:2
1
11:2
6
11:3
1
11:3
5
Time
OK
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9:55
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10:04
10:09
10:14
10:19
10:23
10:28
10:33
10:38
10:43
10:47
10:52
10:57
11:02
11:07
11:11
11:16
11:21
11:26
11:31
11:35
Tim
e
Trop de "filtrage"
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10:04
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10:14
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10:52
10:57
11:02
11:07
11:11
11:16
11:21
11:26
11:31
11:35
Tim
e
En dépit de ces problèmes, le nez électronique (même sous sa forme actuelle) peut s'avérer être un outil efficace pour le monitoring d'odeurs environnementales
Hall de compostage d'Habay
+