DES DÉVELOPPEMENTS TECHNIQUES INNOVANTS POUR UNE INVESTIGATION RAPIDE ET DE TERRAIN DES POLLUTIONS

En effet, dans le processus de diagnostic SSP classiquement appliqué, les reconnaissances de pollution passent par la pose de piézomètres, de piézairs et la prise d’échantillons caractérisés ensuite
dans des laboratoires centraux distants.
Les analyses sont alors réalisées selon des normes bien établies et dans des structures présentant des certifications et agréments. Toutefois, ce mode de fonctionnement usuel présente également des
contraintes notamment :

• de prélèvement, de transport et de conservation des échantillons ;
• des délais de réception et d’exploitation des résultats analytiques.

Pour répondre à de nouveaux impératifs et usages, les outils à disposition du métier des sites et sols pollués évoluent et s’orientent en particulier vers un développement et un usage accru des dispositifs d’analyse sur site ou in situ.

Objet de l’étude et méthodologie
En se fondant sur ces constatations préliminaires, l’association Record (Réseau coopératif de recherche sur l’économie circulaire, les déchets et l’environnement) a lancé au 1er semestre 2022 une étude portant sur les technologies innovantes dans le domaine des SSP pour un diagnostic rapide
sur site/in situ. Elle a été confiée aux bureaux d’études Setec Lerm et Setec Hydratec qui l’a conduite sur 1 an. L’objectif général de la mission est d’identifier et proposer un panel de solutions, dispositifs et développements innovants pouvant être mis en oeuvre sur terrain SSP. Les points forts, faiblesses et opportunités ouvertes par chacun d’entre eux sont étudiés par le biais de recherches bibliographiques
dédiées, d’échanges avec les fournisseurs et de retours d’expériences utilisateurs. Plusieurs critères sont retenus dans l’analyse des technologies :

• capacité à fournir une réponse dans un délai court ;
• niveau de détection ou de mesure : détection de présence ou absence, analyse semi-quantitative ou quantification du contaminant ;
• précision de la mesure ;
• nature de la (des) matrice(s) analysée(s) ;
• type de polluant ;
• mesure en continu, de type monitoring, ou bien analyse ponctuelle ;
• conditions d’utilisation optimales etcapacité à fonctionner dans une situation dégradée ;
• possibilité de s’appuyer sur un corpus normatif ou, a minima, des méthodologies robustes pour une utilisation adéquate des matériels innovants.

Tous ces éléments sont pris en compte pour analyser les apports potentiels des développements innovants sélectionnés dans le futur du métier des sites et sols pollués. Cette méthodologie peut être
résumée selon les figures 1 et 2.

Résultats globaux de l’étude
Un inventaire de 24 technologies et méthodologies mobilisables sur le terrain a été construit dans la première phase du projet. L’éventail est alors relativement vaste, intégrant notamment des
procédés bien établis et couramment utilisés, ou utilisables (les systèmes de type PID ou bien les chambres à flux par exemple) mais également des développements plus récents, innovants et d’intérêt
potentiel pour le futur du métier SSP. Une sélection des développements techniques innovants a été opérée par Setec de concert avec un comité d’experts du domaine constitué par Record, tous membres de l’association. 9 développements technologiques ont été sélectionnés et traités de manière plus approfondie dans la seconde étape de l’étude. Ces 9 solutions sont représentées
schématiquement en figure 3.
Le terme « innovant » est relativement générique et peut être détaillé en plusieurs types :

• cas n °1 : techniques existantes et couramment utilisées sur lesquelles viennent se greffer des développements nouveaux. Ces développements novateurs sont par exemple susceptibles de :
  diminuer le temps d’analyse et d’accroître le nombre de prises de mesure par unité de temps, rendre l’utilisation de l’appareillage plus aisée pour l’opérateur, etc. Cette première typologie
  comprend, par exemple, les développements récents conduits sur la technologie courante qu’est la chambre à flux ;
• cas n °2 : technologies fonctionnant sur un même principe physique ou chimique avec des développements multiples, allant dans diverses directions et conduits par différentes équipes de recherche. Deux grandes familles sont identifiées : les biocapteurs/capteurs microbiens, d’une part, les capteurs reposant sur la technologie de la fibre optique, d’autre part ;
• cas n °3 : technologies couramment utilisées en laboratoire, amenées à être miniaturisées et rendues portables pour une utilisation sur site. Elles intègrent notamment les spectromètres infrarouges et chromatographies gazeuses portables ;
• cas n° 4 : développements de techniques uniques, « ex nihilo ».

Ces différents types et la répartition des développements techniques sélectionnés par catégories peuvent être représentés selon la fi gure 4 (voir page 115).
Pour chacune des technologies, une analyse exhaustive est conduite permettant (i) de détailler les principes scientifi ques et techniques sur lesquels s’appuient les matériels référencés, (ii) de tirer profi t des retours d’expérience d’utilisateurs et de présentations que font les fournisseurs de leurs dispositifs
et (iii) d’en conclure sur la capacité de la technologie à prendre de l’ampleur et voir son usage se démocratiser dans le domaine des sites et sols pollués. Le travail a été conduit pour l’ensemble des développements technologiques référencés. À titre d’exemple, le détail pour la LIBS portable est exposé dans le paragraphe suivant.

Focus sur un développement technologique spécifique : LIBS portable
La technique de la Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) existe depuis quelques dizaines d’années et consiste à focaliser un laser sur un matériau à analyser. Cela conduit à l’ablation
partielle de ce dernier par fusion puis vaporisation au niveau du point focal. En effet, en entrant en contact avec l'échantillon, le laser va échauffer la matière et créer un plasma. Les atomes et ions présents dans l'échantillon caractérisé passent de l'état fondamental à l'état excité. Le retour à l’état
fondamental, lors du refroidissement du plasma, s’accompagne de l’émission de photons spécifiques à une longueur d'onde donnée et donc caractéristiques d'un élément chimique. Les spectres d'émission obtenus – liés aux photons générés et communément qualifiés de « spectres LIBS » – sont analysés à l’aide d’un spectromètre mesurant le domaine de l'UV et du visible, ce qui permet d’analyser qualitativement et quantitativement la composition atomique élémentaire de l’échantillon. Les dispositifs de LIBS portable sont assez largement utilisés dans le domaine des industries extractives, notamment minières, pour la prospection et le repérage des éléments chimiques d’intérêt. Dans le domaine des sites et sols pollués, les utilisations sont sensiblement plus récentes et consistent à adapter des outils existants à ce nouveau secteur.
À l’issue de l’étude, les conclusions sur la LIBS sont les suivantes :

• forces observées : selon la théorie de la LIBS et son principe de fonctionnement, le dispositif est en mesure de fournir une analyse quantitative de l’ensemble des ETM in situ. Par ailleurs,
  les matériels sont bien souvent assez maniables et transportables, d’où un réel confort utilisateur. De plus, l’utilisation de LIBS portables relativement courante dans d’autres métiers fait que des matériels de plusieurs fournisseurs sont d’ores et déjà présents sur le marché ;
• limites et faiblesses identifiées : les retours d’expérience démontrent que la LIBS est inadaptée pour plusieurs contaminants d’intérêt potentiel, l’arsenic notamment. De plus, ces matériels sont particulièrement sensibles à l’humidité de la matrice solide analysée. Ainsi, une
  préparation minimale de l’échantillon de sol est bien souvent requise pour
  réduire la teneur en eau de l’échantillon à analyser (pressage par exemple). En conséquence, le temps de mesure peut être accru ;
• opportunités identifiées pour le métier des SSP : la majeure partie des développements techniques identifi és dans l’étude portent sur les contaminants organiques. La LIBS portable présente l’avantage différentiel de caractériser les polluants métalliques. Avec
  une bonne maîtrise (i) de la préparation de l’échantillon et (ii) du traitement des données, ce matériel pourrait être utilisé in situ pour d’analyse rapide de certains polluants métalliques.

Conclusion
Cette étude a mis en évidence que les pratiques du diagnostic SSP sont amenées à évoluer grâce à l’émergence d’un panel de solutions d’évaluation rapide et in situ des espèces contaminantes dans les divers compartiments (matrice solide, eaux souterraines, gaz du sol et extérieur). Ces développements innovants visent, dans leur ensemble, à accroître l’efficacité des investigations sur site (pour le diagnostic ou le suivi des chantiers de dépollution en fonction de la technique considérée et des
modalités de sa mise en application) en limitant les prélèvements d’échantillon, leur transport et les délais d’analyse. Les principes physico-chimiques sur lesquels s’appuient ces nouvelles méthodes sont relativement variés : fl uorescence UV, spectrométrie infrarouge, fi bre optique, etc.
Pour plusieurs développements techniques innovants, la qualité de l’analyse sur site / in situ dépend (fortement voire quasi systématiquement) des conditions d’utilisation des matériels (météorologie, paramètres de matrice, interférences avec d’autres substances, etc.).
Dans plusieurs cas, il est constaté que la fiabilité des données est largement améliorée par un emploi du matériel dans des conditions plus contrôlées, avec une préparation – même mineure – des échantillons. L’enjeu est donc de trouver le bon équilibre entre précision de la donnée et contraintes de mesure (temps, coût...). Outre une phase d'appropriation des dispositifs, les conditions de mise en oeuvre de ces technologies et les protocoles d'essais à appliquer doivent être défi nis en fonction
des objectifs et de la nature des résultats attendus :

• délimitation d’un panache de pollution, préparation d’un plan d’échantillonnage ;
• substitution aux analyses de laboratoire ;
• monitoring de pollution.

Les conditions d’utilisation et les limites de l’appareillage doivent être prises en compte lors de l’interprétation des analyses de terrain.
L’étude a également fait émerger que le traitement de ce type de données par intelligence artifi cielle permet une exploitation des résultats plus poussée et laissant supposer des développements potentiels à venir pour le domaine des SSP.
Une synthèse de l’étude sera mise à disposition du grand public au printemps 2023 sur le site de Record (www. record-net.org).

Antoine Faure et Isabelle Moulin, Setec Lerm
Jacques Pouilhe, Setec Hydratec
Rémy Bayard, association Record / laboratoire Deep, Insa Lyon

Remerciements :
Les auteurs remercient Record (Réseau coopératif de recherche sur l’économie circulaire), les déchets et l’environnement (www.record-net.org) pour le financement de cette étude ainsi que pour les
orientations industrielles et la supervision scientifi que apportées aux travaux.