Journée Thématique "Capteurs pour le suivi de la qualité de l’eau"

Dates : le 14 Mars 2025 de 10:00 à 16:00

Lieu : Sorbonne Université, Campus de Jussieu, Salle 105

Organisateurs : Olivier BERDER, Daniel CHILLET, Nathalie DELTIMPLE et Morgan MADEC

Thématiques : Circuits et Système AMS & RF et Systèmes Connectés pour les Transitions

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La surveillance environnementale est un enjeu majeur de santé public. En particulier, le contrôle en continu de la qualité de l’eau et la génération de signaux d’alerte en cas de risques de pollution sont des sujets d’actualité. Les besoins en termes de capteurs innovants, autonomes et communiquant dans ce domaine vont aller en s’accroissant dans les années à venir afin de répondre aux nouvelles directives de l’Union Européenne qui a fait de l’innovation dans le domaine de l’eau une priorité absolue avec un programme s’étendant jusqu’en 2050 (EU water blueprint: Taking stock moving forward). Les défis à relever pour la mise au point de ces technologies sont nombreux, incluant notamment le développement de nouvelles technologies de capteur ultra-sensible permettant de mesurer de très faible quantités de polluants, l’automatisation du processus de mesure et son intégration dans un système autonome ainsi que le déploiement de ces dispositifs au sein de réseaux de capteurs permettant l’agrégation des mesures, le traitement des données à large échelle et l’anticipation des risques de pollution.

Dans ce contexte, cette journée thématique commune aux axes « circuits et systèmes AMS/RF » et « Systèmes Connectés pour les Transitions » du GdR SoC2 a pour objectif de donner une vue d’ensemble des enjeux actuels et futurs autour du suivi de la qualité de l’eau et des technologies associées. Cinq présentations sont prévues au programme de cette journée :

• Technologies pour la gestion durables de l’eau au centre européen d’excellence, Martijn Wagterveld (WetSus, Wangenigen, NL)
• Technologies et des processus existants et futurs pour la surveillance au quotidien de la qualité de l’eau, Emmanuel Fellmann (SDEA Strasbourg)
• Imagerie rapide appliquée à la surveillance de la qualité de l’eau, Wilfried Uhring (ICube Strasbourg)
• Projet Européen IBAIA (Developing cutting-edge in situ sensors for real-time water quality monitoring), Virginie Nazabal (ISCR Rennes)
• Projet ANR PRCE « BELUGA » (Laboratoire sur disque pour la surveillance in situ de la qualité des eaux de surface par biocapteurs à algues et capteurs physico-chimiques), Jérôme Launay (LAAS-CNRS Toulouse).

La journée est également ouverte à des contribution de la part des participants (résumé d’une dizaine de lignes à déposer au moment de l’inscription et présentation orale ou poster durant la journée). L’inscription à la journée est gratuire mais obligatoire.
Date limite d’inscription : 7 mars 2024.

Programme de la Journée Thématique

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Compte-rendu

• Nombre de participants : 20
• Laboratoire ou entreprises représentés : 11 (ICube Strasbourg, FHNW Müttenz CH, IRISA Rennes, Institut Foton Lannion, LIP6 Paris, LEAT Nice, ESME Ivry, IMS Bordeaux, WetSus, Wangenigen NL, SDEA Strasbourg)

Le programme de la journée s’est attaché à présenter les enjeux actuels et à venir en manière de suivi de la qualité de l’eau ainsi que les technologies émergentes permettant de répondre à ces défis. Les enjeux ont été présentés en lien à la fois avec les directives du European Water Framework mais aussi en regard des attentes des utilisateurs de ces capteurs innovants, à savoir les collectivités et organismes en charge de mettre en œuvre cette surveillance sur le terrain. Sur le volet de la technologie, trois projets de recherche ont été présentés aboutissant à des preuves de concept de capteurs pouvant répondre à ces défis, dans des domaines très variés tels que la photonique, l’électronique, l’électrochimie et la bioélectronique.

La première présentation, donnée par Emmanuel FELLMANN (SDEA, Syndicat des Eaux d’Alsace-Moselle, Strasbourg) a permis de mieux appréhender les besoins en matière de suivi de qualité de l’eau dans le contexte de leur utilisation sur le terrain. Exemples à l’appui, la présentation met en avant un certain nombre de limitations des dispositifs existants. Elle met également l’emphase sur les problématiques importantes à prendre en compte pour le développement de nouveaux capteurs dans ce domaine : mesure au plus près du lieu d’analyse pour éviter une modification de l’échantillon pendant le transport, prise en compte des conditions spécifiques dans lesquelles les mesures sont faites (température basse, humidité élevée) lors de la conception de capteurs, besoin de dispositif ne nécessitant pas de maintenance régulière ou de consommables onéreux, dispositifs autonomes fonctionnant en autonomie (énergie, communication) même dans des zones très rurales.

La deuxième présentation, donnée par le Pr. Wilfried UHRING (Laboratoire ICube, CNRS, Université de Strasbourg), traite des applications de l’imagerie rapide dans le domaine du suivi environnemental. Le dispositif présenté, la PICO2BOX, est constitué d’une photodiode avalanche et d’un système électronique de séquençage et de traitement permettant la détection de photons uniques avec une résolution temporelle subpicoseconde. Le dispositif a par exemple été utilisé dans le cadre du projet TROT (Time-Resolved Optical Turbidity) pour de la mesure de turbidité de l’eau. Contrairement aux dispositifs classiques n’analysant que l’intensité du signal lumineux diffusé dans le milieu, la PICO2BOX permet une analyse de la déformation de cette impulsion lumineuse, plus riche en information. Cette approche permet notamment de s’affranchir de variations d’intensités liées par exemple à l’encrassement des optiques en contact avec l’eau. La PICO2BOX peut également être utilisée dans le cadre de la détection de polluants autofluorescents. C’est ce qui a été fait dans le cadre du projet Interreg WaterPollutionSensor. La mesure ne porte pas uniquement sur l’intensité de la fluorescence, mais aussi sa décroissance (quelques ns), ce qui permet une identification plus précise des molécules à l’origine du signal tout excluant toute fluorescence parasite émanant du dispositif de mesure ou de son environnement.

La troisième présentation, donnée par Jérôme LAUNAY (LASS, CNRS / Université de Toulouse), concerne le projet ANR BELUGA mené en collaboration avec l’INL, le CINaM, le LEHNA et la société Origalys Electrochem. L’objectif de ce projet est de développer un système d’alerte portable et à bas coût pour le contrôle de la qualité des eaux douces de surface. Après une introduction générale du projet, Jérôme LAUNAY met l’emphase sur les capteurs électrochimiques et bioélectrochimiques développés au LAAS. La solution technologie apportée est un capteur électrochimique versatile installé en dessous d’un disque microfluidique permettant le transport des échantillons. Dans une première version, le capteur est fonctionnalisé par de l’oxyde d’iridium, ce qui permet une mesure de pH avec une très bonne sensibilité. Dans une seconde version, le capteur est doté d’une couche de transduction composée de nanotubes de carbones et de polypyrrole permettant la détection efficace des ions nitrate. Enfin, dans une troisième version, les capteurs sont recouverts de noir de platine et mis en contact avec des algues Chlamydomonas Reinhardtii. Le capteur détecte l’oxygène produit par les algues pendant la photosynthèse, production qui est impactée en cas de présence de polluants tels que les micropolluants chimiques (glyphosate, diuron, atrazine) ou les métaux lourds (cuivre, cadmium, mercure).

La quatrième présentation, donnée par Martijn Wagterweld (WetSus, Wangenigen, NL) donne de plus amples détails sur le European Water Framework Directive et ses conséquences en termes d’innovation dans le domaine du suivi environnemental pour la qualité de l’eau. En 2019, la quasi-totalité des eaux de surface testées en Europe a échoué sur au moins un des volets du contrôle de qualité (pollution écologique et/ou pollution chimique). L’objectif de l’UE est de ramener toutes les régions à valider ce même test d’ici à 2030. Pour ce faire, la stratégie consiste à mettre en place plusieurs niveaux de monitoring allant de la simple la surveillance (mensuel pour les polluants les plus critiques à annuelle ou pluriannuelle pour les sédiments et le biota) à la mise en place de système d’alerte d’évènement de pollution. Ces capteurs, effectuant des mesures en autonomie et sur le terrain, sont à même de produire des données en masse qui permettront, à terme, d’analyser plus finement l’impact des mesures prises sur la qualité de l’eau, voire de prédire des évènements de pollution en lien avec l’activité humaine ou météorologique. Martijn Wagterweld présente aussi la start-up AQA.earth qu’il a créée permettant justement la génération de ces données à l’aide de capteurs classiques déployés sur le terrain ou à l’aide de projets de science participative (analyse de photographies de rivières ou de lac prises par les citoyens pour estimer la qualité de l’eau en continu).

La dernière présentation, donnée par Joël Charrier (Institut Foton, CNRS, Université de Rennes) concerne le projet européen IBAIA mené en collaboration avec, entre autres, les universités de Mons (Belgique), Pardubice (Rep. Tchèque), Tampere et Joensuu (Finlande), l’Ifremer (France) et les entreprises Agrotech (Rep. Tchèque), Klearia, mirsense et SCIRPE (France). L’objectif du projet est la mise au point d’une plateforme multimodale de détection des polluants dans l’eau. Quatre technologies de capteurs sont développées à cet effet, combinant photonique et électrochimie. Joël CHARRIER s’intéresse plus particulièrement à un type de capteur développé pour cette plateforme : des capteurs photoniques de type « Mid-IR sensors ». Ceux-ci sont basés sur l’intégration compacte d’un transducteur en verre de chalcogénure, d’un réseau de puces QCLs (laser à cascades quantique) et d’un détecteur III-V. Une première preuve de concept a été réalisée à l’aide des sources laser QCL accordables en laboratoire. Les résultats sont très encourageants tant en termes de sensibilité que de sélectivité. Le prototype intégré utilisant des QCLs est en cours de développement.