Identifier les minéraux et les contaminants présents dans l’eau et les aliments au moyen de la technologie XRF portable

L’eau qui sort de votre robinet contient-elle seulement du H₂O? La réponse n’est pas si simple, car l’eau peut contenir des matières dissoutes invisibles à l’œil nu. Les appareils à fluorescence X portables (pXRF), comme l’analyseur XRF à main Vanta™ d’Olympus, peuvent contribuer à l’identification des minéraux et contaminants invisibles dans votre eau potable.

Identification des minéraux et des contaminants présents dans l’eau

Nous pourrions penser que notre eau potable contient seulement du H₂O, mais il y a souvent d’autres matières dissoutes dans notre verre. Certaines de ces matières sont bénéfiques pour nous, comme le fluorure, qui aide à prévenir la carie dentaire. Parmi les autres minéraux couramment présents dans l’eau, on compte le chlorure de calcium (CaCl₂), un composé qui contient des électrolytes et qui, lorsqu’il est présent dans l’eau, peut aider à prévenir la déshydratation. Le chlorure de calcium, de même que d’autres chlorures courants comme le chlorure de magnésium, de sodium et de potassium, peuvent s’introduire dans l’eau potable à partir de roches en raison de divers processus géologiques. Le graphique ci-dessous (figure 1) montre la précision qu’offre l’analyseur XRF à main Vanta lorsqu’il analyse le calcium dissous pour des concentrations se situant entre 20 ppm et 1000 ppm.

Figure 1. Résultats analytiques fournis par l’analyseur XRF à main Vanta pour du calcium dissous comparés aux résultats fournis pour un échantillon de référence ICP (image en médaillon montrant des concentrations plus faibles)

L’eau peut toutefois contenir des matières potentiellement nocives, notamment des nitrates (NO₃-), du manganèse (Mn), du fer (Fe) et du bicarbonate (HCO₃-). Ces éléments et composés peuvent causer divers problèmes de santé et d’infrastructures, notamment des dommages aux tuyaux et aux chauffe-eaux, la formation de tartre et une croissance bactérienne.

Des techniques d’analyse élémentaire, comme l’analyse par technologie à fluorescence X portable (pXRF) effectuée à l’aide d’analyseurs de la gamme Vanta™, peuvent être utilisées pour identifier et quantifier certaines de ces matières nocives. La technologie pXRF peut également contribuer à l’identification des métaux lourds, l’un des groupes de contaminants de l’eau potable les plus considérables et les plus nocifs.

Contamination de l’eau potable par des métaux lourds

Les métaux lourds, qui comprennent généralement le chrome (Cr), le nickel (Ni), le cuivre (Cu), l’arsenic (As), le cadmium (Cd), le mercure (Hg) et le plomb (Pb), peuvent causer divers problèmes lorsqu’ils sont présents dans l’eau potable. Ces métaux peuvent se retrouver dans l’eau à cause d’activités humaines et géologiques, comme l’altération naturelle des roches, l’opération de centrales électriques alimentées au charbon et l’exploitation minière. Lorsque ces métaux pénètrent dans les eaux souterraines, ils peuvent rendre l’eau plus acide ou plus alcaline. En conséquence, l’eau devient potentiellement toxique pour la consommation et destructrice pour la tuyauterie et autres infrastructures liées à l’eau. En modifiant le pH de l’eau, ces métaux peuvent également favoriser la croissance de divers types de bactéries nocives.

Différents types d’eau potable

Heureusement, la majeure partie de l’eau potable est soumise à des processus de filtration ou autres processus de purification. Nous disposons de plusieurs types d’eau potable facilement accessibles :

• Eau du robinet
• Eau distillée
• Eau filtrée
• Eau de source
• Eau purifiée

Habituellement la plus facile d’accès, l’eau du robinet est soumise à quelques processus. Une fois les eaux souterraines extraites, certains produits chimiques y sont ajoutés pour éliminer la saleté et la plupart des autres particules dissoutes. L’eau claire est ensuite filtrée et désinfectée au chlore, et du fluor est ajouté dans certaines régions. L’eau distillée a été bouillie afin qu’elle se transforme en vapeur d’eau, puis a été à nouveau condensée en eau potable, processus qui élimine presque tous les contaminants. L’eau filtrée, quant à elle, est similaire à l’eau du robinet, bien que certaines eaux filtrées soient traitées à l’ozone pour tuer les bactéries avant la mise en bouteille à l’étape de purification finale. Comme l’eau filtrée, l’eau de source subit la même étape de purification que l’eau du robinet, en plus d’être traitée à l’ozone. Enfin, l’eau purifiée est assujettie à de nombreuses techniques de purification, comme l’osmose inverse, la distillation et la déionisation. Chacune de ces techniques élimine certaines matières et certains contaminants, mais en laisse d’autres. Au moyen des analyseurs XRF à main Vanta, il est possible d’identifier les matières dissoutes qui n’ont pas été éliminées dans ces différents types d’eau.

Analyse de l’eau au moyen des analyseurs XRF à main Vanta

Pour vous montrer comment fonctionne la technologie XRF portable, nous avons utilisé un analyseur Vanta pour analyser les cinq types d’eau mentionnés précédemment ainsi que de l’eau de pluie, et avons ensuite effectué une analyse quantitative des résultats. L’analyse a duré une minute et nous a permis d’identifier rapidement les contaminants et les minéraux présents dans l’eau (figure 2).

Figure 2. Résultats fournis par l’analyseur XRF à main Vanta pour cinq types d’eau et montrant différentes matières dissoutes dans l’eau

Bien que tous les types d’eau se ressemblent lorsqu’on effectue une inspection visuelle, les échantillons contiennent différentes matières dissoutes. Les types d’eau qui subissent de nombreuses étapes de purification, comme l’eau distillée et l’eau purifiée, ne contiennent aucun niveau détectable de minéraux, de sels ou de métaux dissous. Les types d’eau plus près de la source et qui subissent moins d’étapes de purification, comme l’eau de source et l’eau filtrée, contiennent certains éléments provenant de matières organiques, comme du phosphore et du soufre, ainsi que des sels provenant de processus géologiques, comme du calcium et du chlore. L’eau du robinet, en plus de contenir ces matières organiques et ces sels, contient des traces (sans danger) de fer et de zinc provenant de certains des tuyaux qui transportent l’eau. Le fer peut être utilisé par votre corps comme un minéral nécessaire, mais peut également laisser des taches rougeâtres sur les appareils de plomberie de votre maison. Heureusement, aucun des types d’eau testés ne contenait de quantités détectables de métaux lourds.

En plus de calculer la concentration des éléments, l’analyseur XRF à main Vanta™ peut calculer la concentration de divers sels. En utilisant nos eaux de source et de robinet comme exemples, l’analyseur Vanta a pu déterminer directement la concentration de chlorure de calcium en temps réel (figure 3).

Figure 3. Calcul direct de la concentration de chlorure de calcium (CaCl₂) dans l’eau de source (à gauche)
et l’eau du robinet (à droite) au moyen de l’analyseur XRF à main Vanta

Identification des métaux lourds dans les eaux usées

L’analyseur XRF à main Vanta™ peut également déceler la contamination par les métaux lourds dans les eaux usées et dans l’eau utilisée à des fins industrielles et agricoles. Alors que certains des métaux lourds peuvent être directement détectables par l’analyseur Vanta à une concentration de 1 ppm (1 mg/L) ou plus, certains contaminants présents ont une concentration en deçà de ce niveau. Des avancées réalisées dans la préparation des échantillons, comme l’utilisation de sachets de résine d’échange d’ions à intervalles (ou TIERS – time-lapse ion exchange resin sachets en anglais)¹, permettent à l’analyseur Vanta de calculer des concentrations de métaux lourds et de sels aussi faibles qu’une partie par milliard, ou des fractions de 1 mg/L. Cette technique de préparation d’échantillons simple et peu coûteuse peut multiplier par un facteur de 100 à 1000 les concentrations dans l’eau, permettant des limites de détection qui rivalisent avec celles offertes par les techniques plus coûteuses.

Il a été démontré que l’utilisation de TIERS ou d’autres résines d’échange d’ions contribue à la détection des déversements illégaux dans les eaux industrielles et agricoles¹, à l’évaluation de la pollution par les métaux lourds dans les terres agricoles² et à l’identification des polluants dans les grandes étendues d’eau³. Ces techniques ont conduit au développement de la caractérisation des eaux usées, laquelle a permis aux chercheurs de déterminer d’où provenaient certains polluants ou contaminants précis. La capacité d’atteindre des limites de détection aussi faibles qu’une partie par milliard au moyen de l’analyseur XRF portable en fait un outil utile pour l’analyse des eaux usées et l’identification des contaminants.

Contaminants dans les aliments et les boissons

L’eau n’est pas le seul élément consommable pouvant avoir subi une contamination par des métaux lourds. D’autres articles couramment consommés, comme les céréales et le sucre, peuvent également être contaminés par des métaux lourds. En plus des morceaux de métal complets qu’on peut retrouver dans les aliments, des métaux-traces provenant d’activités humaines et environnementales peuvent également contaminer les aliments. Des métaux comme le fer et le zinc peuvent se retrouver accidentellement dans les aliments en raison de bris de machinerie, de polluants contenus dans les engrais et de diverses techniques de broyage et de traitement. En ce qui concerne le sucre, si des contaminants étaient présents dans le sol qui a fait pousser la canne à sucre et/ou que l’eau utilisée pour effectuer le traitement était contaminée, il contiendra lui aussi des contaminants. Comme pour les analyses d’eau que nous avons faites, nous avons testé de la farine, du riz et du sucre de qualité grand public avec un analyseur XRF à main Vanta™ et effectué une analyse quantitative des résultats. L’analyse a duré une minute et nous a fourni rapidement la concentration des contaminants contenus dans ces articles de garde-manger courants (figure 4).

Figure 4. L’analyseur XRF à main Vanta peut analyser les aliments courants, notamment le sucre (à gauche), la farine (au centre) et le riz (à droite).

Bien qu’aucune des matières dissoutes ne soit visible à l’œil nu, elles sont clairement présentes dans ces aliments. Tous les éléments détectés sont naturellement présents dans ces matières, provenant de minéraux, de sels et de nutriments naturels. L’analyseur Vanta peut même être utilisé pour tester des produits aussi diversifiés que de la poudre de protéines ou du cannabis.

Ces analyses élémentaires révèlent clairement la contamination des aliments et boissons de consommation et démontrent les performances analytiques des analyseurs XRF à main Vanta.

Références

1. SHIH, P.K., CHIANG, L.C., LIN, S.C., CHANG, T.K. et HSU, W.C. « Application of Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets (TIERS) for Detecting Illegal Effluent Discharge in Mixed Industrial and Agricultural Areas, Taiwan », Sustainability, vol. 11, n° 11, 2019, p. 3129.

2. HUANG, J.J.S., LIN, S.C., LÖWEMARK, L., LIOU, S.Y.H., CHANG, Q., CHANG, T.K., WEI, K.Y. et CROUDACE, I.W. « Rapid assessment of heavy metal pollution using ion-exchange resin sachets and micro-XRF core-scanning », Scientific Reports, vol. 9, n° 1, 2019, p. 1-6.

3. PAN, S.Y., SYU, W.J., CHANG, T.K. et LEE, C.H. « A multiple model approach for evaluating the performance of time-lapse capsules in trapping heavy metals from water bodies », RSC Advances, vol. 10, n° 28, 2020, p. 16 490-16 501.