Principe
La fluorescence X permet l'identification et la quantification des métaux. La technique repose sur l’excitation des électrons de la couche externe des atomes au moyen de rayons X. Lorsque ces électrons redescendent à une forme plus stable, des photons d'énergie caractéristique de l'atome sont libérés.
La détection des photons se fait à l'aide d'un spectromètre à dispersion d'énergie ou d'un spectromètre à dispersion de longueur d'onde. L’appareil mesure en continu le nombre de signaux correspondant à chaque énergie ce qui lui permet de calculer la teneur de l’élément dans l’échantillon.
Description
La pXRF est une technique de mesure rapide qui permet d’obtenir des informations sur la présence (résultats qualitatifs) et l’abondance (résultats semi-quantitatifs à quantitatifs) d’éléments traces métalliques (ETM) pendant la phase de terrain sans avoir nécessairement recours à un laboratoire d’analyses.
Applicabilité
Légende des tableaux 1 a 3 :
✅ = Technique applicable
❌ = Technique inapplicable
Milieu :
Le tableau 1 ci-dessous indique les milieux pour lesquels la fluorescence X est applicable ou non :
| Milieu concerné | Application | Commentaires |
|---|---|---|
| Sol | ✅ | Inapplicable à une humidité supérieure à 20% |
| Gaz du sol | ❌ | |
| Eau souterraine | ❌ | |
| Eau de surface | ✅ | pXRF muni du système MWAS (Multimetal Water Analysis) développé par 3AWater permet des analyses du Pb, Zn, Cu, Ni, Mn et U. |
Type de sol :
Le tableau 2 ci-dessous indique les types de sols pour lesquels la fluorescence X est applicable ou non :
| Type de sol | Applicabilité | Commentaire |
|---|---|---|
| Sableux | ✅ | |
| Limoneux | ✅ | |
| Graveleux | ✅ | |
| Argileux | ✅ | |
| Roches endogènes | ✅ | Les appareils sont calibrés sur des échantillons en poudre donc les analyses directes sur des roches sont plus qualitatives que quantitatives. |
Hydrogéologie :
Le tableau 3 ci-dessous indique les conditions hydrogéologiques dans lesquelles la fluorescence X est applicable ou non :
| Zone saturée et non saturée | Applicabilité |
|---|---|
| Perméable | ✅ |
| Semi-perméable | ✅ |
| Imperméable | ✅ |
Polluants caractérisés
Le tableau 4 ci-dessous indique les polluants caractérisables ou non au moyen de la fluorescence X :
Légende du tableau 4 :
✅ = polluant caractérisable
❌ = polluant incaractérisable
| Polluants | Sols | Gaz du sol | Eau souterraine | Commentaires |
|---|---|---|---|---|
| BTEX | ❌ | ❌ | ❌ | |
| HAP | ❌ | ❌ | ❌ | |
| HCT (C5-C10) | ❌ | ❌ | ❌ | |
| HCT (C10-C40) | ❌ | ❌ | ❌ | |
| Solvants chlorés | ❌ | ❌ | ❌ | |
| PCB | ❌ | ❌ | ❌ | |
| Métaux lourds | ✅ | ❌ | ❌ | Les limites de détection dépendent de l’élément recherché et du modèle de l’appareil. |
| Métaux et métalloïdes | ✅ | ❌ | ❌ | |
| Phénols | ❌ | ❌ | ❌ |
Faibles limites de détection : 0,005-0,05 ppm (mg/kg),
La détection de certains ETM comme le Cd, le Cu ou le Hg est possible mais la limite de quantification est assez élevée pour ces éléments (de l’ordre de 20 mg/kg sur des échantillons avec une préparation minimale) et nécessite une mesure poussée, en termes de préparation et de temps de mesure.
Etapes d'utilisation
Le tableau 5 ci-dessous indique les étapes aux cours desquelles la fluorescence X est utilisable ou non :
Légende du tableau 5 :
✅ = Technique utilisable
❌ = Technique inutilisable
| Etapes | Utilisation |
|---|---|
| Diagnostic rapide (screening) | ✅ |
| Diagnostic avancé (caractérisation du site) | ✅ |
| Suivi de la dépollution | ✅ |
| Surveillance environnementale | ✅ |
Types de résultats
Semi-quantitatif : ces résultats peuvent être utilisés pour délimiter les zones polluées.
Quantitatif : l’appareil permet d’obtenir une concentration de chaque élément détecté mais ces résultats doivent être consolidés/validés par ceux du laboratoire.
Avantages et inconvénients
Avantages :
La Fluorescence X portable présente les avantages suivants :
- Appareil léger (1,5 kg) et facile d’utilisation,
- Possibilité de stocker jusqu’à 10 000 mesures,
- Possibilité de prendre 100 – 200 mesures par jour,
- Délai d'exécution rapide (30 secondes à 2 minutes par échantillon),
- Analyse simultanée de 25 à 35 éléments (métaux et métalloïdes),
- Couplage possible avec la géostatistique pour l’optimisation des investigations.
Inconvénients :
Les inconvénients et les facteurs limitants de cette technique sont les suivants :
- Présence d’interférences,
- Possibilité d’interférences avec les caractéristiques du sol (humidité supérieure à 20% ou fraction grossière trop importante),
- Possibilité d’interférences avec un mélange de polluants quantification de l'As peu fiable si présence de Pb importante par exemple).
Coûts
- Location : +/- 1000 € HT par jour
- Achat : +/- 30000 à 35000 € HT
Maturité
Techniques éprouvée : la polarisation provoquée disposant d’une R&D aboutie, elle est couramment utilisée sur le terrain.
Mesures de sécurité
La détention de la pXRF nécessite une déclaration préalable auprès de l’Agence de la Sécurité Nucléaire (ASN) et son utilisation est strictement réservée aux personnes sensibilisées sur la radioprotection. En dehors de l’utilisateur, respecter un périmètre de sécurité d’un mètre autour de l’appareil.
Les EPIs ne sont pas obligatoires lors de l’utilisation de l’appareil mais le port des chasubles est conseillé en fonction de la localisation des analyses (sites privés, au bord des routes, champs...).
Références bibliographiques et sites ressources
Bibliographie :
Bruxelles environnement. Code de bonnes pratiques pour l’utilisation de techniques alternatives d’investigation du sol – Bruxelles environnement
Laperche V., Hube D., Guérin V. & Aubert N., (2014)
Outils de mesure sur site : quel besoin et quelles mesures pour quelle utilisation ? Rapport final. ADEME. 22p
Favéreaux S., Drzewiecki P.,Lion P., Coftier A., Marot F., Perronnet K. avec la collaboration de : Dubrac N., Guérin V., Roussel H., Duclos Y., Grand C., Bégassat P., Masselot G., Jacquemin P., Lethielleux L., Hulot C., Quiot F., Quéron J. & Lepot B., (2023)
Guide Diagnostic des sites et sols pollués, 260p
MTE, INERIS, ADEME, BRGM (2021)
Guide Fiches techniques innovantes
https://ssp-infoterre-refonte.brgm.fr/fr/guide/fiches-ssp-techniques-innovantes
Coussy S., Dubrac, N. avec la participation de Rouvreau L., (2020)
Guide de caractérisation des terres excavées dans le cadre de leur valorisation hors site dans des projets d’aménagement et en technique routière pour des projets d’infrastructures linéaire de transport – Cas des terres excavées issues de sites et sols potentiellement pollués. Rapport final. BRGM/RP-69581-FR, 41 p., 7 fig., 6 tab., 1 ann.
Ministère de l’Ecologie, du Développement Durable et de l’Energie, (2013)
Sols et sites : caractérisation, métrologie, dépollution. Rencontres éco-technologiques 2013 - Paris 27 mai 2013, 18 pp.
Hewitt A. D., (1997)
Detecting Metallic Primary Explosives with a Portable X-ray Fluorescence Spectrometer, US Army Corps of Engineers Cold Regions Research & Engineering Laboratory, 14 p.
Méthode USEPA, (2007)
Method 6200: Field Portable X-ray Fluorescence Spectrometry for the Determination of Elemental Concentrations in Soil and Sediment
Dressel P. E., Truex M. J., Sweeney M. D., (2007)
Review of techniques to Characterize the Distribution of Chromate Contamination in the Vadose Zone of the 100 Areas at the Handford Site. PNNL-16760, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington.
USEPA. (1997)
Field Analytical and Site Characterization Technologies: Summary of Applications. EPA 542-R-97-011.