1. Le TDS

La méthode chimique classique pour déterminer le TDS consiste à évaporer à 180 °C le volume d’un échantillon sous conditions strictes jusqu’à dessèchement complet,. Le poids du résidu détermine le TDS. C’est la meilleure méthode, mais le procédé est très long. En aquariophilie on lui préfère une mesure de conductivité : l’électroconductivité (EC), ou bien le TDS (Total dissolved solids) un indicateur d’impureté. Le TDS est la concentration en ppm (parties par million) ou mg/l des particules minérales (non organiques) dissoutes dans l’eau. Il s’agit des sels, minéraux, dissous dans l’eau, bref à peu près tout ce qui n’est pas de l’eau H₂O.

2. Mesure du TDS par conductivité

2.1. Principe de mesure

L’essentiel des solides contenus dans l’eau douce sont issus de la pluie, des fontes glacières, du ruissellement et du lessivage des sols. On y trouve des éléments naturels et des résidus de pollutions de tous ordres. Parmi les constituants chimiques courants on trouve : calcium, phosphates, nitrates, sodium, potassium, chlorure… Des molécules constituées d’atomes chargés électriquement : des ions. Les cations sont chargés positivement et les anions négativement.
Si on crée une différence de potentiel (tension électrique) entre deux électrodes, les ions s’y déplaceront, les cations dans un sens et les anions dans l’autre, en créant un champ électrique dont on peut mesure la conductivité. Ce principe est celui de n’importe quel conductimètre, mais qu’est ce qui les différencie ?

2.2. TDSmètre ou conductimètre ?

Le TDSmètre mesure une conductivité, c’est une alternative plus rapide et plus facile que l’analyse chimique. Il transpose cette valeur en TDS. Cet appareil se démarque du conductimètre par une électronique moins sophistiquée. La contrepartie de cette simplification est que son utilisation n’est possible que dans des conditions strictes, moins étendues que celle d’un conductimètre :

• La conductivité ne doit être due qu’à une majorité de solides dissous,
• La nature des composants ioniques doit être celle pour lequel le capteur, avec ses caractéristiques propres, a été prévu.
• Le TDS étant une électroconductivité, il varie selon la température qui doit être prise en compte.

Alors, le TDSmètre peut estimer correctement une concentration d’impuretés suivant une courbe préétablie. Cela vaut pour l’eau douce naturelle ou traitée si la composition des échantillons ne varie que très légèrement. Par contre le TDSmètre n’est pas adapté à l’eau de mer.

On le comprend, le TDSmètre a l’avantage du coût contre moins de précision et de latitude.

2.3. Relation électroconductivité – TDS

Dans son étendue de mesure le TDS est lié à l’électroconductivité (EC) par un facteur de conversion k :

TDS (ppm) = EC (µS/cm) x k.

Ce facteur k varie selon la nature des ions (NaCl, KCl…) et de la charge ionique (quantité d’ions). Il augmente avec l’impureté de l’eau. Contrairement aux TDSmètres premiers prix, prévus pour une marge étroite de situations, les meilleurs TDSmètre corrigent ce facteur selon la valeur mesurée. Le facteur k oscille de 0,9 pour une eau très chargée ioniquement, à 0,64 pour une eau du réseau domestique et 0,5 pour une eau très pure telle que l’eau osmosée.

Pour l’eau osmosée : TDS (ppm) = EC (µS/cm) / 2.

2.4. TDS en aquariophilie récifale

Le TDSmètre est essentiellement utilisé pour mesurer un certain niveau de qualité de l’eau osmosée et de l’eau douce. La mesure de la salinité d’un aquarium marin est possible, mais elle est plus approximative que l’électroconductivité compte tenu de son imprécision en présence de nombreux ions, surtout quand l’équilibre ionique dévie de celui de l’eau de mer.

3. Le TDSmètre

3.1. Équipement

Le TDSmètre est, de par sa volontaire rusticité, destiné aux mesures sur terrain, en l’absence d’une grande exigence. Il peut lire des concentrations jusqu’à 1000 ppm avec une résolution de 1 ppm. Mais la relation n’étant  linéaire que pour les plus faibles valeurs, le coefficient k nécessite d’être ajusté selon l’eau testée au risque de générer une erreur supérieure à la mesure elle-même, jusqu’à 15 %. Un TDSmètre élaboré pour un grand spectre de valeurs intègre cette correction automatique du facteur k qui varie déjà entre une eau pure et ultra pure.

Les TDSmètres bon marché habituellement proposés pour l’aquariophilie sont certes destinés à vérifier des eaux douces et notamment l’efficacité de l’osmoseur. Mais ils ne disposent ni de correction du coefficient k, ni de compensation de température. Ce type de TDSmètre, s’il est prévu pour l’eau de consommation, affiche d’emblée une erreur de mesure lorsqu’il est plongé dans une eau osmosée, même après étalonnage. On le comprend, leur niveau d’exactitude est bien inférieur à celui d’un conductimètre 10 fois plus cher. Les exigences de l’aquariophile décideront seules s’il faut privilégier le conductimètre au TDSmètre.

Le TDSmètre est utilisé en aquariophilie récifale pour évaluer très grossièrement un niveau global de pureté de l’eau osmosée. Nous sommes d’accord, la valeur est entachée d’erreurs dues à l’imprécision de l’appareil et à sa dérive. Sachant qu’une membrane laisse passer de 2 à 5 % de polluants, soit 50000 µg/l de composants dont certains potentiellement toxiques, et que nous ne savons pas ce que retient la résine déionisante, le TDSmètre ne permet pas de détecter le niveau exact de pollution comme le fait un spectromètre type ICP.

Equipe d’une sonde pour vérifier l’eau en sortie de traitement, il peut en comporter une seconde à positionner entre la membrane et la résine. Cela permet de suivre à la foi la dérive due au colmatage de la membrane et celle due à la saturation de la résine. Le raccordement en ligne via deux tés à raccord rapide permet de laisser les sondes en place pour une lecture rapide.

Le TDSmètre dispose parfois d’une double gamme de mesure : de 0-9990 ppm avec une résolution de 10 ppm ou de 0 à 999 ppm avec une résolution de 1 ppm avec une précision de l’ordre de 2 % de la valeur mesurée.

3.2. Utilisation du TDSmètre

Dans le cadre d’une utilisation au contact d’eau pure, il n’y a pas a craindre de détérioration majeure. Plus généralement :

TDSmètre portatif

• Ne pas pas tremper l’appareil dans une eau chaude > 80 °C trop longtemps.
• Ne pas toucher les électrodes avec les doigts.
• Immerger les électrodes totalement dans la solution.
• Tapoter légèrement sur l’appareil afin d’éliminer les bulles d’air.
• Attendre 10 secondes que l’affichage se stabilise.
• Lire la mesure et procéder, si besoin, à la correction selon la notice d’emploi.
• Après usage, éteindre l’appareil et nettoyer les électrodes à l’eau osmosée.

TDSmètre en ligne

• Immerger les électrodes en l’absence d’air (sortie du système de filtration).

3.3. Étalonnage du TDSmètre

Certains TDSmètres sont étalonnés d’usine (autour de 340 ppm), peuvent être considérés fiable leur première année d’une utilisation régulière, seulement si cet étalonnage est cohérent avec le fluide testé. Tout comme les conductimètres, les TDSmètres peuvent dériver et donner de fausses valeurs, ils doivent être étalonnés quand l’écart est supérieur à 2 % de la valeur.

Ils s’ajustent avec une solution étalon TDS correspondant au facteur de conversion de l’appareil, sinon rectifier la conversion (TDS 342 ppm NaCl = TDS 362 ppm KCl = 700 µS/cm). En général, pour notre usage, il s’agit de chlorure de sodium NaCl. L’étalonnage doit se faire au plus proche de la valeur normalement mesurée et, pour certains appareils, en deux points.

• Pour une eau de ville de TDS 200 à 600 ppm, un étalon à 200 – 500 ppm permet d’obtenir une droite pour un ajustement réaliste.
• Pour l’eau osmosée de TDS 0 à 10 ppm. Utiliser un étalon proche de 50 ppm. Cette valeur ne garantit pas cependant une mesure juste proche de zéro ppm.
  • Choisir un étalon 50 ppm (ex. Solution étalon 50 ppm 21 °C Neo3plus), plus économique qu’un étalon 15 ppm de laboratoire.
  • Utiliser un étalon pour conductivité. Il suffit d’établir la relation TDS = EC x k (tableau 1).
    Le commerce propose des étalons de laboratoire autour de 84 µS/cm ou beaucoup plus économique un étalon en VPC d’origine asiatique (figure) 84 µS/cm à 25 °C, équivalent à TDS = EC x k = 84 x 0,64 = 54 ppm.

L’ajustement s’obtient avec une vis de réglage ou automatiquement quand l’équipement reconnait la solution. Procéder selon la notice de l’appareil. la durée de vie d’un flacon ouvert est d’environ 1 an

En savoir plus

• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

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1. Electroconductivité (EC) de l’eau de mer

1.1. Ce qu’est la conductivité

La conductivité électrique, ou électroconductivité (EC) de l’eau est son aptitude à laisser passer le courant électrique. Elle mesure le mouvement des charges électriques qu’elle contient : les électrons, peu liés à leurs atomes, chargés d’ions positifs et négatifs. La migration des ions est d’autant plus facile que les charges sont libres, c’est le cas des solutions, et la conductivité est d’autant plus importante que l’eau est chargée de composants conducteurs comme les sels.

Elle augmente avec la température ce qui impose une compensation pour évaluer la valeur à la température dite normale de 25 °C.

1.1. Conductivité des eaux de mer et douce

La conductivité dépend de la concentration et des propriétés électrochimiques des substances dissoutes. Elle donne une bonne indication du degré de minéralisation de l’eau. Les sels minéraux sont de bons conducteurs, ce n’est pas le cas des matières organiques. Elle n’est donc pas significative pour des eaux usées, polluées mais reflète bien la teneur globale en sels de l’eau de mer, environ 3,5 % pour les eaux de l’océan indopacifique Elle permet tout autant de mesurer la salinité d’un aquarium et la pureté d’une eau osmosée.

1.2. Mesure de la conductivité

La conductivité est déduite de son inverse : la résistivité. Un circuit électrique délivre une tension V et un courant I appliqué entre deux électrodes métalliques pour en calculer la résistance R suivant la loi d’Ohm R = V/I, puis la conductance, inverse de la résistance. La conductivité représente la conductance d’une colonne d’eau comprise entre des électrodes de surface 1 m², séparées l’une de l’autre de 1 cm. Dans le traitement de l’eau on l’exprime en microsiemens par cm (µS/cm ou µS.cm^-1).

La conductivité dépend fortement de la température. Quand elle augmente, la viscosité de l’eau diminue, facilitant la mobilité des ions, cela même à concentration d’ions constante. A fin de comparaison, les valeurs définissent toujours par rapport à une température de référence généralement 25 °C, parfois 20 °C

1.3. Relation entre salinité et conductivité

La salinité de l’eau de mer provient de ses composants : sels et minéraux, parmi lesquels des cations : sodium (Na+), magnésium (Mg²⁺), calcium (Ca²⁺), potassium (K⁺), et des anions : chlorures (Cl^–), sulfates (SO₄^2-), hydrogénocarbonates (HCO₃^–)… soit environ 3.5 % qui représente la salinité S=35. Ces ions constituant l’essentiel de la conductivité de l’eau, la relation avec la salinité est logique, et linéaire comme le montre la figure 1.

Le calcul utilise le facteur K, rapport entre la conductivité mesurée et la conductivité d’une solution de chlorure de potassium (KCl) à 32,4356 g/kg, à 15 °C et pression atmosphérique. Une valeur de K égale à 1 correspond par définition à une salinité pratique égale à 35. 

La salinité pratique (S) est déduite de K selon la formule : 

Rappelons que cette formule vaut pour des eaux non trop polluées par des éléments organiques. Le résultat ne serait alors pas représentatif de la salinité. Cette situation nécessiterait une analyse chimique de l’extrait sec.

1.4. Objectifs de conductivité

Le tableau 2 définit les conductivités attendues selon les situations.

1.4.1. Conductivité de l’eau récifale

La composition des sels est demeurée inchangée depuis plus de 1.5 milliard d’années et s’avère la même pour toutes les mers de la planète. Mesurer un élément permet donc d’en déduire les autres. Pour autant la conductivité permet-elle de garantir la composition de l’eau d’un aquarium ? Non, bien évidemment, notre microcosme subit des dérives indétectables avec cet instrument. Il permet une évaluation totale, sans discernement, ce qui est déjà très bien pour les métabolismes des habitants de l’aquarium et leur bien-être.

Le tableau 3 définit les objectifs de conductivité selon la salinité souhaitée dans des conditions tropicales : température 25 °C et pression atmosphérique.

Les poissons supportent des conductivités importantes, jusqu’à 300 mS/cm, les effets indésirables apparaissant vers 500 mS/cm. En aquarium récifal, les poissons ne devraient jamais être inquiétés. Les invertébrés dont les coraux sont plus sensibles aux variations de salinité d’où la plage conseillée au tableau 2.

1.4.2. Conductivité de l’eau osmosée

Le conductimètre permet de s’assurer de la présence de polluants, c’est un bon indicateur de la qualité de l’eau et surtout de la dérive des éléments du traitement amont de l’eau, notamment la membrane de l’osmoseur et de la résine dé ionisante. Il est adapté au besoin des aquariophiles récifalistes qui recherchent une eau pure dans les limites des performances de l’osmoseur qui laisse passer de 2 à 5 % de polluants.

2. Conductimètre

3.1. L’appareil de mesure

Pour l’essentiel, une cellule de mesure de conductivité est constituée d’une paire d’électrodes, les pôles, entre lesquelles une tension est appliquée. Le conductimètre mesure le courant circulant et calcule la conductivité. Un courant continu appliqué aux électrodes, les ions positifs (cations) migrent vers l’électrode négative (cathode). Parallèlement, les ions chargés négatifs (anions) se déplacent en sens inverse vers l’électrode positive (anode). Delà conduit à une électrolyse : accumulation d’ions à proximité de la surface de l’électrode et à des réactions chimiques qui influent sur la composition de la solution et par conséquent aussi sur la conductivité. Ces réactions d’électrolyse indésirables sont en grande partie éliminées par l’utilisation d’un courant alternatif.

La conductivité dépendant de la température, un conductimètre dispose d’une seconde sonde de température associée à celle de conductivité. L’appareil mesure la conductivité à la température puis la convertit pour fournir la valeur à la température de référence, en général 20 °C ou 25 °C.

Un conductimètre
adapté à l’eau de mer doit couvrir une plage jusqu’à
60 mS/cm. Le conductimètre prévu pour l’eau douce ou l’eau osmosée
sera plus sensible et mesurera jusqu’à 2000 µS/cm. De nombreux conductimètres couvrent de larges plages de mesures avec les compensation de température et du facteur k. Ils sont en mesure de délivrer par le calcul la salinité et, dans une certaine plage, le TDS.

L’exactitude est de d’orle de ± 2 % pour les modèles portatifs à ± 0.5 % pour les modèles plus élaborés et de laboratoire. Le conductimetre Tunze pour aquariophilie mesure à ± 0,1 µS/cm. Le domaine d’application se situe entre quelques µS/cm et 500 000  µS/cm.

Ainsi expliqué, tout parait simple. Pour autant, la correction de température constitue un défi dans l’eau pure pour des raisons techniques et chimiques. Le conductimètre embarque une électronique sophistiquée qui en explique le coût.

3.2. Mesures de conductivité

Précautions d’utilisation :

• Lors de la première utilisation (ou après un stockage prolongé), tremper la sonde dans l’eau à mesurer durant environ 5 heures puis la rincer à l’eau distillée. Essuyer avec un chiffon doux.
• Immerger l’électrode à moitié, câble et raccordements sans contact avec l’eau.
• Ne pas le plier le câble ni l’utiliser pour le maintien de l’électrode.
• Si possible, monter l’électrode en un endroit sombre.
• Prévoir une espace de 2 à 3 cm entre la sonde et les parois alentour.
• En même temps que les composés solides et liquides, des gaz se dissolvent dans l’échantillon pour former des ions ayant une incidence sur le résultat. Par exemple le dioxyde de carbone (CO₂) de l’air ambiant dissous forme de l’acide carbonique (H₂CO₃) qui se dissocie en hydrogénocarbonate (HCO₃^2-) puis en carbonate (CO₂^–). Le dioxyde de carbone peut augmenter la mesure de la conductivité d’environ 1 µS/cm.
• De même une petite bulle d’air adhérant à la surface de l’électrode augmente la résistance de l’échantillon à l’intérieur de la cellule et abaisse la mesure de conductivité. Avant chaque mesure (et chaque étalonnage), il convient d’éliminer les bulles en tapotant sur le capteur pour les chasser.
• Des solides non dissous ou précipitant lentement peuvent former une couche sur les électrodes de la cellule de conductivité. Celle-ci peut fausser la réponse de la cellule et entraîner des mesures erronées. C’est aussi le cas lors du bio encrassement de d’une sonde longtemps immergée. Un nettoyage approprié évite ce genre de problème
• La mesure peut dériver dans les solutions stagnantes. En cas de forte conductivité il est préférable de mesurer dans un récipient sous légère agitation. Pour une faible conductivité telle que celle de l’eau osmosée, une agitation peut accroître l’exposition à l’air et la contamination par le CO₂.

3.3. Entretien de l’électrode

Il y a toujours accumulation d’algues et de dépôts minéraux ou recouvrant les électrodes, qui diminuent la mobilité des ions et perturbent considérablement les mesures.

• Rincer l’électrode à l’eau déionisée après chaque mesure dans de l’eau.
• Nettoyer une sonde immergée tous les 3 mois.
• Éliminer délicatement les incrustations entre les électrodes à l’aide d’un coton-tige imbibé de détergent puis rincer.
• Ne jamais nettoyer une sonde sale  mécaniquement entre les électrodes.
• Nettoyer en laissant tremper dans une solution de nettoyage durant 10 min. puis rincer   .
• Essuyer à l’aide d’un chiffon très doux.
• Conserver sans précaution particulière. Bien entretenue, sans détérioration des capteurs, une électrode a une durée de vie sans limite.

3.4. Etalonnage du conductimètre

Comme tout matériel de mesure le conductimètre n’échappe pas à un étalonnage avant la première utilisation et régulièrement ensuite. L’étalonnage, ne peut se réaliser que sur une sonde parfaitement
propre, en suivant les précédentes consignes
L’étalonnage nécessite des solutions étalon adaptées à l’utilisation (à base de chlorure de potassium) : 200 mS/cm pour l’eau de mer, 200 à 600 µS/cm pour une eau douce et 50 à 100  µS/cm pour une eau osmosée. Le commerce aquriophile propose malheureusement rarement des solutions étalon pour l’eau osmosée. La VPC asiatique propose cependant une solution étalon EC 84 µS/cm à 25°C qui répond à notre besoin.

Mode opératoire :

• Conservez les flacons d’étalons bouchés à l’abri des rayons solaires.
• Une solution étalon peut être utilisée 1 à 3 fois suivant l’état de propreté de l’électrode. Les solutions sont très sensibles à la contamination et se dégradant d’autant plus que leur valeur est faible.
• Rincer le récipient plusieurs fois à l’eau osmosée, déionisée. Secouer pour faire tomber les gouttelettes résiduelles.
• Rincer le capteur et le récipient avec une petite quantité de la solution étalon qu’il faut ensuite jeter
• Immerger la sonde dans la solution.
• Éliminer toutes les bulles d’air en tapotant sur l’électrode ou en l’agitant
• Après 3 minutes, sans agitation pour une mesure d’eau osmosée, procéder à l’ajustement de la vis de réglage, suivant le manuel d’utilisation.
• Suivre si besoin, dans ce manuel, les préconisations pour l’ajustement de la constante du capteur.
• Éliminer la solution usagée.
• Rincer capteur et récipient comme précédemment.

En savoir plus

• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science
• Guide des mesures de conductivité Théorie et pratique sur la conductivité,

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1. Salinité des océans

La salinité représente le taux de sels dissous dans l’eau. Elle s’exprimait en g/kg (gramme
de chlorure de sodium NaCl par kilogramme d’eau) ou en parties pour mille (‰) ou encore en en psu (practical salinity unit). Face à la difficulté de mesurer la teneur des sels en laboratoire, elle représente maintenant le rapport entre la conductivité électrique de l’échantillon d’eau de mer et celle d’une solution de chlorure de potassium (KCl) de référence. On évoque alors la salinité pratique de symbole S, une mesure sans unité (ex. S=35).

La composition chimique de l’eau de mer est identique dans tous les océans du monde, seule la quantité de sel varie et dans une moindre mesure quelques éléments. Elle Indépendante de la température.

La salinité moyenne des océans et des mers non fermées est S35. Elle diffère selon les régions : plus élevée dans les zones tropicales à fort taux d’évaporation et plus faible dans les zones subpolaires où les précipitations sont plus intenses

L’illustration montre une salinité de surface plus forte dans l’Atlantique Nord que dans le Pacifique Nord, résultant d’un transfert de vapeur d’eau de l’Atlantique vers le Pacifique. Ainsi, avec la température, elle contribue aux grands flux océaniques et influe sur le climat de la planète. Les variations de salinité s’expliquent également par la configuration des mers plus ou moins fermées, la profondeur ou plus localement par la proximité des estuaires.

2. Salinité dans l’aquarium

La concentration du sel est un paramètre particulièrement important puisqu’il conditionne indirectement le taux de tous les composants de l’eau : calcium, magnésium, carbonates etc. Elle doit donc être en relation avec l’écosystème reproduit, proche de S35 pour un aquarium tropical.

L’aquariophile marin doit maintenir la salinité de son eau avec le minimum de variations et jamais brutales. Outre les vérifications régulières qui peuvent conduire à des ajustements ponctuels, l’aquarium dispose d’une régulation automatique du niveau (osmolateur) permettant de compenser l’évaporation d’eau pure.

2.1. Métabolismes

La salinité influe sur le métabolisme des animaux. Trop élevée ou trop faible elle stresse l’ensemble des habitants. Invertébrés et vertébrés sont plus ou moins sensibles aux écarts, ils tolèrent de l’ordre de S30 à S38, en évitant les variations brusques.

2.2. Bioindicateurs

Une forte dérive se traduit par la réduction de la croissance des coraux, la perte de couleur, des polypes rétractés et des octocoralliaires contractés.

2.3. Ajuster la salinité

Trop forte : compléter par de l’eau moins saline voire de l’eau osmosée.

Trop faible : ajouter progressivement de l’eau saturée en sel éventuellement par osmolation. Une forte concentration s’obtient dans une eau continuellement brassée et légèrement réchauffée.

3. Mesure de la salinité

La salinité est couramment évaluée par la mesure de sa densité, de sa conductivité (parfois traduite en taux de solides dissous : TDS) et de sa réfraction. Ces caractéristiques, dont certaines dépendent d’autres paramètres environnementaux (température, pression…), sont reliées entre elles. Le tableau et les courbes qui suivent en sont une représentation simplifiée dans des conditions normales de température à pression atmosphérique.

Relation entre salinité, densité et conductivité

4. Moyens de mesures

La salinité étant étant une caractéristique essentielle de l’eau, on la mesure en exploitant certaines caractéristiques de l’eau avec des équipement adaptés à l’aquariophilie marine, fiables et étalonnés :

• Densité : hydromètre, aréomètre, densimètre
• Réfraction : réfractomètre
• Conductivité : conductimètre
• Taux de solides dissous (TDS) : conductimètre, TDSmètre.

En savoir plus

• Propriétés physiques du milieu marin Cours de l’Institut des Sciences de l’Ingénieur de Toulon et du Var
• IES80 : équation d’état de l’eau de mer
• Algorithms for computation of fundamental properties of seawater UNESCO Technical paper in marine science

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