Le nez électronique alimenté par l’IA peut détecter efficacement les déversements d’hydrocarbures

Les chercheurs ont formé un nez électronique, qui détecte les produits chimiques présents dans l'air, pour identifier l'origine du pétrole en fonction de la proportion de composés organiques volatils. Le pétrole étant un mélange de différents hydrocarbures présents dans des proportions variables selon sa source, le nez électronique pourrait être utilisé pour localiser les déversements de pétrole contaminant le sol, surveiller l’environnement dans les raffineries et mener des études sur les champs pétrolifères.

Le nez électronique est 20 fois moins cher que les appareils sophistiqués actuellement utilisés pour mesurer la composition des mélanges gazeux. Son faible coût lui permettra d’être utilisé dans un plus large éventail d’applications, y compris les études sur le terrain. La recherche a été publiée dans le Journal des matières dangereuses.

Le nez électronique utilise la dernière technologie pour détecter les produits chimiques volatils dans les mélanges gazeux tels que l'air. Comme le nez humain, il analyse l’odeur dans sa globalité, avec tous les composés qu’elle contient, et doit être entraîné à identifier l’odeur cible. Cela le distingue des spectromètres de masse tandem chromatographe en phase gazeuse, que les laboratoires utilisent pour déterminer la composition chimique en testant chaque composant du mélange individuellement.

Malgré leur grande précision et leur sensibilité, les spectromètres de masse tandem chromatographe en phase gazeuse sont trop coûteux et encombrants pour être utilisés sur le terrain, par exemple dans le cadre de la surveillance environnementale, pour détecter la contamination des sols par le pétrole ou pour analyser la composition du pétrole et des réservoirs de pétrole sur les sites de production. . Bien que le nez électronique doive être correctement entraîné et réglé, il est mobile et compact, ce qui rend l’analyse chimique beaucoup moins chère et plus facile.

Des chercheurs de l'Institut des sciences et technologies Skolkovo de Moscou et leurs collègues ont proposé d'utiliser le nez électronique pour déterminer les composants du pétrole. Ils ont prélevé neuf échantillons de pétrole plus léger et plus lourd avec différentes proportions d'hydrocarbures volatils provenant de trois champs pétrolifères du Kazakhstan.

Le pétrole plus léger s’évapore plus rapidement et est donc plus difficile à détecter quelque temps après un déversement, tandis que le pétrole plus lourd s’évapore lentement et s’échappe dans l’environnement en petites quantités, ce qui rend difficile la localisation immédiate de la source.

Les chercheurs ont ajouté des échantillons de pétrole à un échantillon de sol et les ont maintenus sous un courant d’air dans un analyseur de gaz pendant 30 minutes. Le flux d’air contenant des composés volatils a ensuite été analysé à l’aide du nez électronique.

L'équipe a utilisé un système alimenté par l'IA appelé modèle de « forêt aléatoire » pour entraîner le nez électronique. L'algorithme du modèle analyse les effets d'une série de décisions liées pour arriver à un résultat. Les chercheurs ont réglé le traitement des données de huit capteurs afin que le nez électronique puisse identifier avec précision l’origine du pétrole, quelle que soit sa volatilité. De plus, le nez électronique a pu détecter le pétrole dans le sol même 12 heures après l’échantillonnage, alors qu’une partie du pétrole s’était déjà évaporée.

Le nez électronique est 20 fois moins cher qu'un spectromètre de masse tandem chromatographe en phase gazeuse qui occupe plusieurs mètres carrés d'espace de laboratoire, tandis que le nez électronique est portable et aussi compact qu'un livre de poche, ce qui le rend adapté à une variété d'applications. comme la détection de la contamination pétrolière dans le sol, la vérification de la conformité des émissions des raffineries de pétrole, et bien plus encore.

« Notre approche peut être utilisée pour surveiller la productivité des réservoirs dans les champs pétrolifères. Le nez électronique déterminera les propriétés chimiques des composés pétroliers volatils dans l'air en fonction de leur odeur. Je suppose que le nez électronique peut également aider à identifier les emplacements exacts des de nouveaux gisements de pétrole », déclare Valery Zaitsev, titulaire d'un doctorat. étudiant au Laboratoire de Nanomatériaux de Skoltech et participant au projet.

« Nous poursuivrons nos recherches au sein d'une startup Skoltech pour fournir aux industries un appareil et un algorithme permettant de surveiller les émissions et de former le nez électronique à des tâches spécifiques. Puisque notre appareil devrait être utilisé par des entreprises industrielles, notre objectif immédiat est de mettre en œuvre comme un produit commercial.

« En attendant, nous essaierons d'apprendre au nez électronique à percevoir les odeurs comme le font les humains, par exemple pour déterminer si une odeur est agréable ou désagréable et dans quelle mesure », explique Fedor Fedorov, professeur adjoint au Laboratoire de Nanomatériaux au Centre Photonique de Skoltech et responsable du projet.

Parmi les autres organisations impliquées dans l'étude figurent l'Université nationale eurasienne LN Gumilev (Kazakhstan), l'Institut AV Topchiev de synthèse pétrochimique de RAS (Moscou), l'Université d'architecture et de technologie de Xi'an (Chine) et l'Université technique d'État Bauman de Moscou (Moscou). .