Le monoxyde de carbone — de formule CO — est un gaz produit par les combustions mal maîtrisées, typiquement dans les chauffages à combustibles (bois, fioul, gaz) mal réglés. Inspiré, ce gaz a une très forte affinité avec l’hémoglobine du sang : plusieurs centaines de fois plus que l’oxygène. Aussi, il devient mortel à des concentrations dans l’air faibles : dès 0,04 % durant 15 à 30 minutes.

Il n’a ni odeur, ni couleur, et seul un détecteur peut le mettre en évidence à la maison. Les détecteurs de monoxyde de carbone sont aujourd’hui recommandés dans toutes les maisons ayant un chauffage à combustible. Il alerte la présence de ce gaz mortel avant qu’il ne puisse présenter un risque.
Ils ne sont pas obligatoires, contrairement aux détecteurs de fumées, qui le sont par ailleurs dans toutes les maisons.

Comment fonctionne un détecteur de monoxyde de carbone ? C’est l’objet de cet article.

Dans le cas de ce gaz en particulier, c’est la dose qui est détectée : un pic de CO très bref peut ne pas être aussi dangereux qu’une exposition prolongée à un niveau plus bas. Les détecteurs doivent donc tenir compte de tout ça avant de sonner l’alarme.

Plusieurs techniques existent pour répondre à la détection du monoxyde de carbone.

Méthode électrochimique

La première, de type électrochimique, utilise le principe de la pile à combustible. Une pile à combustible fonctionne comme une pile électrique, voulant dire par là qu’elle produit de l’électricité avec une réaction chimique.

On entend parler des piles à combustibles pour les voitures ou bus à hydrogène : de l’hydrogène réagit avec l’oxygène captée dans l’air, et, sans brûler au sens « thermique », réagissent par oxydoréduction, produisant un courant électrique au passage. Ce courant est utile ici.

L’on peut créer des piles à combustibles avec plein d’autres produits, comme l’éthanol, par exemple mais pas seulement, et en l’occurrence aussi le monoxyde de carbone.

On fabrique donc une pile contenant de l’eau et de l’acide sulfurique (typiquement), qui vont réagir avec du monoxyde de carbone si ce dernier se présente. Le CO passe à travers une membrane perméable au gaz. La réaction précise est donnée par les équations suivantes :

• À l’anode, exposée à l’air ambiant, le monoxyde de carbone est oxydé par l’eau en dioxyde de carbone, libérant des ions hydrogène et des électrons :

$$\text{CO} + \text{H}_2\text{O} → \text{CO}_2 + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-$$

• À la cathode, récupérant les ions hydrogène ainsi que les électrons après qu’ils ont alimenté un circuit électrique :

$$\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4\text{e}^- → 2\text{H}_2\text{O}$$

L’ensemble de la réaction produit donc un courant électrique qui est détecté par le détecteur. En fonction de l’intensité du courant et de la durée de l’exposition, une alarme est ou non émise.

Cette méthode est courante dans nos détecteurs domestiques, et à l’exception de la pile de l’appareil à changer de temps en temps, ont une durée de vie de 5 à 10 ans. Ils sont très sensibles, pouvant détecter des concentrations en CO aussi basse que 10 ppm pour les appareils grand public (0,000 1 % dans l’air).

Méthode à semi-conducteurs

Une autre méthode, plus moderne, emploie des matériaux semi-conducteurs. Ces modules sont considérés comme faisant partie des MEMS (de l’anglais pour « microsystème électromécanique »). Ils utilisent un matériau semi-conducteur dont la conductivité varie en fonction des impuretés que l’on met dessus.

Pour rappel — voir mon article sur les semi-conducteurs — un semi-conducteur est à mi-chemin entre les isolants (sans conductivité électrique) et les conducteurs (sans résistance électrique, ou très faible). Un semi-conducteur a une conductivité intermédiaire, et telle qu’il passe d’un état isolant à un état conducteur en fonction de l’environnement :

• tension électrique appliqué
• exposition aux éléments
• température
• pression
• …

De plus, il est possible de le doper, c’est-à-dire d’inclure des éléments étrangers au cristal pour choisir le moment, le sens, ou la force avec laquelle cette transition a lieu. Dans un transistor — là aussi j’ai un article dédié — on agence ensemble des semi-conducteurs dopés de façon différente pour obtenir l’effet transistor.

Grâce au dopage et au reste, il est possible d’utiliser un semi-conducteur comme capteur pour à peu près tout facteur environnemental : lumière, température… présence de composés chimiques, dont les gaz, incluant le monoxyde de carbone (CO).

Le principe est de traiter le semi-conducteur de telle sort que ses propriétés électriques varient en fonction des gaz qui viennent se poser dessus. L’un des semi-conducteurs utilisés est le dioxyde d’étain chauffé à 400-500 °C. Ce composé va adsorber le dioxygène, formant une couche de déplétion, moins conductive.

Quand le gaz cible arrive au contact, il réagit avec cet oxygène, qui libère alors des électrons dans le matériau et ce dernier regagne sa conductivité. Une augmentation de la conductivité électrique est alors détectée, ce qui est synonyme d’une apparition de monoxyde de carbone dans l’air. Le principe est donc similaire à la méthode électrochimique dans la production d’un courant électrique lors de la présence de CO, c’est juste qu’ici la réaction se produit sur une surface solide, et non dans un électrolyte.

Ce détecteur à l’oxyde d’étain peut fonctionner pour de nombreux composés réagissant avec l’oxygène. Il est aussi utilisé dans les éthylotests électroniques (ceux de la Police et de la Gendarmerie, donc, pas nos éthylotests jetables).

Méthode biomimétique

Un troisième type de détecteur existe, et ce dernier utilise un phénomène proche de ce que l’on peut observer dans le vivant, d’où sa caractérisation de « biomimétique ».

Ici le fonctionnement est assez simple : un gel coloré et sensible au monoxyde de carbone est utilisé et si du monoxyde de carbone est détecté, le gel change de couleur, à la manière qu’a l’hémoglobine de changer de couleur lorsqu’il est oxydé ou non. Un des constituants du gel est un chromophore de la famille des cyclodextrines. Comme l’hémoglobine, les cyclodextrines sont cycliques et présentent un site où le monoxyde de carbone va venir se fixer.

Ici, le changement de couleur peut-être directement présenté au porteur du détecteur : une carte, un détecteur mural… Le changement est uniquement visuel. Ils sont de nature passive.
Le même système peut-être inclus dans une méthode électronique, avec un photodétecteur venant mesurer le changement de couleur, et lancer une alerte sonore.

Méthode à transistor biomimétique

Cette méthode est encore à l’état de recherche, mais je le mets, car il est très sympa dans le fonctionnement.

Un transistor à nanotubes de carbone est le cœur du dispositif. Les électrons circulent librement à travers les nanotubes, et pratiquement sans résistance. Les nanotubes de carbone étant fondamentalement des molécules, ils peuvent accueillir des groupes fonctionnels. Dans cet exemple, le groupe fonctionnel est du de perchlorure de tétraphenyl-porphyrine de fer III — Fe(TPP)ClO₄ — et est fixé sur les nanotubes de carbone :

Le site de Fe(TPP)ClO₄ peut accueillir une molécule de monoxyde de carbone et opérer une réaction d’oxydoréduction. Cette réaction consomme un électron en circulation dans le nanotube, qui ne traverse donc plus le transistor, réduisant sa conduction. Cette baisse de courant est détectée, mesurée, et donne l’indication de la présence de monoxyde de carbone dans l’air.
Ce mécanisme à base de transistor contrôlé chimiquement est assez ingénieux.

Conclusion

Le monoxyde de carbone est un gaz mortel. Il se fixe sur les globules rouges avec beaucoup plus de force que l’oxygène. Il empêche l’oxygénation de l’organisme. De très basses concentrations peuvent vous tuer très vite. Il est aussi sans odeur, goût ou couleur.

Il est essentiel d’avertir les personnes en présence à l’aide de détecteurs munis d’alarmes. Le fonctionnement des détecteurs peut reposer sur tout un tas de méthodes. La plus grande difficulté étant de cibler le monoxyde de carbone sans être affecté par la présence d’autres gaz, notamment des gaz présents à des concentrations beaucoup plus élevés mais sans danger (oxygène, dioxyde de carbone…).

La plupart des méthodes sont à base de modules électroniques : le module voit ses propriétés électriques (conductivité, tension…) changer en présence de monoxyde de carbone. Ce changement est le plus souvent fonction de la quantité de gaz en présence, et on peut donc non seulement détecter le gaz, mais aussi le quantifier.

La mesure des variations des grandeurs électriques est alors relié à un petit calculateur qui décide s’il faut lever une alerte ou non, en fonction de la quantité détectée et de la durée d’exposition, chose utile dans le cas du monoxyde de carbone. Les détecteurs de fumée, en revanche, envoie l’alarme immédiatement, car aucune quantité de fumée n’est tolérable.

Ressources

• How Carbon Monoxide Detectors Work | HowStuffWorks
• How Do Carbon Monoxide Detectors Work? | NIST
• Carbon monoxide detector - Wikipedia
• Electrochemical gas sensor - Wikipedia
• Pile à combustible à éthanol direct — Wikipédia

Autres articles

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