Brevet FR2545375A1 — publié le 19841109

DISPOSITIF DESTINE A LA SEPARATION DE SUBSTANCES TROUBLES A PARTIR DE LIQUIDES ET PROCEDE DESTINE A UNE TELLE SEPARATION. L'objet de l'invention est un dispositif destiné à la séparation de substances troubles à partir de liquides, comportant des couches de perméation et constitué par un filtre profond qui présente un lit de filtre spécial ainsi qu'un procédé pour le fonctionnement d'un pareil filtre. Dans la manière traditionnelle de séparer des -substances troubles à partir de liquides à l'aide de filtres profonds, telle qu'elle est souvent utilisée par exemple pour le traitement de l'eau, le lit de filtre se compose en général de matériaux granuleux, comme du quartz, de l'anthracite, de la pierre ponce, etc On constate que cette méthode a les défauts suivants 1 La plus grande partie du volume du lit de filtre est mise à contribution par la masse du matériau de filtre, qui est en soi inerte pour l'opération de séparation des particules. 2 Le degré de séparation des particules dans une couche élémentaire de filtre de la hauteur du diamètre du grain de filtre est en général très faible (moins de 1 ou 2 %). 3 Les charges maximales habituelles du filtre en substances troubles, qui, une fois atteintes, exigent la régénération du filtre profond soit à cause d'une augmentation trop grande de la perte de charge soit à cause d'une qualité insuffisante du filtrat sont extrêmement faibles (en géné- ral nettement inférieures à 5 % du volume apparent). 4 Suivant la granulation du matériau de filtre et les propriétés de la substance trouble, il peut se produire un virement à la filtration superficielle, ce qui condi- tionne une augmentation extrêmement forte de la perte de charge sur le filtre, de sorte que, déjà après un temps de fonctionnementtrès court, le filtre doit être régénéré. En particulier, les faits indiqués de 1 à 3. conditionnent, pour les filtres profonds, des hauteurs de lits relativement grandes, qui font en général entre 1 et 3 m et ils nécessitent des vitesses de filtration rela- tivement faibles, c'est-à-dire d'environ 5 m/h à 20 m/h. Le but de l'invention est de créer un nouveau dispositif de filtre sur le principe d'un filtre profond et un procédé pour la séparation de substances troublesâà partir de liquides, qui évitent les défauts des filtres profonds connus. Ce but est atteint par le dispositif et le procé- dé de l'invention. Selon l'invention, un dispositif destiné à la sé- paration de substances troubles à partir de liquides et constitué par un filtre profond, est caractérisé en ce que des couches de perméation sont mis Esen oeuvre, le lit du filtre étant composé de plusieurs couches minces et per- méables de membranes, qui sont disposées les unes derrière les autres avec un certain espacement', perpendiculairement au sens du flux principal et que les différentes couches de membranes présentent des grands trous, par lesquels la plus grande partie du débit de liquide traverse le lit du filtre. Les grands trous peuvent être répartis statisti- quement d'une manière irrégulière ou être disposés suivant un canevas régulier, cependant que, dans ce dernier cas, pour chaque fois deux couches de membranes superposées entre elles, les centres des grands trous projetés dans le sens du flux principal sont éloignés le plus possible les uns des autres. Les distances entre les différentes couches de membranes peuvent être différentes dans le sens du flux principal. Le nombre et/ou la grandeur des grands trous qui sont dans les différentes couches de membranes peuvent être différents dans le sens principal du flux. Les différentes couches de membranes peuvent avoir une structuration superficielle. Le lit du filtre peut présenter des branchements de liquide pour la création d'un flux transversal paral- lèlement aux différentes couches dé membranes de filtre et perpendiculairement au sens principal du flux. Un procédé destiné à la séparation du substances troubles à partir de liquides et utilisant un filtre pro- fond avec des couches de perméation selon l'invention, est caractérisé en ce qu'on utilise un lit de filtration compo- sé de plusieurs couches perméables de membranes qui sont disposées les unes derrière les autres et présentent des grands trous et qu'on exécute la régénération du filtre par un court rinçage transversal du lit de filtre, avec superposition d'un flux montant ou descendant. Dans la phase de rinçage, le liquide qui est dans le lit du filtre, peut, en plus, être soumis à un choc par ultrasons. Dans l'invention, on part de lits de filtres habi- tuels en matériaux granuleux et les grains du filtre sont remplacés, dans le dispositif, par des surfaces de "perméa- tion", qui sont perpendiculaires au sens de flux principal. Ce sens est parallèle ou antiparallèle à la pesanteur. Ces surfaces de perméation sont réalisées en ce que des couches perméables et minces de membranes sont faiblement espacées entre elles, par exemple, d'environ 0,5 à 10 mm et de préférence de 1 à 5 mm Pour assurer l'effet de filtration profonde, on dispose dans ces couches de mem- branes, avec un certain espacement, des grands trous ou "macro-trous" circulaires ou longs de par exemple 0,1 à mm: même après un temps assez long de fonctionnement du filtre et pour une charge correspondante en substance trou- ble sur les couches de membranes, la plus grande partie du débit du liquide continue à traverser ces trous presque sans obstacles La disposition des grands trous dans les différentes couches peut être statistiquement irrégulière, mais elle peut aussi se faire d'une certaine manière sys- tématique et être ainsi adaptée, au mieux, chaque fois, à un problème de séparation donné La part de la surface des grands trous dans les couches de membranes peut attein- dre 20 % Dans une forme d'exécution préférée de l'inven- tion, le nombre et/ou la grandeur des grands trous qui sont dan S les différentes couches de membranes sont différents dans le sens principal du flux Alors la surface ouverte des grands trous peut, par rapport à la surface totale des couches de membranes, être sans changement dans les différentes couches; c'est-à-dire qu'à un nombre plus faible de trous plus grands correspond, dans une autre couche, un nombre plus grand de trous plus petits Il est préférable dans ce cas, de réduire de manière continue ou par étapes, les grands trous dans les différentes couches, dans le sens principal du flux Mais on peut aussi réaliser une surface totale des grands trous dans les différentes couches de membranes quisoit plus ou moins grande: on peut par exemple concevoir d'une manière décroissante ou croissan- te, dans le sens principal du flux, le nombre et/ou la gran- deur des trous. Mais on peut aussi prévoir délibérément, à l'in- térieur d'une couche, des grands trous de grandeurs et de formes différentes, si c'est nécessaire pour des problè- mes spéciaux de séparation. De même on peut faire varier, dans le sens du flux principal, les distances entre les différentes couches de membranes: la distance peut augmenter ou diminuer dans le sens du flux principal, d'une manière continue ou par étapes. En combinant différentes distances entre diffé- rentes couches de membranes et en réalisant d'une manière différente ou constante les grands trous, on rend possible une large adaptation du lit de filtre à un problème de se- paration spécial, cependant que, même avec un plus grand nom- bre de couches de membranes de filtre que sur des filtres à lit traditionnels, on peut atteindre une hauteur de lit nettement réduite, en même temps que la réalisation opti- male des grands trous permet de réduire nettement la perte de charge sur le lit de filtre, sans que le rendement de séparation en souffre La hauteur du paquet d'empilage de membranes peut être de quelques cm à environ 1 m Une in- fluence essentielle sur le comportement de séparation d'un pareil filtre profond est exercée par la structure et par la perméabilité connexe de la membrane, sans les grands trous En général, il est avantageux que la structure de la membrane soit aussi hétérogène que possible et qu'elle soit par exemple fortement munie de fibres fines à sa surface. Il faut demander à la perméabilité qu'elle soit aussi éle- vée que possible et qu'elle retienne bien les particules. Ceci peut être obtenu en particulier par des membranes dont le tissu est par exemple en mailles relativement grosses et dont les fibres principales portent encore des microfi- bres qui s'en écartent ou qui sont constituées par exemple, de manière analogue, par un réseau hétérogène Le degré optimum de perméabilité dépend fortement des propriétés particulières des substances troubles à séparer, de sorte que, même avec des particules qui ont un certain pouvoir de sédimentation ou de flottation, on obtient, déjà avec des matériaux imperméables de membranes, de très bons ren- dements de séparation. En ce qui concerne les mécanismes de séparation des particules, la nouvelle structure du lit de filtre offre les avantages suivants: 1 Aux mécanismes classiques de séparation de particules avec des filtres profonds en matériaux granuleux, vient s'ajouter, selon l'invention, un mécanisme supplémentaire qui est le transfert par convection dû à la perméation. 2 Les obstacles hydrodynamiques au dépôt des particules sur des surfaces fermes à cause de pellicules liquides à refouler sont fortement réduits. 3 Avec des surfaces fortement structurées de membrane, les microfibres peuvent, par exemple, agir comme des col- lecteurs supplémentaires et élever nettement le rendement de séparation. 4 Le pouvoir de sédimentation ou de flottation de parti- cules de substances troubles peut être mieux utilisé qu'avec des couches granuleuses de filtre. 5 La probabilité d'adhérence des particules peut être nettement élevée par le choix et la disposition des cou- ches de membranes par rapport à des couches granuleuses de filtre. 6 La perméation permet une amélioration supplémentaire de l'adhérence des particules. Tous ces avantages entraînent un rendement de sé- paration des-particules nettement amélioré et une capacité d'absorption décharge du filtre profond qui est nettement plus élevée, ce qui, en liaison avec le volume extrêmement faible nécessité par le matériau même du filtre, conduit à un volume d'appareils beaucoup plus faible De plus, l'invention a l'avantage que les couches de membranes peu- vent, en ce qui concerne leur structure et leur disposition, être adaptées d'une manière optimale à un problème de trai- tement donné On peut donc aussi diriger l'augmentation de perte de charge en même temps que la charge du filtre augmente, de sorte que par exemple un virement à la fil- tration superficielle peut être absolument évité. On peut atteindre des vitesses de filtration allant jusqu'à 50 m/h La perte de charge sur un paquet de couches de membranes varie, suivant la conception du filtre, dans la plage de 0,01 bar à 0,5 bar, la pression absolue pouvant être de plusieurs bars Grâce à l'excel- lente adaptabilité des surfaces de membranes aux nécessi- tés spéciales des filtres, on peut maîtriser des concen- trations de substance trouble allant jusqu'à environ 0,5 % en volume de l'alimentation du filtre et des rendements de nettoyage dépassant nettement 99 % La capacité d'ab- sorption d'un paquet de couches de membranes atteint, pour la substance trouble séparée, des valeurs allant jusqu'à environ 50 % (volume de substance trouble / volume de l'appareil) On peut séparer des particules de l'ordre d'environ 20 nm (nanomètres) à 200 microns, cependant que leur différence de densité par rapport au liquide est indifférente Le temps de fonctionnement du filtre entre deux phases de régénération qui se suivent peut aller de plusieurs jours à quelques semaines La régénération du filtre demande de quelques secondes à environ 1 minute et elle est donc beaucoup plus courte qu'avec des filtres pro- fonds connus. L'invention va être expliquée plus en détail à l'aide des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 représente un schéma partiel de la coupe d'un lit de filtre en matériaux granuleux et de son remplacement par des surfaces de perméation; la figure 2 représente un détail d'un empilage de couches de membranes la figure 3 représente un schéma de différentes structures possibles du matériau de membranes X la figure 4 représente un graphique de la relation fonctionnelle existant entre le degré élémen- taire de séparation (porté en ordonnées) et la charge spécifique du volume (portée en abscisses), pour différents filtres profonds; la figure 5 représente la perte de charge de filtres profonds en fonction de la charge spécifique du filtre, pour différents matériaux de filtre 9 la figure 6 représente schématiquement la régé- nération ou le rinçage du lit de filtre conforme àl'invention. La figure 1 représente schématiquement la structure du lit d'un filtre profond comprenant les grains de filtre 1 Dans la forme d'exécution suivant l'invention, ceux-ci sont remplacés par des surfaces de perméation 2, telles qu' elles sont seulement indiquées sur la figure 1 Le sens du flux principal traversant le filtre est indiqué dans les deux cas par les flèches. La figure 2 représente schématiquement la dispo- sition des surfaces de perméation 2, qui sont transversales, notamment perpendiculaires, au sens du flux principal marqué par des flèches, dans un filtre profond ainsi qu'un détail extrait du paquet d'empilage de couches de membranes 3. Celles-ci comportent chaque fois les grands trous 4, qui sont décalés entre eux. La figure 3 représente, à gauche, une structure possible du matériau de membranes des surfaces de perméation ou des couches de membranes, comportant les fibres princi- pales 5 d'un tissu filtrant et des microfibres adhérentes 6 A droite, on a représenté un réseau hétérogène de fibres principales 5 et de microfibres adhérentes 6, comme on peut l'obtenir dans la fabrication d'un feutre. La figure 4 représente le résultat de recherches expérimentales sur la variation de l'efficacité du filtre. On a porté, en ordonnées, le degré de séparation moyen élémentaire par rapport à la charge du filtre spécifique du volume (en abscisses) pour un filtre à membrane (A) conforme à l'invention, du coke de filtre (dk 1,5 à 2,0 mm) (B) et du gravier quartzeux (dk = 1,5 à 2,0 mm) (C), cal- culé pour des particules de quartz de 3 microns de diamè- tre, qui sont dispersées dans l'eau courante, la concentra- tion totale en particules de quartz à l'arrivée du filtre étant de 100 mg/l Sikron H 200. La charge spécifique du filtre est le volume des particules déposées dans celui-ci par rapport à l'ensemble du volume du filtre ou du volume apparent Les différentes courbes décrivent le comportement de filtres profonds en différents matériaux granuleux (gravier quartzeux C, coke de filtre B) ainsi que d'un filtre à couches de membranes A conforme à l'invention, construit en laboratoire, cependant que la hauteur totale de filtre (hauteur de lit des grains de filtre ou hauteur dtempilage des couches de membranes) était dans tous les cas de 6 cm et que la- vitesse de filtration (vitesse en tube vide) était dans tous les cas maintenue constante à 10 m/h Le diamètre des matériaux granuleux était dans la plage de 1,5 à 2 mm Pour que les conditions puissent être comparées, on a réglé à 2 mm la distance entre les couches de membranes Comme matériau pour les membranes, on a utilisé un tissu de microfiltre en fibres de matière plastique ayant un dia- mètre d'environ 40 microns On reconnaît les avantages évidentes du filtre à couches de membranes, qui s'expri- ment dans les conditions choisies, spécialement avec des charges de filtre élevées La capacité de charge du filtre à couches de membranes apparaît aussi nettement plus haute que celle des couches filtrantes granuleuses compa- rables au point de vue des dimensions L'augmentation de la perte de charge du filtre à membranes conforme à l'inven- tion constatée sur ces filtres par rapport aux lits granu- leux est reproduite figure 5 Malgré une charge de filtre nettement plus haute, elle est entre celle de la colonne de gravier quartzeux et celle de la colonne de coke fil- trant Cela montre que l'invention offre des avantages en ce qui concerne la dépense d'énergie pour la filtration. Si on dimensionnait dans de semblables conditions, un filtre profond qui serait attaqué avec une concentra- tion de particules d'entrée de 10 g/m 3 et qui devrait at- teindre un temps de fonctionnement du filtre de 48 h, il faudrait pour un rendement d'épuration réclamé constant d'au moins 99 % de la quantité de substance trouble dans de l'eau brute, un filtre de gravier quartzeux de 2,5 m de hauteur ou un filtre de coke filtrant de 1,2 m de hauteur. Avec le filtreà couches de membranes suivant l'invention, qui n'était pas encore adapté de la meilleure façon possi- ble au problème donné dans les rapports de recherche repro- duits sur lés figures 4 et 5, il faudrait une hauteur tota- le de filtre de seulement 0,18 m Cet exemple montre aussi qu'on peut choisir encore un peu plus grands aussi bien les distances entre les couches que le nombre de couches, ce qui entraîne tout de même une économie importante sur le vo- lume de filtre par rapport à un lit filtrant en matériau granuleux. Sur la figure 6, on a schématisé le procédé de régénération du filtre Après le chargement 7 des surfaces de perméation 2 des différentes couches de membranes, la régénération se fait par un court rinçage transversal I, parallèlement aux couches de membranes On y superpose un flux approprié montant (II) ou descendant Suivant les pro- blèmes de traitement existants, un choc à ultrasons peut aussi être utile pour le rinçage du filtre. La méthode et le dispositif conformes à l'inven- tion expérimentés dans différentes conditions peuvent aussi se réaliser facilement à une grande échelle par une cons- truction modulaire Dans des colonnes de filtration de dimensions appropriées ou dans des filtres profonds exis- tants, on place les différentes couches de membranes sous forme de paquets Avec des grandes couches de membranes, il peut être nécessaire d'assurer leur horizontalité en montant des éléments de soutien entre les différentes cou- ches Mais on peut aussi prévois par définition, des surfa- ces de filtres à membranes logées dans des cadres appro- priés, qui se combinent alors en grandes surfaces de filtre placées les unes à côté des autres, pour qu'elles ne s'af- faissent pas Les surfaces de filtre quisont dans un paquet de piles de membranes peuvent faire plusieurs centaines de mètres carrés. 1 1 Les avantages pratiques de l'invention consistent d'une part en ce que le filtre peut être mis en oeuvre très économiquement, même avec des charges élevées de substances troubles, par exemple pour la filtration de flocons; le volume de la construction et/oude l'appareillage est alors nettement réduit par rapport à un filtre profond tradition- nel en matériaux granuleux D'autre part, un filtre à couches de membranes peut aussi être utilisé avantageusement comme étape préliminaire d'une filtration superfine (par exemple filtration lente dans le sable ou par dépôt ainsi qu'ultra- filtration du hyperfiltration), cequi entraîne un meilleur fonctionnement avec les dernières Le dispositif et le pro- cédé selon l'invention offrent des conditions idéales pour un conditionnement du filtre, comme par exemple la dis- position d'un lit de charbon actif ou de kiesel-guhr. Par ailleurs, un filtre à couches de membranes peut être con- çu de manière que, pour des problèmes spéciaux de séparation phase solide/phase liquide, l'opération de séparation per- mette aussi un classement et/ou un tri des substances trou- bles séparées Ceci se produit spécialement quand les dis- tances, la nature et les dimensions des grands trous dans les différentes couches de membranes ainsi que la structure de celles-ci sont différentes. R EV EN DI CATI C NS 1 Dispositif destiné à la séparation de substan- ces troubles à partir de liquides et constitué par un filtre profond, caractérisé en ce que des couches de perméation sont mises en oeuvre, le lit du filtre étant composé de plusieurs couches minces et perméables ( 3) de membranes, qui sont disposées les unes derrière les autres avec un cer- tain espacement, perpendiculairement au sens du flux princi- pal et que les différentes couches de membranes 13) pré- sentent des grands trous ( 4), par lesquels la plus grande partie du débit de liquide traverse le lit du filtre. 2 Dispositif suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que les grands trous ( 4) sont répartis statistiquement d'une manière irrégulière ou sort disposés suivant un canevas régulier, cependant que, dans ce dernier cas, pour chaque fois deux couches de membranes ( 3) super- posées entre elles, les centres des grands trous ( 4) proje- tés dans le sens du flux principal sont éloignés le plus pos- sible les uns des autres. 3 Dispositif suivant une quelconque des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ceque les distances entre les différentes couches de membranes ( 3) sont différentes dans le sens du flux principal. 4 Dispositif suivant les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre et/ou la grandeur des grands trous ( 4) qui sont dans les différentes couches de membranes ( 3) sont différents dans le sens principal du flux. Dispositif suivant les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les différentes couches de membranes ( 3) ont une structuration superficielle. 6 Dispositif suivant les revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le lit du filtre présente des branche- ments de liquide pour la création d'un flux transversal pa- rallèlement aux différentes couches de membranes de filtre ( 3) et perpendiculairement au sens principal du flux. 7 Procédé destiné à la séparation de substances troubles à partir de liquides et utilisant un filtre profond avec des couches de perméation, caractérisé en ce qu'on utilise un lit de filtration composé de plusieurs couches perméables de membranes quisont disposées les unes derrière les autres et présentent des grands trous et qu'on exécute la régénération du filtre par un court rinçage transversal du lit de filtre, avec superposition d'un flux montant ou descendant - 8 Procédé suivant la revendication 7, caractéri- sé en ce que, dansla phase de rinçage, le liquide qui est dans le lit du filtre est en plus soumis àun choc par ul- trasons.