Brevet FR2628652A1 — publié le 19890922

Structure poreuse-multicouches, notamment pour la séparation de phases liquides et solides La présente invention se rapporte à une structure poreuse multicouches de filtration et/ou de dispersion, dans laquelle au moins l'une des couches est formée par des grains solides cémentés. Les couches poreuses sont mutuellement so- lidarisées en utilisant un adhésif. La structure poreuse de filtration et/ou de dispersion conforme à l'invention se prête à la séparation de phases solides et liquides, ainsi qu'à la dispersion de gaz dans un liquide, ou bien de liqui- des dans d'autres liquides ou dans des gaz. La structure se- lon l'invention est tout particulièrement applicable, de ma- nière avantageuse, au domaine de l'épuration des eaux usées, et généralement pour le traitement des eaux. Au cours de l'épuration des eaux - entre autres -, l'on procède à la filtration et à la décomposition de sub- stances organiques biologiques; éventuellement, des gaz agressifs sont expulsés des liquides, o.bien un'gaz est in- jecté dans ces liquides, les boues renfermées par les eaux usées étant, de surcroît, déshydratées (soumises à dessicca- tion). La structure filtrante conforme à l'invention peut être efficacement appliquée aux processus précités: dans certains cas, un liquide renfermant une phase solide est déversé sur la structure filtrante, de manière à séparer la phase solide par filtration; dans d'autres cas (au cours de la dispersion), un gaz revêtant la forme de bulles fines est injecté dans la masse liquide, à travers la structure. Divers procédés sont connus pour filtrer et dé- shydrater les boues: l'on peut citer, à titre d'exemples, la filtration par lits de sable; la filtration au moyen. de plaques filtrantes rigides, de gravier fritté, de cribles en-textiles et en métaux, ainsi que la filtration mécanique (filtration par centrifugation et sous vide, compression des boues, etc.). La dessiccation est le procédé classique pour déshydrater les boues. L'efficacité des procédés mécaniques connus de filtration et de déshydratation donne satisfaction, mais leur champ d'application est vraiment restreint et leur uti- lisation, dans les technologies de déshydratation, est limi- tée par les coûts élevés spécifiques d'investissement et d'exploitation. C'est pourquoi les techniques de filtration reposant principalement sur l'utilisation de substances na- turelles sont employées pour l'épuration des eaux usées; parmi ces techniques, la filtration au sable est le procédé le plus couramment utilisé. La grosseur de grains de la matière, dans les fil- tres au sable, augmente dans la direction d'écoulement du liquide. La phase solide provenant des eaux usées et traver- sant le filtre au sable s'infiltre dans la couche de sable, tandis que la phase liquide circule en un mouvement traver- sant. De ce fait, la couche filtrante s'obstrue etelle ne peut, à coup sur,'retrouver son efficacité opérationnelle qu'en éliminant la phase solide filtrée,par rinçage à contre- courant, ou bien par décollement et remplacement des couches obstruées. Des structures filtrantes, constituées par des plaques filtrantes rigides multicouches, sont décrites dans les brevets US-A-4 452 698 et US-A-4 381 998. Ces structu- res filtrantes, constituées d'un matériau granulaire cémen- té, comprennent une couche de support et une couche de fil- tration; la couche de support est naturellement perméable, mais ses pores sont plus grands que ceux des plaques fil- trantes. La matière constituant les grains est minérale, - l'élaboration des filtres faisant appel, par exemple, à l'A1203, au corindon, au carbure de silicium, au carbure de bore, etc. Ces filtres sont des structures assurément oné- reuses. Le brevet US-A-4 382 863 a trait à une structure similaire qui se compose de trois couches, et est elle aussi onéreuse. Conformément à la demande de brevet hongrois n 216/83, l'on utilise un filtre homogène (à une seule couche) au gravier fritté pour réduire la pression de la nappe phréatique, par exemple pour le drainage de sous-sols. La dessiccation des boues est l'une des phases les plus critiques du traitement des eaux. Cette dessiccation des boues exige une grande superficie et son efficacité est largement tributaire des conditions climatiques, c'est pour- quoi la déshydratation des boues -demande beaucoup de temps et le décollement des boues séchées réclame une intervention manuelle pour protéger le système de drainage. Une exploita- tion ultérieure des boues décollées manuellement est empê- chée par le gravier qu'elles renferment. Au cours du traitement des eaux usées, le système gaz-liquide se matérialise en partie par l'élimination des gaz renfermés par le liquide, en ayant recours à l'injection d'autres gaz dans ce liquide, et en partie par l'utilisation de gaz au stade de l'épuration biologique. Une expulsion du CO2 agressif par injection d'air est un exemple du premier cas et une dispersion d'air ou d'oxygène dans la masse de liquide est un exemple du second cas, pour fournir les condi- tions vitales aux micro-organismes présents-dans la phase- liquide. Parmi les techniques utilisées à cette fin, une in- jection d'air en profondeur à l'aide de buses constitue le procédé le plus efficace dans lequel, toutefois, l'injection de gaz à un débit constant est problématique. Une autre dif- ficulté réside dans le fait qu'une injection de gaz inter- mittente est nécessaire dans la plupart des cas, et dans le fait que, durant les temps-morts, elle peut se traduire par une obstruction des buses provoquée par la phase solide renfermée dans le liquide. L'invention a pour objet de fournir une structure de filtration et/ou de dispersion qui assure la filtration avec une efficacité maximale, dont l'exploitation nécessite seulement une énergie et des'coûts minimaux, qui ne soit pas sensible à l'obstruction et qui injecte les gaz, dans le liquide, avec répartition uniforme à un débit constant. L'invention se fonde sur la mise en évidence du fait que, si les grains filtrants sont reliés à la couche filtrante au moyen d'un adhésif hydrophobe, le film d'adhésif recouvrant les grains sur la surface de la structure fil- trante reçoit, au cours du processus de filtration, une charge électrique dont le signe est identique à celui des grains solides dans la substance devant être filtrée, les particules à grains solides, présentes dans cette substance à filtrer, étant alors repoussées. Dela sorte, un champ électrostatique efficace est à coup sûr engendré sur le bord de la couche externe à grains filtrants renfermant le revê- tement d'adhésif hydrophobe, ce qui empêche les grains, pré- sents dans la substance devant être filtrée, d'adhérer à la surface de la structure filtrante. A la place, un gâteau de filtration naturel se développe à partir des grains situés au-dessus de la structure filtrante, ce gâteau n'étant pas en contact direct avec la structure filtrante. Par consé- quent, un nettoyage du filtre réclame seulement un lavage extérieur étant donné qu'aucune impureté solide ne peut pé- nétrer à l'intérieur du filtre, et que ses pores ne s'ob- struent pas. L'invention repose, par ailleurs, sur la mise en évidence du fait que, au cours de l'épuration biologique ou après la ventilation destinée à expulser des gaz nuisi- bles, un revêtement externe en résine synthétique empêche les substances solides et/ou les micro-organismes de se dé- poser sur la surface en contact avec le liquide, et d'ob- struer les pores faisant office de buses. De la sorte, une épuration biologique et une injection gazeuse plus effica- ces sont assurément possibles. Conformément à l'invention, sur la base de ces considérations, l'objet recherché est atteint par une struc-- ture poreuse multicouches comprenant au moins une couche de support et au moins une couche active dont la grosseur des pores est plus petite que celle des. pores de la couche de support, au moins la couche active consistant en une sub- stance granulaire minérale chimiquement neutre (adéquate- ment à base de silicate), par exemple des grains de basalte, de zéolithe, d'A1203 et un ou plusieurs liant(s), sa carac- - téristique essentielle consistant en ce qu'un liant hydro- phobe, formé d'une résine silicone et/ou d'une résine épo- xyde à base de bisphénol-A, est présent au moins sur la surface des grains constituant la couche active. Ainsi, l'invention a pour objet une structure po- reuse multicouches pour la séparation de systèmes solides et liquides et pour la dispersion de systèmes gazeux et li- quides, notamment pour le traitement et l'épuration des eaux usées et des boues, comprenant au moins une couche active mince, habituellement supérieure, et une couche de support épaisse, habituellement inférieure, ces deux couches étant l'une et l'autre poreuses, mais les pores de la couche acti- ve étant plus petits que ceux de la couche de support, et au moins la couche active consistant en une substance miné- rale chimiquement neutre, adéquatement en des substances de l'industrie des silicates, de préférence des grains de ba- salte, de zéolithe, d'A1203, etc. avec un ou plusieurs liant(s); ladite structure est caractérisée par le fait qu'elle renferme, au moins sur la surface des grains cons- tituant la couche active, un.liant fortement hydrophobe tel qu'une résine silicone et/ou une résine époxyde à base de bisphénol-A. Dans le présent mémoire, l'on utilise'les expressions couches "habituellement supérieure" et "habi- tuellement inférieure" étant donné que la structure filtran- te peut être agencée non seulement horizontalement (par exemple pour une filtration par gravitation), mais tout aussi bien verticalement. Les résines silicones sont adéquatement choisies à partir de types de résines ayant des unités siloxane de fonctionnalité comprise entre 1 et-A. 4 et/ou à partir de produits à structure ramifiée obtenus par condensation de monoméres de fonctionnalité comprise entre 1 et 3, en uti- ' lisant, de préférence, du phényl-méthyl-polysiloxane et/ou un polyester de phényl-méthyl-polysiloxane et/ou du phényl- méthyl-vinylsiloxane (convenablement polymérisé par H202). Une telle résine synthétique à base de bisphé- nol-A, produite par exemple à partir de 4, 4'-dihydroxy- diphényl-propane et épichloro-hydrine, est employée en tant que résine époxyde ayant des groupes de fonctionnalité OH de 4 à 17, dont le poids moléculaire est compris entre 380 et 3 800, son équivalent époxy étant compris entre 175 et 4 000, son équivalent ester étant compris entre 80 et 200, sa viscosité moléculaire étant comprise entre 5 et 150 p (à 20 C), et dont le poids spécifique est compris entre 1,14 et 1,2. Sa formule est la suivante: CH2-CH-CH2' /-O-R-O-CH2-CH-CH2-O-R-/n -0 CH2-CH-CH \ /I I 1 O OH O La structure filtrante est adéquatement réalisée de manière que l'épaisseur de la ou des couche(s) active(s) soit comprise entre 5 mm et 15 mm, et celle de la ou des couche(s) de support se situe entre 50 mm et 150 mm. Bien que l'utilisation des pores relativement pe- tits soit judicieuse sur la surface de la structure poreuse de filtration et/ou de dispersion qui est en contact avec du liquide, de manière à engendrer un champ électrostatique plus efficace, il est envisageable de réduire la résistance du filtre dans la direction opposée et d'employer, par consé- quent, des pores plus grands du côté opposé à la surface en contact avec le liquide; l'on peut de surcroît utiliser, pour la couche de support, une plaque d'acier convenablement perforée ou n'importe quelle autre structure métallique, éventuellement une structure plastique, par exemple un écran en aluminium ou en matière plastique. La résine, en conférant le champ hydrophobe et électrostatique, provoque simultanément la cémentation des grains filtrants, assurant de la sorte une grosseur de pores constante. Compte tenu de ce qui précède, selon une autre ca-. ractéristique de l'invention, la taille des grains formant la ou les couche(s) active(s) est comprise entre 0,2 mm et 1 mm, la grosseur de pores de la ou des couche(s) étant comprise entre 0,1 mm et 1 mm. De préférence, la couche de support de la struc- ture poreuse de filtration et/ou de dispersion est formée par une plaque d'acier perforée ou par une structure perfo- rée consistant en un autre métal ou en une matière synthéti- que, par exemple un écran d'aluminium, ou bien une couche comprenant des grains minéraux et un liant, la taille des grains étant comprise entre 1 mm et 5 mm, la grosseur des pores se situant entre 0,8 mm et 1,2 mm et avoisinant, de préférence, 1 mm. La structure poreuse peut être conçue munie de plus de deux couches: par exemple, les deux couches supé- rieures se composent de grains filtrants minéraux et d'un liant, tandis que la couche inférieure est une plaque d'acier perforée ou bien une structure perforée constituée d'un autre métal ou d'une matière synthétique, par exemple un écran en aluminium ou en matière plastique. Toutefois, la structure filtrante peut également être réalisée dotée d'un système augmentant sa robustesse mécanique, par exemple d'un renforcement de la structure de support consistant, de pré- férence, en des garnitures d'acier. Une autre forme de réalisation de la structure po- reuse selon l'invention est caractérisée par le fait qu'elle se compose de trois couches dont au moins l'une est une cou- che active externe, et la couche intermédiaire consiste en des grains minéraux et en un liant. De préférence, au moins une couche active externe et une couche intermédiaire com- prennent des grains minéraux et un liant. La configuration géométrique de la surface de la couche active et/ou de la couche de support peut -s'écarter de la forme plane: elle peut, par exemple, être tubulaire, conique, hémisphérique ou de forme ovalisée, etc. Lorsqu'on procède à une filtration à l'aide de la structure conforme à l'invention, une phase solide épaisse (par exemple des boues) se forme assurément sur la surface de la couche active (remplissant la fonction de couche fil- tr-ante), sans toutefois y adhérer. De ce fait, les boues peuvent être éliminées mécaniquement tandis que le filtre est régénéré par lavage extérieur. Cependant, la structure poreuse multicouches conforme à l'invention est appropriée non seulement pour la filtration, mais également pour la dispersion d'un gaz dans un liquide. Dans ce cas, le gaz nécessaire est injecté à partir de la couche de support et la couche initialement filtrante remplit la fonction d'un disperseur actif (atomi- seur). Dans un tel cas tout particulièrement, il est judicieux de munir la surface d'une géométrie différant de la forme plane. Une répartition fine du gaz injecté est assurée par les pores fins de la surface active; de plus, le liant hydrophobe situé sur la surface tournée vers le liquide empêche, par exemple en cas de fonctionnement intermittent, les microorganismes, comme par exemple le phytoplancton et le monoplancton (algues) , de se déposer et d'obstruer les pores. De la sorte, la'structure est en permanence fonction- nelle. L'invention est décrite ci-après plus en détail, à l'appui des exemples suivants: xemple 1 Une structure filtrante conforme à l'invention est élaborée pour la filtration de boues de drainage commu- nal, calculée pour une surface de i m2, de la façon sui- vante: couche active - matériau: oxyde d'aluminium (A1203) - composition granulométrique: taille (norme FEPA) quantité (kg) 22 10,4 36 0,60 0,60 - liant: adhésif en résine époxyde (TIPOX IHS) 1,22 kg - épaisseur decouche: 5 mm Coefficient de perméabilité de la plaque de fil- tration active: K = 2,1 x 10-3 cm/s, volume des cavités n = 32 %. Couche-de support - matériau: gravier perlé - taille des grains: 3 mm - 7 mm - liant: adhésif en résine époxyde (TIPOX IHS) 2,5 kg - épaisseur: 45 mm - masse: 90,0 kg. Le pourcentage initial en substance sèche des boues de drainage communal était de 2,0 % (c'est-à-dire que 9 2628652 son pourcentage en humidité renfermée était de 98,0 %). Une solution de "Zetag 57" à 4 L a été employée en tant qu'agent de conditionnement. Le contenu extrait de boues déshydratées était de 38 %. L'on a obtenu un produit de filtration clair, exempt de matières en suspension. FEPA est une norme internationale se rapportant à la taille des grains, dont l'équivalent est la norme hon- groise n 6 506-84. L'un des composants de l'adhésif en résine époxyde "TIPOX IHS" est la résine bisphénol-A-diglycidyl-éther-époxy, et l'autre composant est un mélange de polyamine aliphatique. (fabricant: Tiszamenti VegyimUvek, Tiszaszederkény, Hongrie). Le "Zetag 57" est un polyélectrolyte à base de po- lyacrylamide, produit par la "Allied Colloid GmbH" (Hambourg, R.F.A.). Exemple 2 Les boues des eaux usées d'une tannerie ont été filtrées par la structure conforme à l'invention, dont 1 m2 se composait comme suit: couche filtrante active - matériau: carbure de silicium (SIC) - composition granulométrique: taille (norme FEPA) quantité (kg) 22 10,40 36 0,60 0,60 - liant: adhésif en résine silicone (VP 2 261) 1,35 kg - épaisseur: 5 mm. La plaque filtrante active a été soumise à un traitement thermique à une température de 150 C, pendant 3 heures. Son coefficient de perméabilité et son volume de cavités sont identiques à ceux de l'exemple 1. Couche de support: identique à celle décrite dans l'exemple 1. Le pourcentage initial en substance sèche des boues des eaux usées de la tannerie était de 1,5 Z (c'est- à-dire que son pourcentage en humidité renfermée était de 98,5 %). Dans ce cas également, une solution de "Zetag 57" à 4 %, a été utilisée en tant qu'agent de conditionnement. Les eaux usées renfermaient une part de chrome de 1 000 mg/l. A l'issue de la filtration, l'on a obtenu une boue déshy- dratée renfermant 30 % d'extrait, ainsi qu'un produit de filtration renfermant 0,05 mg/l de chrome, exempt de matiè- resen suspension. L'adhésif en résine silicone "VP 2 261" est un produit de "Wacker Chemie Co" (Munich, R.F.A.). Exemple 3 Des boues d'eaux-usées huileuses ont été filtrées à l'aide de la structure décrite dans l'exemple 1. Le pour- centage initial en substance sèche de ces boues était de 2 %, le pourcentage d'humidité renfermée était de 98 %, et une solution de "Zetag 57" à 4 %o a été utilisée en tant qu'agent de conditionnement. A l'issue de la filtration, l'on a obtenu une boue déshydratée renfermant 33 % de sub- stance sèche, ainsi que de l'eau filtrée convenable pour le système d'assainissement public. Dans les trois exemples, seul un lavage superfi- ciel s'est avéré nécessaire pour régénérer la surface acti- ve de la plaque filtrante. La résistance du filtre dans les couches n'a pas varié, même après une longue période d'utilisation, et un nouveau lavage ne s'est pas révélé nécessaire. Exemle_ 4 A l'aide de la structure filtrante décrite dans l'exemple 2,' de l'air a été dispersé dans de l'eau. Le dé- bit de délivrance d'air, sur 1 m2 de surface de la struc- ture, était de 20 m3/h; quantité d'oxygène: 100 g 02/h; consommation de puissance: environ.0,6 kW/1 000 g 02; taille des bulles: dmoyenne = 2,5 mm. L'avantage essentiel de l'invention consiste en ce qu'un nouveau lavag.e n'est pas nécessaire pour régénérer la structure; seul est requis un rinçage périodique de la - surface, dont les exigences en puissance, en temps et en main-d'oeuvre sont minimales. La fabrication de la structure est simple et son applicabilité est multiple. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à la structure décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. 12 2628652 -R E V E N D I C A T I O N S 1. Structure poreuse multicouches pour la sépara- tion de phases liquides et solides et éventuellement, ou en variante, pour la dispersion de liquides ou de gaz, notam- ment pour le traitement des eaux usées et des boues, compre- nant au moins une couche de support et au moins une couche active à grosseur de pores plus petite que celle de la cou- che de support, au moins la couche active consistant en une- substance granulaire minérale chimiquement neutre (adéqua- tement à base de silicate), par exemple des grains de basal- te, de zéolithe, d'A1203 et un ou plusieurs liant(s), struc- ture caractérisée par le fait qu'elle renferme, au moins sur la surface des grains constituant la couche active, un liant hydrophobe formé d'une résine silicone et éventuellement, ou en variante, d'une résine époxyde à base de bisphénol-A. 2. Structure selon la revendication 1, caractéri- sée par le fait que les liants sont des types de résines ayant des unités siloxane de fonctionnalité comprise entre 1 et 4 et éventuellement, ou en variante, des types de rési- nes à structure ramifiée'.obtenus par condensation de mono- mères de fonctionnalité comprise entre 1 et 3, de préférence du phényl-méthyl-polysiloxane et éventuellement, ou en va- riante, un polyester de phényl-méthyl-polysiloxane et éven- tuellement, ou en variante, du phényl-méthyl-vinylsiloxane convenablement polymérisé par H202. 3. Structure selon la revendication 1, caractéri- sée par le fait que le liant hydrophobe consiste en une ré- sine époxyde, qui est une résine synthétique à base de bisphénol-A produite, par exemple, à partir de 4, 4'-dihydroxy- diphényl-propane et épichloro-hydrine, ayant un poids molé- culaire compris entre 380 et 3 800, un équivalent époxy compris entre 175 et 4 000, un équivalent ester compris en- tre 80 et 200, renfermant des groupes de fonctionnalité OH de 4 à 17, ayant une viscosité moléculaire comprise entre p et 150 p (à 20 C) et un poids spécifique compris entre 1,14 et 1,2. 4. Structure selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisée par le fait que la taille des grains formant la ou les couche(s) active(s) est comprise entre 0,2 mm et 1 mm, la grosseur de pores de la ou des couche(s) étant comprise entre 0,1 mm et i mm. 5. Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, caractérisée-par le fait que sa 'couche de sup- port est formée par une plaque d'acier perforée ou par une couche comprenant des grains minéraux et un liant, la taille des grains étant comprise entre 1 mm et 5 mm, la grosseur des pores se situant entre 0,8 mm et 1,2 mm et avoisinant, de préférence,1 mm. 6. Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5, caractérisée par le fait que l'épaisseur de la ou des couche(s) active(s) est comprise entre 5 mm et 15 mm, celle de la ou des couche(s) de support se situant entre mm et 150 mm. 7. Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée par le fait que la couche de sup- port renferme une structure, de préférence des garnitures de renforcement en acier, pour accroître la robustesse mé- can i que. 8. Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisée par le fait qu'elle se compose de trois couches, parmi lesquelles au moins une couche active externe et une couche intermédiaire comprennent des grains minéraux et un liant. 9. Structure selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 8, caractérisée par le fait que la surface de la couche active et éventuellement, ou en variante, de la cou- che de support s'écarte de là configuration plane et est adéquatement tubulaire, conique, hémisphérique ou de forme ovalisée.