Brevet FR2708873A1 — publié le 19950217

PROCEDE DE LAVAGE DE MATERIAUX GRANULAIRES ET/OU PAR1iCULAIRES. L'invention concerne un procédé perfectionné pour le lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires, et notamment les sables de fonderie. Néanmoins, I'invention ne saurait se limiter à cette seule application. Par matériau granulaire ou particulaire, on entend un matériau composé d'entités jointives, mais libres, la distinction entre grains et particules étant uniquement fonction de leurs tailles. Lors de certaines applications ou utilisations d'un tel matériau, on recherche dans celui-ci certaines caractéristiques physiques ou physicochimiques justifiant son utilisation. Parallèlement, on souhaite pouvoir réutiliser après usage ces matériaux, d'une part, dans un souci évident d'économie, et d'autre part, en respect des conditions d'environnement visant à interdire leur rejet, y compris en décharge. Cette réutilisation implique le lavage de ces matériaux. En effet, après usage, notamment comme sable de fonderie, un certain nombre de composés soit sont adsorbés, soit adhèrent à la surface des grains ou des particules, et gênent le recydage. Ces composés sont de nature organique (résines phénoliques, polyuréthannes), minérale (argile, bentonite, potasse, etc.), soit encore biologique. Leur élimination, lorsqu'elle est possible, peut générer un lixiviat toxique qu'il convient donc d'éliminer. Une première solution pour traiter ces matériaux consiste à les soumettre à une incinération à haute température, typiquement supérieure à 1 000 "C, avantageusement dans un four rotatif. Néanmoins, ce traitement thermique ne permet pas d'éliminer certaines matières minérales, telle la potasse. Parallèment, certains types de sable sont modifiés au niveau de leur structure, voire au niveau de leur composition chimique, tel notamment le sable de chromite, dans lequel on observe, sous l'effet de la température, l'oxydation de l'oxyde de fer II FeO, en oxyde de fer m, Fe203. Or, cette oxydation entraîne la perte des propriétés de dilatation caractérisant la chromite et justifiant son utilisation dans le cadre d'une meilleure évacuation de Ia chaleur lors de la réalisation des moules. Ce traitement thermique aboutit également quelque fois à la diminution de la granulométrie moyenne du matériau, et partant, à l'augmentation de la concentratrion en fines, c'est à dire de particules de dimension inférieure ou égale à 10 Wm. De la sorte, ils ne sont plus utilisables. Enfin, outre l'augmentation des coûts qu'engendre un tel traitement thermique, on observe également qu'il n'est pas utilisable avec les sables à vert, dans la mesure où le liant bentonite qu'ils intègrent n'est pas non plus éliminé par ce procédé. Un autre procédé de traitement de lavage actuellement utilisé relève de l'attrition, c'est à dire du frottement des grains les uns contre les autres par voie mécanique. Ce procédé s'avère néanmoins insuffisant pour débarrasser totalement les grains ou les particules de leur gangue en matière minérale, notamment en potasse, et comme dans le cas précédent, génère des fines en proportion importante. Certaines applications restent inenvisageables et limitent la réutilisation ou le recyclage du matériau. Existe également un procédé chimique d'élimination, notamment de la gangue adsorbée à la surface des grains. Ces traitements chimiques sont coûteux, et impliquent un lavage ultérieur, afin d'éliminer les impuretés chimiques et les produits chimiques utilisés pour ce traitement. Afin de surmonter les inconvénients de ces différents traitements, on a proposé, notamment dans le document FR - B - 2 338 745, un traitement physique de ces matériaux par ultra-sons. Ce traitement consiste à soumettre les matériaux granulaires à l'action d'ultra-sons générés par une sonde interne, émettant les ultra-sons radialement en direction de la périphérie de l'enceinte contenant le sable. Simultanément, l'ensemble est soumis à un contre-courant d'eau, destiné à recueillir les gangues éliminées par les ultra-sons. Ces derniers engendrent la cavitation de la suspension sable-eau, favorisant de la sorte le dégangage et l'élimination des produits adsorbés ou adhérents à la surface des grains, et permettent d'aboutir au recyclage du sable. Cependant, la sonde portant les transducteurs d'ondes ultra-soniques étant immergée dans le sable, subit de la part de celui-ci une érosion importante, impliquant son remplacement périodique, relativement fréquemment et partant, grévant les coûts de maintenance. Parallèlement, on a pu observer un rendement énergétique des transducteurs relativement faible, de sorte que la durée du traitement ou la qualité du sable après traitement n'est pas toujours satisfaisante. L'objet de l'invention est de proposer un procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires, mettant en oeuvre l'utilisation d'ondes ultra-soniques, et susceptible d'obtenir des rendements bien supérieurs et une qualité du matériau après traitement sans commune mesure avec ceux obtenus avec les procédés utilisés jusqu'alors. Ce procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires, consistant à soumettre un flux continu dudit matériau à l'action d'ondes ultra-soniques dans un flux de liquide de lavage, se caractérise en ce que les ondes ultra-soniques sont générées en périphérie en direction desdits flux, sur une longueur déterminée de ceux-ci, et en ce que lesdites ondes ultra-soniques sont en résonance sur cette longueur. En d'autres termes, l'invention consiste à générer les ondes ultrasoniques à partir d'une canalisation ou d'un tube périphérique au niveau duquel transitent les deux flux, respectivement du matériau à traiter et du liquide de lavage, générant ainsi des ondes ultra-soniques dirigées vers l'intérieur de la canalisation, permettant ainsi d'augmenter de manière très significative l'efficacité de l'action desdites ondes ultrasoniques, efficacité par ailleurs accrue sur la longueur de la canalisation dans la mesure où les ondes ultra-soniques sont en résonance, c'est à dire, si le début et la fin de ladite canalisation correspondent à un noeud de résonance des dites ondes. En effet, et de manière connue, les ondes ultra-soniques sur une telle géométrie génèrent une succession de ventres et de noeuds, à l'instar du phénomène de la corde vibrante Selon une forme de réalisation de l'invention, dans laquelle les densités respectives du matériau à traiter et du liquide de lavage sont bien différenciées, les deux flux sont activés à contre-courant l'un par rapport à l'autre. Selon une forme perfectionnée de l'invention, le liquide de lavage est recyclé par filtration et/ou centrifugation, avant d'être réinjecté dans la canalisation de génération d'ondes ultra-soniques. De la sorte, il est alors possible d'éliminer les particules en suspension dans le liquide de lavage, et notamment les fines. Dans une autre variante de l'invention dans lesquels on souhaite éliminer des produits présents dans le liquide de lavage après filtration, ledit liquide est soumis à une épuration biologique à action essentiellement bactérienne, permettant dans ce cas d'éliminer les composés présents avant le relargage dudit liquide soit à l'égout, soit éventuellement pour son recyclage. Le liquide de lavage est constitué par de l'eau à pH variable compris entre I et 12, des solvants organiques ou des émulsions. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent, ressortiront de I'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure I est une représentation schématique du dispositif mettant en oeuvre Ie procédé de l'invention. La figure 2 est une représentation schématique simplifiée des modes perfectionnés de réalisation de l'invention. Bien que plus particulièrement décrite en liaison avec le traitement des sables de fonderie, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas à cette seule application, et que d'autres matériaux granulaires et/ou particulaires, entrent dans le champ de l'invention, tel notamment les charbons actifs, les scories, les catalyseurs granulaires, les copeaux, les sols, les résines échanges d'ions, les boues d'usinage, etc... De manière connue, les sables de fonderie sont utilisés pour la réalisation de moules de fonderie, et selon le cas, différents types de sables sont utilisés. En effet, on utilise traditionnellement du sable siliceux à prise chimique, dont le liant est généralement de nature totalement organique, à base de résines phénoliques ou polyuréthannes. Le traitement de ce type de sable se heurte d'une part, à des problèmes du maintien des résines sur les grains, et d'autre part, à celui de l'élimination des phénols, induisant un traitement biologique. On utilise également des sables siliceux à vert, dont le liant est constitué par une argile de type bentonite. Leur traitement suppose alors l'élimination de la gangue de bentonite qui s'agrège autour des grains L'élimination de cette gangue doit également s'accompagner de son piégeage une fois qu'elle est libérée, de telle sorte qu'elle ne soit pas à l'origi- ne de la constitution de fines, rédhibitoires pour certaines applications. Parmi les sables siliceux, les silicates-esters sont également d' application. Le liant utilisé est semi-organique, dans lequel intervient de la potasse. Le traitement de ce type de sable se heurte à l'élimination de la potasse, engendrant une trop forte basicité du sable résiduel, mais également au dégangage de la résine hors des grains. Enfin, généralement utilisés en association avec les sables siliceux, on incorpore des sables de chromite, du fait de leurs propriétés de dilatation. Compte-tenu du coût de ce type de sable (typiquement six fois supérieur à celui du sable siliceux), on cherche tout naturellement à le recycler. Ces sables sont acheminés en continu dans un dispositif du type de celui décrit dans la figure 1. Ils sont préalablement rincés avec de l'eau puis amenés en continu par une trémie (4), aboutissent au niveau d'une canalisation creuse (1), d'un diamètre typique de 42 mm et d'une hauteur de 1,20 m, dans laquelle sont générées au niveau de sa périphérie et en direction de son centre des ondes ultra-soniques, en mode résonant sur toute la longueur de ladite canalisation. Ces ondes ultra-soniques sont générées au moyen d'un générateur (3), et acheminées au niveau d'un émetteur ou transducteur (2) au contact de la canalisation. Un tel dispositif est par exemple décrit dans le document FR-A-2 669 561. I1 se génère ainsi au niveau de la canalisation (1) une succession de ventres et de noeuds d'ondes, selon la génératrice de la canalisation, qui vibrent selon une amplitude fonction de la fréquence d'excitation du générateur (3). Parallèlement, le liquide de lavage est introduit à contre-courant du flux de sable, entre une entrée (6) et une sortie (5), selon une vitesse déterminée de telle sorte à ralentir la chute du sable au sein du tube (1), et donc d'augmenter la durée d'action des ondes ultra-soniques au niveau du sable, et typiquement selon un débit de 100 1/heure pour une chute de sable de 150 kg/heure. Cette vitesse du contre-courant est également fonction de la granulométrie du sable à traiter. Le liquide de lavage à contre-courant est destiné en outre à entraîner les fines, les différents composés qui formaient la gangue autour de chacun des grains ou des particules dudit sable, et également toutes les particules insolubles. De la sorte, ce contre-courant permet de resserrer le spectre granulométrique dudit sable. On ajuste la fréquence des ondes ultra-soniques de telle sorte que entre I'entrée A et la sortie B du tube (1), on observe une résonance des ondes ultra-soniques, l'entrée A et la sortie B correspondant chacune à un noeud de résonance. De la sorte, on obtient une homogénéité de l'action des ondes ultra-soniques sur toute Ia longueur du tube, et partant, l'augmentation de leur efficacité. Le liquide de lavage sert essentiellement de vecteur de l'énergie ultrasonique. il provoque tout d'abord l'accélération de la dissolution des composés solubles dans le liquide, notamment les phénols, la potasse. Avantageusement, le liquide de lavage est à pH acide, de telle sorte à aboutir à la neutralisation du sable. Parallèlement, le liquide de lavage induit le dégangage des résines polymérisées ou polyuréthannes, ou des composés minéraux (argile, bentonite), contenus dans les liants des sables siliceux à vert. Parallèlement, il provoque également la désorption des gaz et de certains sels métalliques ou d'autres composés organiques. Enfin, dans d'autres applications, tel que notamment le traitement des boues d'usinage, le liquide de lavage, de par la cavitation engendrée par les ondes ultra-soniques à la surface des particules, provoque la mise en émulsion des huiles de coupe, des composés insolubles et également des solvants, préalabIement adsorbées sur les grains. Le liquide de lavage, qui dans l'exemple décrit remonte à contrecourant du flux de sable dans la canalisation (1), est récupéré au niveau de la sortie (5), alors que le sable, après traitement par ondes ultra-soniques, est récupéré par la sortie (7). Celui-ci transite dans la canalisation (1) par simple gravité. Le fonctionnement ainsi décrit correspond au cas où le matériau à traiter est plus dense que le liquide de lavage. Si le matériau à traiter présente une densité inférieure au fluide de lavage, les flux sont alors inversés : le liquide de lavage s'écoulant de haut en bas dans la canalisation (1), et le matériau granulaire ou particulaire remontant le long du tube (I). Dans ce cas, comme dans le cas précédent, la vitesse du fluide à l'intérieur de la colonne est calculé selon les règles classiques de la mécanique des fluides et du génie chimique, afin de ralentir considérablement la vitesse du flux du matériau granulaire au sein de la canalisation, pour optimiser à son niveau l'action des ultra-sons. Dans un dernier cas, dans lequel le matériau granulaire possède une granulométrie trop faible, et est essentiellement composé de fines notamment d'un diamètre inférieur ou égal à 10 à 15 micromètre, et en raison d'une différence de densité avec le liquide de lavage trop faible, les flux du liquide et de particules en suspension deviennent co-courrant. Le passage dans le tube ultra-sonique accélère la dissolution des composés gênants. Les particules sont ensuite séparées du fluide de lavage. Dans ce cas, l'alimentation du liquide de lavage et du matériau particulaire est effectuée par le haut (5) ou par le bas (6) de la colonne (1). Dans une version avantageuse du procédé, on recycle le liquide de lavage. Pour ce faire et en liaison avec la figure 2, ledit liquide après sa sortie en (5) subit en (10) un traitement mécanique de centrifugation et/ou filtration, induisant l'élimination des particules gênantes, et notamment des fines. Parallèlement, ce traitement mécanique peut s'accompagner d'une neutralisation avec régulation du pH, et/ou d'autres mesures et régulation, comme la température. Les particules insolubles et filtrées sont alors éliminées par la sortie (11), constituant le rejet proprement dit. Le liquide ainsi filtré ou centrifugé est acheminé en (12) au bas de la canalisation (1), selon l'exemple de la figure 1. Dans la mesure où une partie du liquide de lavage, et notamment d'eau est consommée, puisqu'évacuée avec les rejets (11), il est prévu en (13) en bas de la colonne, l'adjonction d'eau en complément. Dans certains cas, l'élimination de particules organiques ou toxiques concentrées dans Ie liquide de lavage à I'issue du traitement par ultrasons du matériau est nécessaire, dès Iors que l'on souhaite pouvoir rejeter les effluents de lavage à l'égoût. Dans ce cas, le liquide de lavage est acheminé en (14), postérieurement au traitement de filtrationdécantation et/ou centrifugation, au niveau d'un bio-filtre (15), à fonctionnement principalement bactérien, destiné à éliminer la demande chimique en oxygène résiduelle (DCO). Ce traitement biologique peut également s'accompagner d'un traitement physico-chimique. Un tel biofiltre (15) est par exemple décrit dans le document FR-A-2 674 535. Le liquide de lavage alors épuré est débarrassé des matières en suspension et peut être acheminé par une canalisation (16), soit au niveau de l'entrée (6) de la colonne (I), soit rejeté à l'égoût sans risque de pollution. Afin d'illustrer l'optimisation du traitement de lavage de l'invention, il va être décrit un exemple concret de traitement d'un sable de chromite issu du procédé silicate ester. Ainsi qu'on l'a montré précédemment, le traitement thermique d'un sable de chromite n'est pas envisageable compte-tenu de la transformation chimique de certains de ses composés, et notamment de l'oxydation de l'oxyde de fer qu'il contient. Parallèlement, l'un des problèmes majeurs posés par le recyclage de ces sables relève de sa basicité résiduelle. La potasse est utilisée pour la prise du liant et elle se trouve en trop grande quantité dans le sable pour permettre son recyclage correct. La mesure de cette basicité s'effectue selon un test répondant à une spécification n" 2 BSCRA, issue d'une circulaire de recommandation V.D.G. R92 - Aout 1970, par une mesure de la consommation d'acide. Ce test consiste à méIanger pendant au moins cinq minutes à la température ambiante 50 g de sable, 50 ml d'eau distillée et 50 ml d'acide chlorhydrique deci-normal. Après avoir laissé reposé le mélange pendant au moins une heure, on titre jusqu'aux valeurs de pH 3,4 et 5 par addition de soude également déci-normale, la quantité d'acide en excès. Le résultat est exprimé par différence en ml d'acide consommé pour chaque valeur de pH. Les résultats obtenus sont regroupés dans le tableau ci-après, les valeurs indiqués dans celui-ci correspondant à une quantité d'acide consommé expirmée en ml. cas pH3 pH4 pH5 I 10 8 6 IT 20 à 23 18 à 20 13 à 20 m IV 5,5 à 6 5,2à5,5 4 à 4,3 I : sable de chromite neuf; taux de fines compris entre 0,3 et 1%. II : sable de chromite issu du procédé silicate-ester après un traitement d'attrition; taux de fines environ 4%. m : sable de chromite issu du procédé silicate-ester et susceptible de faire l'objet d'une réutilisation. IV : sable de chromite issu du procédé silicate-ester après traitement conforme à l'invention; taux de fines environ 2%. On observe ainsi que les résultats obtenus avec le procédé de l'invention sont tout à fait conformes aux exigences de recyclage desdits sables et permettent leur réutilisation à de nombreuses reprises, ce que ne permettaient pas d'obtenir les procédés connus à ce jour. Parallèlement le taux de fines résiduelles contenues dans le sable après traitement est faible, et à peine supérieure à celui du sable neuf, n'affectant pas la réutilisation de celui-ci. Ces résultats montrent l'action optimisée des ultra-sons sur l'élimination de la gangue de résine ou de bentonite formée autour des grains, ainsi que la dissolution de la potasse et des composés hydrosolubles dans le liquide de lavage, se matérialisant par une diminution de la basicité du sable résiduel. Ainsi, ce procédé présente de nombreuses applications autres que le lavage des sables de fonderies, et notamment le traitement des boues d'usinage, dans lesquelles on élimine les phosphates, les borates et l'huile de coupe, la régénération des charbons actifs, notamment par désorption des composés adsorbés, le recyclage des structures poreuses, notamment de catalyseurs. Ce procédé présente de nombreux avantages par rapport aux procédés de traitement connus à ce jour. Outre le fait qu'il est continu, on peut mentionner le fait qu'il est d'une grande souplesse d'utilisation, compte tenu de la modularité du système. En outre, du fait du principe de génèse des ultra-sons, on n'observe pas de phénomènes d'érosion inhérents à la circulation des flux de matériaux à traiter au contact des transducteurs. n est donc d'une maintenance beaucoup plus aisée et moins onéreuse. Enfin, on peut également citer la possibilité d'éliminer une partie importante des fines, provenant soit des liants utilisés, soit des phénomènes d'attrition inévitables qui se produisent dans la canalisation, compte tenu de la cavitation générée. REVENDICATIONS 1/ Procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires, consistant à soumettre un flux continu dudit matériau à l'action d'ondes ultra-soniques dans un flux de liquide de lavage, caractérisé en ce que les ondes ultra-soniques sont générées en périphérie en direction desdits flux, sur une longueur déterminée de ceux-ci, et en ce que lesdites ondes ultra-soniques sont en résonance sur cette longueur. 2/ Procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires selon la revendication 1, dans lequel les densités respectives du matériau à laver et du liquide de lavage sont bien différenciées, caractérisé en ce que les deux flux, respectivement du matériau et du liquide de lavage sont activés à contre-courant l'un par rapport à l'autre. 3/ Procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le liquide de lavage est recyclé par filtration et/ou centrifugation, avant d'être réinjecté dans la canalisation (1) dans laquelle les matériaux sont soumis à l'action des ondes ultra-soniques. 4/ Procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires selon l'une des revendications I à 3, caractérisé en ce que le liquide de lavage après filtration et/ou centrifugation est soumis à une épuration biologique à action essentiellement bactérienne, destiné à éliminer la Demande Chimique en Oxygène (DCO) avant le relargage dudit liquide préalablement débarrassé des matières en suspension, soit à l'égout, soit éventuellement pour son recyclage. 5/ Procédé de lavage de matériaux granulaires et/ou particulaires selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le liquide de lavage est constitué par de l'eau à pH variable compris entre I et 12, des solvants organiques ou des émulsions.