Brevet FR2757079A1 — publié le 19980619

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un papier de filtration de liquides chargés, à forte capacité d'adsorption et d'absorption présentant une porosité élevée, à base de fibres cellulosiques naturelles et/ou synthétiques comportant en outre des matières organiques pulvérulentes. Il peut comporter également des matières pulvérulentes inorganiques et des agents bactéricides et/ou virocides. Elle trouve son application dans les industries de traitement du pétrole brut, les industries qui utilisent des huiles de lubrification, des fluides d'usinage, les papeteries, les industries agro-alimentaires et d'une manière générale toutes les industries qui produisent des suspensions ou émulsions riches en graisses ou paraffines. Elle trouve également son application dans la filtration des eaux usées produites par les foyers domestiques et les collectivités. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Les papiers à base de fibres synthétiques ou naturelles utilisés dans de nombreuses applications pour filtrer des liquides sont bien connus. Il30 présentent certains inconvénients pour les applications industrielles en raison notamment de leurs faibles porosités qui entraînent des vitesses de filtration médiocres exprimées en volume de liquide traité par unité de temps et par unité de35 surface. Les papiers ont des capacités d'adsorption et réactivité insignifiantes, ils ne permettent pas de fixer des produits tels que les phénols même en très faibles quantités dans les liquides traités. Les papiers connus sont inefficaces pour filtrer des suspensions très stables dont la stabilité résulte de la présence d'agents tensioactifs et n'ont aucun pouvoir désodorisant. De plus ils sont inaptes au traitement de liquides à une température supérieure à 90 C. Il est également connu d'utiliser des papiers chargés avec du talc ou de la bentonite, qui ont une capacité hydraulique inférieure à celle du papier non chargé. DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin elle propose un papier de filtration de liquides, à forte capacité20 d'adsorption et d'absorption et à porosité élevée, à base de fibres cellulosiques comportant en outre, au moins une matière organique pulvérulente dont au moins 95% des particules ont une granulométrie comprise entre 1 et 150 microns, dans une proportion25 comprise entre 5 et 75% du poids du papier incluant ladite matière organique. Selon une autre caractéristique de l'invention, la matière organique comprend un charbon actif micronisé de granulométrie comprise entre 5 et30 50 microns, dans une proportion comprise de préférence entre 5 et 70% du poids du papier incluant ladite matière organique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le charbon actif est constitué d'au moins un coke micronisé choisi parmi les cokes de charbons, les cokes de pétrole et les cokes de lignites. Selon une autre caractéristique de l'invention, la matière organique comprend un bois torréfié micronisé de granulométrie comprise entre 50 et 150 microns. Selon une autre caractéristique de l'invention, la matière organique comprend une poudre de résineux. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention comporte en outre au moins un matériau inorganique dans une proportion de 0,2 à 70% du poids du papier incluant ladite matière organique et ledit10 matériau inorganique. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau inorganique est un produit dérivé de la silice, sous forme de poudre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau inorganique est un produit dérivé de l'alumine, sous forme de poudre. Selon une autre caractéristique de l'invention, le matériau inorganique est un catalyseur pulvérulent de granulométrie comprise20 entre 2 et 100 microns. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention comporte en outre un agent modificateur de pH. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention comporte en outre un agent bactéricide. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention comporte en outre un agent virocide. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention a subi un traitement pour le rendre oléophile. Selon une autre caractéristique, le papier de l'invention a subi un traitement pour le rendre hydrophobe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de l'exposé détaillé et des exemples qui vont suivre. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION L'invention a pour objet un papier filtrant chargé, réalisé à partir de fibres cellulosiques naturelles et/ou artificielles auxquelles sont ajoutées des matières organiques sous forme de poudres pour améliorer sa capacité hydraulique sans dégrader sensiblement les autres caractéristiques. Ce résultat est illustré par le tableau suivant: Références des essais Unités V V2 V3 VP = 100% VP = 80% VP = 60% CO = 20% CO = 40% Grammage g/m2 267 276 277 Epaisseur km 373 481 528 Capacité m3/m2/h 0,9 5,6 7 hydraulique Dans lequel: - V1, V2, V3 sont trois variantes de composition du papier. - VP signifie vieux papiers récupérés constituant les fibres cellulosiques - CO signifie charge organique, dans cet exemple de la poudre d'épicéa de granulométrie inférieure à 150 microns. - la capacité hydraulique est le débit d'eau en mètres cubes par heure et par mètre carré de surface du papier, mesurée à 25 C. Pour observer les effets de diverses charges sous forme de poudre on a effectué cinq essais dont les résultats sont les suivants: Références des essais E1 E2 E3 VP =100% VP = 80% VP = 55% Unités CO = 0% CO = 20% CO = 20% Talc =25% Capacité m3/m2/h 0,9 4,5 3,7 hydraulique Réferences des essais E4 E5 VP = 55% VP=68,5% Unités CO = 20% CO = 20% Bentonite Coke = = 25% 11,5% Capacité hydrauliquem3/m2/h 2,1 7,5 hydraulique m3,1 7,5 Dans lequel: El, E2, E3, E4 et E5 sont les références des cinq essais. - VP signifie vieux papiers récupérés constituant les fibres cellulosiques. - CO signifie charge organique, dans cet exemple de la poudre d'épicéa de granulométrie inférieure à 150 microns. - la capacité hydraulique est le débit d'eau en mètres cubes par heure et par mètre carré de surface du papier, mesurée à 25 C. En comparant les résultats des essais El et E2 on constate que le fait de charger le papier avec une poudre organique a pour effet d'augmenter la capacité hydraulique du papier. L'adjonction de talc ou de bentonite représentée par les essais E3 et E4 produit l'effet contraire, c'est à dire que la capacité hydraulique diminue. Quand on charge le papier de l'essai E2 avec du coke de charbon présentant une granulométrie inférieure à 150 microns la capacité hydraulique25 passe de 4,5 à 7,5 m3/m2/heure.Ces résultats montrent que le papier de l'invention est un matériau filtrant dont on peut adapter les caractéristiques au liquide à filtrer, en agissant sur sa composition en qualité et en quantité. Le papier de l'invention est utilisable comme média filtrant avec des dispositifs connus mettant en oeuvre des procédés connus. A titre d'exemple on peut citer les filtres à bande à déroulement de papier dans lesquels les matières solides en suspension dans35 le liquide à filtrer sont retenues sur le papier pour former un gâteau, certains produits sont adsorbés dans la poudre qui charge le papier et le filtrat constitué des éléments liquides coalescés est recueilli. Le papier de l'invention peut aussi être mis en oeuvre au moyens de filtres connus du type rotatif sous vide.5 Selon une autre caractéristique de l'invention la charge en matière organique du papier de filtration comprend au moins un charbon actif de granulométrie comprise entre 5 et 50 microns. A titre d'exemple on peut citer les charbons actifs obtenus dans des fours à partir de végétaux tels que les noix de coco, les noyaux d'olives et le liège. Ces charbons actifs sont micronisés et représentent de préférence 5 à 70% du poids des fibres cellulosiques. 15 Le faible diamètre des pores de ces matériaux de l'ordre de 25 A augmente le pouvoir adsorbant du papier. Le papier chargé en poudre de charbon actif est particulièrement adapté à la filtration des suspensions et eaux peu chargées. Il a l'avantage de retenir les hydrocarbures aromatiques notamment le benzène, ainsi que les produits organiques des soudes usées, les pesticides et les produits organochlorés détergents.25 Lorsqu'une capacité hydraulique très élevée est recherchée on utilise comme matière organique pour charger les fibres de papier, des cokes de lignite ou de pétrole micronisés, dans des proportions comprises entre 15 et 40% du poids de30 papier. Ces cokes présentent des surfaces spécifiques élevées de l'ordre de 100 à 300 m2/g qui confèrent au papier de bonnes capacités d'adsorption. De plus le papier chargé avec des charbons actifs présente un coefficient de compressibilité de l'ordre de 0,3 ce qui le rend apte à supporter d'importantes variations de pression. D'autres cokes peuvent être utilisés avantageusement du fait de leur faible coût, ce sont par exemple les poudres de liège carbonisé par les incendies de forêts. Des papiers filtrants ayant des propriétés similaires sont obtenus en les chargeant avec des poudres de bois torréfiés et micronisés. Selon une autre caractéristique de l'invention, le papier de filtration est chargé d'agents qui modifient son pH, par exemple du sulfate10 d'alumine, de l'acide sulfurique, des résines échangeuses d'ions. Pour traiter des suspensions qui nécessitent des capacités d'échange d'ions ou des capacités élevées d'adsorption et d'absorption selon une autre caractéristique de l'invention on ajoute aux fibres cellulosiques des matières pulvérulentes minérales dérivées de la silice, telles que des silicates, de la silice naturelle ou des silicoaluminates cristallisés.20 Selon une autre caractéristique de l'invention le papier est chargé de catalyseur usé de craqueur catalytique qui présente une surface spécifique de 10 m2/g et une porosité de 0,5 cm3/g et dont les caractéristiques granulométriques sont les25 suivantes: Taille des particules de Proportions en % Volume catalyseur en microns 0 - 40 10 - 80 55 - 105 20 - 150 10 > 150 5 Une particularité intéressante de ce type de catalyseur est qu'il présente des pores de rayon moyen de l'ordre de 20 nanomètres qui sont de véritables pièges à molécules. Le papier de filtration chargé en catalyseur de craqueur catalytique a aussi l'avantage de bien résister à des températures de mise en oeuvre de10 l'ordre de 100 C, d'être doté de propriétés oléophiles qui en font un bon coalesceur d'huiles et d'avoir une bonne résistance mécanique. Une autre caractéristique de l'invention est que le papier chargé peut être traité de manière connue pour le rendre oléophobe, oléophile, ignifuge afin de l'adapter à la suspension à filtrer. En fonction des besoins le papier chargé en poudres peut aussi comporter des agents bactéricides et/ou virocides. Ces agents peuvent être introduits20 lors de la fabrication du papier ou au moment de son utilisation par adsorption de produits bactéricides comme le formol et l'isotiasolidine ou par greffage chimique. EXEMPLE 1 La suspension traitée est une suspension houleuse d'origine pétrolière, ayant rempli une fonction de lubrification. Elle présente les caractéristiques suivantes: 10. teneur en huile: 96% teneur en eau: 0,2% teneur en matières solides: 3,8% ( 3 à 100gm) couleur: noire viscosité: 78x10- 6 m2/s à 40% 15. densité: 0,893 Le papier filtrant utilisé comme média filtrant dans un filtre sous-vide a la composition suivante:20 fibre de papier recyclé: 50% poudre de bois résineux: 30% coke de charbon: 10% poudre de liège: 3% catalyseur de craqueur catalytique: 7% La suspension a traiter est mélangée avec du LCO (Light Cycle Oil) issu d'un craqueur catalytique d'une raffinerie de pétrole brut, pour dissoudre les30 hydrocarbures lourds contenus dans la suspension et la rendre moins visqueuse. Sous l'effet du vide l'huile de la suspension traverse les poudres chargées dans le papier filtrant. Les matières solides en suspension qui sont35 des particules de carbone ou des particules métalliques ou des produits de dégradation de l'huile et de ses additifs restent sur le papier et les poudres se saturent en hydrocarbures. Le filtrat recueilli a les qualités suivantes: 5. teneur en eau: indosable teneur en matières solides: indosable densité: 0,9 viscosité: 23,6x10-6 m2/s à 400C. Ce filtrat est stable et constitue un bon carburant pour moteur diesel. EXEMPLE 2 La suspension traitée est une suspension huileuse de raffinerie qui présente les caractéristiques suivantes: couleur: noire densité: 0,978 viscosité: 5 mPa.s à 50 C teneur en matières solides: 6% 25. teneur en eau: 54% teneur en huile: 40% Le papier chargé est constitué de 70% poids de fibres recyclées et de 30% de poudre d'épices renfermant 95% de particules inférieures à 150 im et % de tailles comprises entre 10 et 100 gm, son grammage est de 224 g/m2 et son épaisseur est de 400 jm. Le papier chargé en poudre est disposé sur une toile filtrante en polyamide dit RILSAN de largeur cm qui se déroule devant des caissons à vide. Juste avant la présentation devant ces caissons à vide une rampe disperse un condensat de vapeur basse pression à 95 C. Cette action a pour but de saturer les fibres en eau et faciliter la mise sous- vide et la circulation des flux liquides et d'anticiper par la dilatation des poudres qui ont pour but de5 distendre les fibres du papier afin d'augmenter sa capacité hydraulique. Une deuxième rampe projette un mélange de suspension avec du LCO à une température de 70 C. Sous l'effet de la pression la suspension traverse le papier. Le papier entraîné par la toile traverse une première zone de vide o la pression est de 266x102 Pa. Puis une deuxième zone de vide o la pression est de 200x102 Pa et enfin une dernière zone de vide o la pression n'est que de 80x102 Pa, dans15 cette dernière zone, la couleur de la couche déposée devient grise. Le dépôt s'épuise en liquide, e qui explique la très faible teneur en eau du matériau en fin de traitement. Les matières solides se déposent sur le papier et se concentrent au fur et à mesure20 que la toile avance vers un rouleau qui enroule le papier chargé en poudre et en matières adsorbées et absorbées. La fraction du liquide qui traverse le papier chargé est déstabilisée et décante dans un simple ballon. La phase eau décantée contient 2025 mg/kg d'hydrocarbures et 15 mg/kg de matières en suspension. Cette eau est envoyée dans une station classique de traitement d'eaux. La phase huile décantée contient 0,8% en poids d'eau. Cette huile est apte à être recyclée dans une unité de traitement30 de pétrole brut ou à être utilisée comme fluxant. EXEMPLE 3 La suspension traitée est une émulsion de paraffines dans l'eau ayant servie à un usinage de pièces métalliques. Le papier filtrant chargé comprend les éléments suivants: fibres recyclées: 50 % poudres d'épicéa: 30 % poudres de liège: 5 % 5. poudre de coke: 15 % La granulométrie des poudres d'épicéa est comprise entre 10 et 150 microns. Celle des poudres de liège est comprise entre 5 et 20 microns. Celle du coke est comprise entre 100 et 150 microns. Ce papier chargé est utilisé comme média filtrant sous-vide. Sur le papier restent fixées les particules métalliques ainsi qu'une fraction des tensioactifs et la moitié des paraffines de l'émulsion. Le filtrat épuré peut être recyclé ou envoyé dans un décanteur ou l'on sépare l'eau de la paraffine. La phase huile ne contient plus de traces de particules, elle peut donc être recyclée. EXEMPLE 4 La suspension traitée est un effluent aqueux d'une usine d'équarrissage qui est de couleur grise et d'odeur nauséabonde, de forte turbidité égale à 55.000 NTU, de PH égal à 5, de demande biochimique d'oxygène (DBO) égale à 49.400 mg par litre d'oxygène, de demande chimique en oxygène (DCO) de30 156.700 mg par litre d'oxygène et contient des bactéries aérobies dans la proportion de 3 900ml/l à C et des bactéries anaérobies dans la proportion de 60 ml/l à 30 C. Le papier est constitué de fibres non recyclées et de poudres riches en cellulose.. Sa composition est la suivante: fibres cellulosiques non recyclée: 70% poudre de rafles de maïs: 25% poudre de noyaux d'olives: 5% Ce papier est utilisé comme média filtrant dans un filtre rotatif sous-vide. Le papier chargé de poudres se recouvre d'une couche de matières grasses de couleur grise. Sa composition est la suivante: eau: 30% poids graisse: 30% protéines: 20% papier et poudre: 20% Le liquide filtré est limpide, sa turbidité est réduite à 45 NTU, la DBO est de 14. 100 mg par litre d'oxygène, la DCO est de 19.200 mg par litre d'oxygène, la teneur en matières organiques en15 suspension est de 11 mg par litre, la teneur en bactéries aérobies à 30 C est nulle, comme la teneur en anaérobies à 30 C. La résistance mécanique du papier est satisfaisante avec le filtre rotatif sous vide. La température de la suspension est disponible à 60 C. Si la température reste supérieure ou égale à 60 C pendant la séparation, les protéines traversent le papier. Le vide doit être suffisant pour que la température sur le papier soit entre 50 C et 55 C.25 Seulement dans ces conditions, le débit de filtrat est de l'ordre 0,5 m3/m2/h. REVEND I CATIONS 1- Papier de filtration de liquides, à forte capacité d'adsorption et d'absorption et à porosité élevée, à base de fibres cellulosiques caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une matière organique pulvérulente dont 95% des particules ont une granulométrie comprise entre 1 et 150 microns, dans une proportion comprise entre 5 et 75% du poids du papier incluant ladite matière organique. 2- Papier selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière organique comprend un charbon actif micronisé de granulométrie comprise entre 5 et 50 microns dans une proportion comprise de préférence entre 5 et 70% du poids du papier incluant ladite matière organique. 3- Papier selon la revendication 2 caractérisé en ce que le charbon actif est constitué d'au moins un coke micronisé choisi parmi les cokes de charbons, les cokes de pétrole et les cokes de lignites. 4- Papier selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matière organique comprend un bois torréfié micronisé de granulométrie comprise entre 50 et 150 microns. 5- Papier selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la matière organique comprend une poudre de résineux. 6- Papier selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un matériau inorganique dans une proportion de 0,2 à 70% du poids du papier incluant ladite matière organique et ledit matériau inorganique. 7- Papier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau inorganique est un produit dérivé de la silice, sous forme de poudre. 8- Papier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau inorganique est un produit dérivé de l'alumine, sous forme de poudre. 9- Papier selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau inorganique est un catalyseur pulvérulent de granulométrie comprise entre 2 et microns. 10- Papier selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un agent modificateur de pH. 11- Papier selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un agent bactéricide. 12- Papier selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un agent virocide. 13- Papier selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le papier a subi un traitement pour le rendre oléophile. 14- Papier selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le papier a subi un traitement pour le rendre hydrophobe.