Post-traitements à la filtration

Après l’opération de filtration, le solide déposé (le gâteau) est imprégné d’un liquide de composition identique à celle du filtrat qu’il convient, la plupart du temps, d’éliminer.

Pour ce faire, les post-traitements à la filtration consistent essentiellement à laver et/ou essorer le gâteau. Dans certains cas, l’élimination des très fines particules subsistant dans le filtrat doit être poursuivie par un traitement de finition ; cependant le présent article se limitera aux opérations de lavage et de déshydratation.

• L’opération de lavage a pour objectif l’extraction des substances dissoutes présentes dans le liquide interstitiel contenu dans les pores du gâteau de filtration, au moyen d’un solvant approprié, le liquide de lavage. Ces opérations sont menées dans le même appareil que celui qui a servi à la filtration ou dans d’autres machines situées en aval suivant les performances à atteindre. En effet, la surface du filtre consacrée au lavage est importante au regard de celle utilisée pendant le cycle de filtration. A titre d’exemple, la fraction de surface totale pour des filtres à bande sous vide est comprise entre 70 et 80 % pour la purification des gypses ou des pigments. Les mécanismes mis en jeu sont à la fois le déplacement direct et la diffusion depuis les zones stagnantes des solutés par la liqueur de lavage ; aussi existe-t-il deux grandes techniques pour laver les gâteaux de filtration :

  • le lavage par dilution (« repulpage »), qui consiste à mélanger le solide avec le liquide de lavage dans une cuve annexe puis à refiltrer cette pulpe débarrassée du soluté, cette opération étant répétée autant de fois que le degré de pureté requis l’exige ;

  • le lavage par déplacement, qui consiste à faire percoler la liqueur de lavage à travers le gâteau déposé sur le filtre. Le liquide de lavage déplace ainsi (en écoulement piston dans le meilleur des cas) le liquide interstitiel en éluant éventuellement le soluté qui serait adsorbé ou absorbé au sein du solide.

La simplicité des opérations de lavage par déplacement direct fait que cette technique est souvent préférée. Toutefois, le repulpage du solide, suivi d’un lavage à cocourant ou contre-courant, est pratiqué lorsque la concentration en soluté est faible et que le mécanisme de transfert diffusionnel devient prépondérant. Le choix est également dicté par la technologie de filtration utilisée : les filtres à disque et à tambour sous vide, qui ne permettent pas d’obtenir des performances élevées en lavage, peuvent être complétés en aval, le cas échéant, par des cuves de repulpage. Lorsque les particules constituant le gâteau sont grossières, une quantité importante de liquide interstitiel peut être éliminée par essorage, avant lavage.

• Les opérations de déshydratation (« déliquorage ») ont pour but d’enlever une partie du filtrat résiduel en diminuant l’humidité du gâteau. A cet effet, dans un nombre l imité de cas, un accroissement de la pression en fin de filtration suffit. Cependant bien souvent les caractéristiques recherchées imposent l’utilisation de techniques spécifiques. Les différentes techniques classiquement utilisées, seules ou combinées, qui n’impliquent pas de changement de phase du liquide, sont les suivantes.

  • Drainage :

    • soufflage de gaz comprimé d’air ou de vapeur ;

    • succion à l’air ;

    • centrifugation ;

    • vibration ;

    • électro-osmose.

  • Expression ou pressage hydraulique :

    • consolidation par augmentation de la pression de filtration ;

    • utilisation d’un liquide de lavage forcé à contre-courant ;

    • perméation de liquide visqueux.

  • Expression mécanique :

    • par presses hydrauliques ;

    • par membranes de compression ;

    • par presses à courroies ou à rouleaux ;

    • par presse à vis.

Elles peuvent être rangées en deux classes, suivant que :

• les forces de désaturation sont appliquées sur le liquide par effet centrifuge, soufflage ou succion d’air. Ces forces ont un faible effet sur la structure du gâteau et la porosité reste constante. Seule une diminution de la saturation est recherchée. Le terme de « désaturation » convient pour désigner ces méthodes ;

• les forces mises en œuvre tendent à réduire le volume des vides au sein du gâteau et modifient donc significativement sa structure. Le volume de liquide contenu dans la masse poreuse diminue, mais le réseau de pores reste saturé. Cette action de pressage ou « d’expression » est obtenue soit par compression mécanique sur des presses ou des filtres presseurs, soit en augmentant la pression de filtration en fin d’opération.

Comment choisir la méthode la mieux adaptée ? Les méthodes qui mettent en œuvre un drainage hydrodynamique (gravitaire ou forcé) ne sont efficaces que lorsque la structure du gâteau est « ouverte », ce qui impose une taille moyenne minimale pour les particules constituant la masse poreuse. La limite de taille peut être fixée aux environs de 50 µm et la valeur de la perméabilité est comprise entre 10⁻¹⁰ et 10⁻¹⁵ m².

Lorsque le drainage a lieu uniquement sous l’effet de la pesanteur, les parti-cules doivent être beaucoup plus grosses, de l’ordre de 500 µm. L’exposé sera limité au drainage par de l’air, qui est une technique très utilisée pour déshydrater le gâteau sur le filtre lui-même dans le cas des filtres sous vide (rotatif ou à bande) et des filtres presses. Un secteur pour les premiers, ou bien un dispo-sitif permettant l’introduction d’air comprimé entre les cadres pour les seconds, permet de réaliser la phase de désaturation. Le problème est donc de prévoir le taux de saturation résiduelle des gâteaux de filtration et le temps nécessaire pour l’atteindre.

L’emploi de ces opérations complémentaires à la filtration revêt une importance croissante, qu’il s’agisse de produire des solides de plus en plus purs, de récupérer le plus possible de soluté ou de diminuer les coûts de transport et de séchage thermique.