Conclusion

Devant la réticence du milieu industriel de la projection thermique de métaux à utiliser des électrofiltres et les problèmes de colmatages irréversibles rencontrés par les médias fibreux vis-à-vis des PUF métalliques, un certain nombre d’études se focalisent sur l’amélioration des techniques de décolmatage via des traitements de surface des médias fibreux pour limiter la force d’adhésion des particules, des pressions de décolmatage plus élevées ou du pré-coating. Cependant, il apparait également intéressant d’aborder sous un autre angle ce problème et d’étudier ainsi des techniques de filtration alternatives ou complémentaires. Afin d’apporter une réponse à ce problème environnemental et de santé/sécurité au travail que pose l’épuration des particules ultrafines dans l’industrie, ce travail a été entrepris depuis plusieurs années dans un projet commun à l’Institut National de Recherche et de Sécurité (INRS) et au Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP, UMR CNRS/UL 7274). Afin de tester les différentes solutions alternatives dans des conditions représentatives de celles rencontrées dans l’industrie, les fumées de métallisation ont été prises comme référence dans le cadre de ce projet. La métallisation est un procédé de traitement de surface par projection thermique de métaux. Les caractéristiques des fumées issues de ce procédé générant des PUF métalliques en importante quantité seront détaillées ultérieurement dans ce manuscrit.

L’une des alternatives ayant fait l’objet d’une attention particulière concerne les séparateurs par voie liquide de type colonnes à bulles. Le principe de ce type de séparateurs est de faire buller le gaz chargé en particules dans une colonne de liquide. Les bulles sont créées en faisant passer le gaz au travers d’un ou plusieurs orifices (plaque perforée). Les particules ultrafines sont transférées par le mécanisme conventionnel de diffusion brownienne vers l’interface gaz/liquide des bulles afin d’y être absorbées. L’efficacité de collecte de ce procédé dépend principalement de la taille et de la répartition des bulles dans la colonne. Ainsi, des bulles fines et uniformément réparties augmentent les performances par une plus grande surface d’échange. Bien que les efficacités de collecte soient intrinsèquement moindres que celles des médias fibreux ou des électrofiltres (aux alentours de 70% pour des bulles de 3 mm de diamètre), les colonnes à bulles présentent l’avantage d’opérer à perte de charge constante et ainsi, de ne pas nécessiter de décolmatage. De plus des possibilités d’intensification existent : diminution du diamètre des bulles et/ou ajout d’un garnissage afin d’augmenter le temps de séjour des bulles dans le liquide. Malgré ces avantages, les colonnes à bulles conviennent difficilement dans le cas d’installations industrielles importantes rejetant des débits de plusieurs dizaines de milliers de m3

/h du fait de l’encombrement important de ce type de dépoussiéreurs. Pour plus d’informations sur ce sujet, le lecteur peut se référer à Charvet, Bardin-Monnier, et Thomas 2011 et Cadavid-Rodriguez et al. 2014.

Comme autre alternative aux électrofiltres et aux médias fibreux pour la filtration de particules ultrafines, cette étude s’intéresse dans le cadre de ce doctorat aux lits granulaires. En effet, bien qu’initialement moins efficaces et plus résistants à l’écoulement, les lits granulaires piègent les particules dans la profondeur du média et présentent ainsi une dynamique de colmatage différente des médias fibreux. Ce colmatage dans la profondeur pourrait permettre notamment un décolmatage en ligne plus efficace (Chi Tien et Ramarao 2011; Bémer et al. 2015). De plus, une fois la totalité de la capacité de rétention du volume du lit granulaire exploitée, il pourrait également être possible de laver les collecteurs, par exemple via un bain à ultrasons, afin de les réutiliser comme nouveaux médias filtrants. Cette capacité à restaurer la perte de charge en ligne et à être recyclés pourrait peut-être faire des lits granulaires une alternative économiquement viable aux techniques usuelles.

30 Par ailleurs, du fait de la relative abondance de matériaux granulaires résistants à la corrosion ou à des températures élevées, les lits granulaires représenteraient aussi une solution pour certaines industries traitant des aérosols particuliers susceptibles d’endommager les filtres à fibres classiques. Du fait de ces nombreux avantages potentiels, un grand nombre d’études théoriques et expérimentales sur la filtration des aérosols par lits granulaires ont vues le jour depuis les années 1970. Ainsi, les performances initiales en matière d’efficacité et de perte de charge sont particulièrement bien documentées et de nombreux modèles sont aujourd’hui capables de les prédire avec une précision satisfaisante que les particules soient soumises à un ou plusieurs des mécanismes de transport précédemment décrits, i.e., pour toutes les tailles de particules. (Tardos, Abuaf, et Gutfinger 1978; Gutfinger et Tardos 1979). Des revues de ces différents modèles sont disponibles dans la littérature (Chi Tien et Ramarao 2011; C. Tien 2012; Clift, Ghadiri, et Thambimuthu 1981; Coury, Thambimuthu, et Clift 1987). Si l’état initial est décrit avec précision, ce n’est toutefois pas le cas de l’évolution temporelle des performances au cours du colmatage par des aérosols. En effet, une grande proportion des études traitant du colmatage de lit granulaire concerne des cas de filtration en milieu liquide dont des extrapolations à ceux des aérosols s’avèrent compliquées du fait d’interactions très différentes entre le fluide et les particules (Théorie de DLVO) (O’Melia et Ali 1978; C. Tien, Turian, et Pendse 1979). Parmi les études traitant du colmatage de lits granulaires par des aérosols, il n’existe à notre connaissance aucune impliquant des particules ultrafines. En effet, ces travaux se focalisent principalement sur des particules d’au moins 1 µm de diamètre (Walata, Takahashi, et Tien 1986; Jung, Walata, et Tien 1989; Gutfinger, Pnueli, et Fichman 1988). Les mécanismes de transport des particules étant foncièrement différents pour ces deux types de particules, la localisation dans le lit et la forme du dépôt autour des collecteurs peuvent être amenées à changer considérablement (Kasper, Schollmeier, et Meyer 2010). Ces différences de morphologie de dépôt impactant directement l’écoulement du fluide, les résultats de colmatages par des particules microniques sont à nouveau très difficilement extrapolables au cas des PUF. Pour pallier ce manque de connaissance et ainsi pouvoir répondre à la problématique posée par ce travail, une étude expérimentale du colmatage de lits granulaires par des aérosols de particules ultrafines a été réalisée dans un premier temps. Les résultats de ces expériences sont présentés au chapitre suivant.

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