Chapitre III . Etude de la flottation réactive d’une matière première industrielle avec
IV. Influence du changement du débit du gaz sur la flottation
Avec le nouveau générateur d’ozone à disposition, une concentration d’ozone élevée a pu être
testée (160 g/m3 TPN). Les précédents travaux ont utilisé des doses d’ozone plus faibles (30 et 64
g/m3 TPN). Dans le but d’étudier des concentrations intermédiaires entre 100 et 120 g/m3 TPN, le
débit du gaz et le temps de flottation ont été modifiés, en conservant le volume de la suspension fibreuse pour respecter le taux d’air de 200% et le volume de suspension fibreuse imposé de 15 L. Un essai de flottation a donc été réalisé dans les conditions suivantes :
- Débit du gaz : 4L/min au lieu de 3 L/min
- Durée de flottation : 7 min 30 au lieu de 10 min
- Température : 40°C
- Concentration fibreuse : 1% en masse
Des essais de flottation à l’air avec un débit de 4 et 3 L/min ont été comparés. De même pour les essais de flottation réactive à l’ozone. Malheureusement, le générateur d’ozone n’a pas permis
de stabiliser la concentration en ozone à une valeur plus basse (100-120 g/m3 TPN) que 160 g/m3
TPN. Les résultats obtenus pour chaque type de flottation sont comparés pour étudier l’effet du changement du débit sur les performances de la flottation et la qualité de la pâte. La dose d’ozone,
quant à elle, est restée fixe 160 g/m3 TPN.
Le tableau III-15 présente les résultats obtenus pour la flottation à l’air
Tableau III-15.Influence du débit du gaz et du temps de flottation sur l'efficacité de la flottation à l’air
Flottation conventionnelle à l’air
débit 3 L/min débit 4 L/min
ERIC (ppm) 577 ± 50 301 ± 50
IR (%) 65,4 80,8
Rendement (%) 86,2 85,4
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Lorsque le débit augmente et que le temps est réduit, le rendement diminue de 1 point environ (Tableau III-15). En parallèle le taux d’encre éliminé augmente fortement en passant de 65,4 à 80,8% ce qui conduit à des teneurs en encre résiduelle (ERIC) plus faible. Beneventi a pu démontrer que l'augmentation du débit de gaz induit une augmentation linéaire du taux d’élimination d'encre ; il a expliqué ces résultats par l'augmentation de la vitesse superficielle du gaz qui engendre une réduction du temps de rétention de la mousse dans la cellule de flottation (Beneventi et al. 2006).
Dans le cas de la flottation avec ozone, les résultats sont présentés dans le tableau III-16. Tableau III-16.Influence du débit du gaz et du temps de flottation sur l'efficacité de la flottation réactive à l’ozone
Flottation O3/O2 (160 g/m3 TPN)
débit 3 L/min débit 4 L/min
ERIC (ppm) 613 ± 50 679 ± 50
IR (%) 51,8 58,0
Rendement (%) 87,1 86,9
L’augmentation du débit dans un temps de flottation moins important signifie qu’on introduit plus d’ozone dans un intervalle de temps plus court. D’après les résultats (tableau III-16), le taux d’élimination de l’encre augmente de 6 points lorsque le débit passe de 3 à 4 L/min. Cette augmentation est moins importante que dans le cas de la flottation à l’air. De même que les rendements, la teneur en encre résiduelle (ERIC) sont proches pour les deux débits. Cette différence entre la flottation à l’air et à l’ozone est probablement due à des comportements différents des bulles d’air et du mélange gazeux ozone/oxygène dans la cellule de flottation. Le suivi des bulles de gaz des différents systèmes en mesurant la taille des bulles d’ozone ou par analyse d’image aurait pu nous aider à comprendre ces résultats. Ceci n’a pas pu être réalisé, faute d’équipement d’analyse adapté à des gaz corrosifs comme l’ozone.
En ce qui concerne la consommation d’ozone, pour les deux débits et temps testés, la masse d’ozone consommée au cours du procédé de flottation est identique : 4,23 g pour la flottation à 3L/min et 4,36 g pour la flottation à 4 L/min. Ainsi, l’ozone est très rapidement et totalement consommé aux deux débits.
Pour résumer, il nous a été impossible d’étudier l’influence d’une dose d’ozone plus faible
que 160 g/m3 TPN et supérieure à 64 g/m3 TPN. En revanche nous avons pu étudier l’effet de
l’augmentation du débit de gaz et la diminution du temps de flottation sur les performances de l’opération du désencrage avec l’air et le mélange gazeux ozone/oxygène. Conformément à la littérature, l’augmentation du débit de gaz engendre une augmentation du taux d’élimination d’encre (IR, %) au cours de la flottation conventionnelle à l’air. Cependant, la flottation réactive à
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l’ozone ne répond pas de la même manière à cette augmentation du débit. Malheureusement, nous n’avons pas pu apporter des explications plus précises à ces observations faute de matériels et de temps.
V. Conclusion
Les résultats obtenus sur le mélange de vieux journaux et magazines permettent de conclure que la flottation réactive réalisée avec une concentration en ozone importante (2,97% par rapport à la masse de fibres en sec) conduit à une baisse de l’efficacité de l’élimination de l’encre par rapport à la flottation conventionnelle à l’air mais en revanche, elle permet un gain de rendement intéressant d’un point de vue industriel (+ 1 point). Les azurants optiques présents dans la formulation des vieux papiers désencrés sont en grande partie détruits par l’ozone au cours de la flottation. En revanche, la flottation réactive induit un phénomène de jaunissement des fibres dû à la nature de la composition fibreuse riche en pâte mécanique. Ceci impacte négativement la blancheur des fibres désencrées (Bl UVEXC : 53,0%).
Les bénéfices les plus importants concernent la réduction de la DCO soluble des effluents. Face à des normes environnementales de plus en plus sévères, la limitation de la DCO des effluents et l’augmentation des rendements (réduction des rejets) sont les défis actuels. La flottation réactive à l’ozone a conduit à une baisse de la DCO des effluents de la suspension fibreuse et des mousses de 64 et 40% respectivement avec un accroissement du rendement fibreux de +1 %. Cet effet d’abattement de DCO a été aussi mis en évidence avec des concentrations d’ozone plus basses mais était moins important (Marlin et al. 2013).
L’aptitude papetière des pâtes désencrées par la flottation réactive à l’ozone n’avait jamais été examinée auparavant. Il a été montré, dans ce chapitre, que l’ajout de l’ozone au cours de la flottation d’un mélange journal magazine n’affecte pas les propriétés de résistance des fibres. L’ozone semble peu réactif sur les fibres de cellulose même à forte dose. Il est probable que les contaminants solubles jouent un rôle protecteur des fibres en réagissant principalement avec l’ozone, préservant ainsi les fibres de toute réaction. Ceci est en accord avec la baisse significative de la DCO des effluents de désencrage.
Ce procédé semble globalement moins performant que la flottation classique en termes d’élimination de l’encre et peut conduire à des pâtes désencrées moins blanches avec un effet de jaunissement observé dès que la matière première contient de la pâte mécanique en grande proportion mais les résultats restent toutefois intéressants et nous encouragent à évaluer l’effet de la flottation réactive à l’ozone sur d’autres types de matière première, contenant peu de pâte
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mécanique. Ainsi dans le chapitre V, la flottation réactive à l’ozone sera appliquée à des matières fibreuses sans bois (contenant moins de 10% de pâte mécanique), pour la production de la pâte marchande. L’objectif est d’explorer tout le potentiel de la flottation réactive à l’ozone en évaluant quelle matière première est la plus adaptée à ce nouveau procédé. En parallèle, l’effet de l’ozone
sur différents types de fibres sera investigué afin d’évaluer l’impact de O3 sur la qualité des fibres
désencrées. Afin de mieux comprendre les phénomènes impliqués, tous les essais seront conduits sur des modèles de pâtes à désencrer, en l’absence d’encre, avec des compositions fibreuses variables.
Avant de tester la flottation réactive sur un autre type de matière première, nous avons estimé qu’il était nécessaire de comprendre le comportement de l’ozone dans la cellule de flottation en absence des fibres. Dans le chapitre IV, l’objectif sera d’étudier l’effet de la qualité de l’eau, le pH et les contaminants de la suspension fibreuse sur la réactivité de l’ozone au cours de l’ozonation des différents types d’eau (consommation d’ozone, constante cinétique, DCO, etc…). En outre, l’un des objectifs initiaux de cette étude étant l’introduction de l’ozone dans des opérations unitaires en amont et en aval de l’opération de désencrage, la stabilité de l’eau ozonée après ozonation pour une éventuelle utilisation dans la ligne de désencrage, potentiellement dans le pulpeur, sera aussi étudiée dans le chapitre suivant.
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Références bibliographiques (Chapitre III)
Almeida, F., Marlin, N., Beneventi, D., and Aurousseau, M. (2010). Innovative flotation process
for offset printed recovered paper using reactive O3/O2 gas mixture. Journal of Pulp and Paper
Science, 36(1–2):42–48.
Almeida, F.O. (2009). Etude de la flottation réactive à l’ozone en vue de valorisation des fibres cellulosiques de récupération et des rejets du recyclage (Thèse de Doctorat). Institut National Polytechnique de Grenoble, Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers, LGP2.
Beneventi, D. (2002). Selectivity in deinking flotation: physico-chemical aspects (Thesis). Institut National Polytechnique de Grenoble, Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers, LGP2.
Beneventi, D., Allix, J., Zeno, E., Nortier, P., and Carré, B. (2009a). Simulation of surfactant
contribution to ink removal selectivity in flotation deinking lines. Separation and Purification
Technology, 64(3):357–367.
Beneventi, D., Almeida, F., Marlin, N., Curtil, D., Salgueiro, L., and Aurousseau, M. (2009b).
Hydrodynamics and recovered papers deinking in an ozone flotation column. Chemical
Engineering and Processing: Process Intensification, 48(11):1517–1526.
Beneventi, D., Rousset, X., and Zeno, E. (2006). Modelling transport phenomena in a flotation
de-inking column: Focus on gas flow, pulp and froth retention time. International Journal of Mineral
Processing, 80(1):43–57.
Carré, B., Magnin, L., Galland, G., and Vernac, Y. (2000). Deinking difficulties related to ink
formulation, printing process, and type of paper. Tappi Journal, 83(6):60.
Carré, B., Vernac, Y., and Beneventi, D. (2001). Reduction of flotation losses, Part 2: Detrimental
effect of released surfactants on flotation efficiency. Pulp and Paper Canada, 102(7):26–29.
Carter, H.A. (1996). The Chemistry of Paper Preservation: Part 2. The Yellowing of Paper and
Conservation Bleaching. Journal of Chemical Education, 73(11):1068.
Hans Ulrich, S., Del Grosso, M., and Hope, B. (2000). The effect of pH and different alkalization sources on brightness in flotation deinking. Presented at the 54 th Appita Annual Conference Proceedings, Melbourne, Austria, pp. 465–469.
Haveri, M. and LE Ny, C. (2003). The role of ONP/OMG in ink detachment and removal. ATIP,
57(3):16–22.
Hérisson, A. (2018). Flottation réactive à l’ozone de contaminants modèles issus de papiers récupérés : étude hydrodynamique et réactivité (Thèse de Doctorat). Communauté Université Grenoble Alpes, Laboratoire de Génie des Procédés Papetiers, LGP2.
ISO 5267-1 (1999). Pulps - Determination of drainability - Part 1: Schopper-Riegler method. Jebrane, M. (2009). Fonctionnalisation chimique du bois par transesterification des esters d’enol (thesis). Université Bordeaux 1.
Lachenal, D. (1994). Bleaching of secondary fibers - Basic principles. Progress in Paper
Recycling, 37–43.
Lachenal, D. and Bourne, C. (1996). Amélioration des caractéristiques physiques des pâtes de fibres recyclées. Partie I: Propriétés optiques des mélanges de pâtes chimiques et mécaniques.
ATIP. Association technique de l’industrie papetière, 50(5):158–165.
Lapierre, L., Pitre, D., and Dorris, G. (2006). Ink detachment, fragmentation and alkali darkening
during pulping of ONP:OMG. Part I: Effects of alkalinity and silicate. Journal of Pulp and Paper
152
Lemeune, S., Barbe, J.M., Trichet, A., and Guilard, R. (2000). Degradation of Cellulose Models During an Ozone Treatment. Ozonation of Glucose and Cellobiose With Oxygen or Nitrogen as
Carrier Gas at Different pH. Ozone: Science & Engineering, 22(5):447–460.
Marlin, N., Almeida, F., Aurousseau, M., Herisson, A., and Beneventi, D. (2013). Innovative
Ozone/Oxygen Reactive Flotation for Paper Deinking. Ozone: Science & Engineering, 35(5):381–
389.
Marlin, N. and Carré, B. (2016). Chapter 4: Recycled Fibers., in Lignocellulosics Fibers and Wood
Handbook: Renewable Materials for Today’s Environment. Belgacem N. and Pizzi A, John Wiley
& Sons, pp. 107–130.
Mishra, S.P., Lachenal, D., and Chirat, C. (2011). Benefits of ozone bleaching. Pulp and Paper
International (PPI), 27–33.
Muguet, M. and Kogan, J. (American A.L. (1993). Ozone bleaching of recycled paper. Tappi
Journal; (United States), 76(11).
Nompex, P., Doré, M., Laat, J.D., Bawa, M., and Legube, B. (1991). Ozonation of Selected
Molecules Constituting Cellular Matter. Ozone: Science & Engineering, 13(3):265–286.
Nourbakhsh, A., Ashori, A., and Jahan-Latibari, A. (2010). Evaluation of the Physical and
Mechanical Properties of Medium Density Fiberboard Made from Old Newsprint Fibers. Journal
of Reinforced Plastics and Composites, 29(1):5–11.
Perrin, J., Pouyet, F., Chirat, C., and Lachenal, D. (2014). Formation of Carbonyl and Carboxyl
Groups on Cellulosic Pulps: Effect on Alkali Resistance. BioResources, 9(4):7299-7310–7310.
Pipon, G., Chirat, C., and Lachenal, D. (2007). Comparative effect of ozone, chlorine dioxide, and hydrogen peroxide on lignin: Reactions affecting pulp colour in the final bleaching stage.
Holzforschung, 61(6).
Pouyet, F., Chirat, C., and Lachenal, D. (2013). On the Origin of Cellulose Depolymerization
During Ozone Treatment of Hardwood Kraft Pulp. BioResources, 8(4):5289–5298.
Reis, A.S. and Barrozo, M.A.S. (2016). A study on bubble formation and its relation with the
performance of apatite flotation. Separation and Purification Technology, 161:112–120.
Szadeczki, M. (1997). Ozonation de pâte thermomécanique - Ozonation de mélanges de pâtes thermomécaniques et chimiques - Application aux fibres recyclées (Thèse de Doctorat). Institut National Polytechnique de Grenoble, Laboratoire de Génie des Procédés de l’Ecole Française de Papeterie et Industries Graphiques.
X. Meng, M. (1997). Ozone removal fluorescent whitening agents (FWA’s) from pulp. Presented at the Pulping Conference, TAPPI, San Francisco, pp. 1141–1153.
155