Modes de sédimentation

Les suspensions sédimentent différemment selon les propriétés de surface des particules, la fraction volumique en solide et les propriétés physicochimiques du milieu dispersant. Par exemple, les particules non cohésives (cf. 2.1.1.1) d‟une suspension aqueuse sédimentent isolement à une faible fraction volume, alors que si la fraction est élevée, elles sédimentent en masse. Les particules cohésives quant à elles (cf. 2.1.1.2 et 2.1.1.3), sont susceptibles de s‟agglomérer avant que les agglomérats ne sédimentent soit isolement, soit par petits groupes. Les profils de rétrodiffusion et de transmission permettent de distinguer quatre principaux modes de sédimentation : la sédimentation individuelle, en masse, par compression et la sédimentation hétérogène. Les

Sens de migration des particules

Phénomène d’agglomération des particules

caractéristiques de ces modes de sédimentation ont déjà été décrites par Blazy et ses collaborateurs en 1999 [BLAZY et al., 1999]. Quelques unes de ces caractéristiques qui permettent d‟identifier le mode de sédimentation à travers les profils de transmission ou de rétrodiffusion seront rappelées dans les paragraphes qui suivent.

Figure 3- 3 : Sédimentation individuelle (kaolin P, 0,39 % v) – Gradient de concentration : 1 - Inclinaison du signal de rétrodiffusion - 2 - Décroissance du signal de

rétrodiffusion vers le sommet de la colonne.

3.1.2.1 La sédimentation individuelle

Ce mode de sédimentation intervient lorsque la fraction volumique du solide est approximativement inférieure à 1 % volumique. Elle se caractérise par la formation d‟un gradient de concentration le long de la colonne de sédimentation lié à la migration des particules Figure 3-3. On peut noter également que la lumière transmise est quasiment nulle en raison de la concentration en solide et de la stabilité relative de la suspension conduisant à une fraction en solide homogène sur toute la colonne de sédimentation : il n‟y a pas de clarification au sommet de la colonne. Le transfert de matière se faisant discrètement du sommet de la colonne vers le bas, aucun signe

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tangible qui indiquerait ce transfert ne peut être relevé à l‟exception de la formation du gradient de concentration.

3.1.2.2 La sédimentation en masse

Pour la suspension de Kaolin P, la sédimentation en masse apparaît lorsque la fraction volumique dépasse 0,78 %v. Ce seuil est variable selon la nature des particules et leur taille ainsi que la nature du milieu liquide porteur. Plus précisément, le seuil de transition sédimentation individuelle/sédimentation en masse dépend de la polydispersité du matériau et des caractéristiques physicochimiques du couple matériau et liquide en présence.

Figure 3- 4 : Sédimentation en masse d'une suspension de kaolin P 1,15 %v : - 1 - Clarification du surnageant, - 2 - Front de sédimentation, - 3 - Formation du sédiment.

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La sédimentation en masse se caractérise par la formation d‟un front de sédimentation net qui se déplace vers le bas de la colonne, Figure 3-4. Ce front de sédimentation constitue l‟interface supérieure. C‟est la seule interface qui puisse exister dans un tel mode de sédimentation car le sédiment se distingue à peine de la suspension. Elle se caractérise également par une légère augmentation du niveau de transmission en haut de colonne due à la sédimentation des particules. De même, le niveau de rétrodiffusion en bas de colonne augmente par suite de l‟augmentation de la concentration des particules. Le transfert de matière est matérialisé par le croisement des profils au temps ultérieurs par rapport au début de la sédimentation avec le profil à t = 0. Le profil à t = 0 est considéré par protocole comme le profil de démarrage effectif de la sédimentation. A titre d‟exemples, certains de ces points de croisement sont indiqués par des croix sur les profils rétrodiffusés de la Figure 3-4. On note que ces croisements se meuvent indiquant le caractère irrégulier ou non isobestique du transfert de matière. Dans les suspensions où ces points de croisement sont fixent et se superposent, le transfert de matière est régulier et ordonné : l‟unique point de croisement porte alors le nom de point isobestique.

3.1.2.3 La sédimentation par compression

Dans ce mode de sédimentation, les particules sédimentent en couche, Figure 3-5. Chaque couche exerce une force de compression sur la couche sous-jacente entraînant l‟expulsion du liquide vers le haut de la colonne de manière continue. Contrairement à la sédimentation en masse, il se forme un sédiment clairement identifiable de la suspension. Dans ce cas, deux interfaces se développent : une interface supérieure qui sépare le surnageant de la suspension, et une interface inférieure qui sépare la suspension du sédiment. La formation de deux interfaces exclue la genèse de tout point isobestique. Cela ne veut pas dire pour autant, dans ce type de mode de sédimentation, que le transfert de matière est irrégulier. En effet, on sait peu de chose puisque le transfert se produit par l‟intermédiaire d‟une suspension épaisse. Nous avons observé ce mode de sédimentation aux fractions volumiques comprises entre 3,24 %v et 8,77 %v pour le kaolin P.

Figure 3- 5 : Sédimentation par compression (suspension de kaolin P de 2.70 %v) : - 1 - Surnageant : liquide expulsé d‟entre les couches, - 2 - Zone de compression.

3.1.2.4 La sédimentation hétérogène

Ce mode de sédimentation est nommé ainsi parce qu‟en plus de la sédimentation par compression, des perturbations interviennent lors de la séparation des phases. Elle se caractérise par la formation d‟une structure compacte entre les couches de particules qui

sédimentent, Figure 3-6. Cette structure compacte empêche le mouvement ascendant du

liquide entraînant la formation de canaux d‟évacuation par intervalle de temps à travers la suspension. Dans ce mode de sédimentation, on ne note plus que la présence d‟une seule interface, l‟interface supérieure. L‟interface inférieure disparaît car le sédiment et la suspension se confondent compte tenu de la fraction volumique élevée du solide. De telles suspensions se composent de deux parties au cours de la sédimentation : un sédiment qui occupe approximativement les 5/6 de la hauteur de la colonne et un liquide

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surnageant qui occupe les 1/6 de la colonne de sédimentation. La sédimentation hétérogène intervient lorsque la fraction volumique est supérieure à 8,7 %v.

Figure 3- 6 : Sédimentation hétérogène (suspension de kaolin P, 8.7 %v) - 1 - Pas de liquide surnageant - 2 - Pas de sédiment au fond du tube : l‟ensemble forme une

structure compacte qui s‟affaisse lentement.

La sédimentation par compression et la sédimentation hétérogène ne permettent pas de déterminer les cinétiques de sédimentation des particules. En effet, la forte concentration des particules diminue considérablement leur possibilité de migration. A l‟inverse, il est possible de déterminer différentes cinétiques de sédimentation pour les modes de sédimentation individuelle et en masse, chacune d‟elles correspondant à un phénomène physique distinct à l‟échelle de l‟échantillon. La définition de ces différentes cinétiques a été donnée au début de ce chapitre, § 3.1.1.1. Dans la section qui suit, nous allons maintenant développer et motiver le choix de l‟une de ces cinétiques pour la détermination de la vitesse de sédimentation et du diamètre des particules.

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3.1.3 Choix de la cinétique pour la détermination de la vitesse