Volume final des flocs

L’étude des vitesses de décantation des flocs présentée précédemment nous a poussés à nous intéresser à leur volume final après décantation. Cette mesure présente deux intérêts. D’une part, elle peut permettre de déterminer les conditions permettant d’obtenir un volume de floc le plus petit possible. En termes d’application pour le traitement de l’eau, un faible volume de floc permet de meilleurs rendements et un recyclage facilité des boues constituées par les flocs. D’autre part, comme nous allons le voir, la mesure du volume des flocs peut permettre d’effectuer quelques hypothèses sur leur structure. Pour cela, nous avons choisi de prendre une photo des échantillons après 3 jours de décantation sous H ou après 2 semaines de décantation sous G.

La détermination des volumes de flocs nous a permis d’estimer dans un premier temps les pourcentages volumiques en eau, en argile et en NP dans les flocs. Les calculs quantitatifs effectués montrent que le pourcentage volumique en eau dans les flocs est supérieur à 99%, tandis que les pourcentages en solide restent inférieurs à 1%. Il est important de noter qu’une analyse thermogravimétrique préalable a été effectuée sur certains échantillons, et que cette étude complémentaire a confirmé que les flocs sont majoritairement constitués d’eau (ils possèdent de plus de 99% d’eau en masse). Ceci indique que l’essentiel du volume des flocs est dû à l’eau et que la contribution des plaquettes d’argile et des NP au volume total est extrêmement faible. Malgré cela, nous avons pu mettre en avant trois facteurs qui influencent le volume final des flocs.

Le premier paramètre est la quantité d’argile. En effet, nous remarquons sur la Figure 24, que pour une valeur de R fixée (ici R=10, décantation sous G), le volume final du floc augmente avec la concentration initiale en argile.

Figure 24 : Evolution du volume final des flocs T500/D10 en fonction de la concentration initiale en argile

Ce résultat s’explique par le fait que les pourcentages volumiques des trois constituants des flocs (eau, argile et NP) varient peu avec la concentration initiale en argile (à R constant). Autrement dit le volume des flocs est quasi-proportionnel aux quantités initiales d’argile et de NP dans la suspension, ce qui pourrait indiquer qu’à R constant la structure des flocs est indépendante de la concentration initiale en argile.

Figure 25 : Evolution du volume final des flocs en fonction du mode de décantation et du rapport R. ([Argile] = 1,5 g/L)

Le second paramètre est le mode de décantation utilisé. Nous voyons clairement sur la Figure 25 que les volumes les plus faibles sont obtenus pour les flocs ayant décantés sous le

0 1 2 3 4 5 6 7

[Argile]=7,5g/L [Argile]=1,5g/L [Argile]=0,15g/L

V ol u m e f in al d e s fl oc s (m L) R=10 0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400 500 600 V ol u m e (m L) R

Champ magnétique Gravité

R=130 Point isoélectrique

volume sous H et le volume sous G semble s’accroître avec R pour de faibles valeurs de celui-ci, puis reste à peu près constant pour les valeurs de R les plus élevées.

Ce résultat s’explique par le fait que la force magnétique résultant du gradient de champ magnétique étant beaucoup plus importante que la force de gravité (surtout en fin de décantation, à proximité de l’aimant), elle conduit à une plus forte compression des flocs. La force magnétique augmentant avec R (cf. partie III.4.5), l’effet de compression dû au champ magnétique est plus fort aux plus grandes valeurs de R. Cette compression due à H conduit à une forte diminution du volume d’eau dans les flocs. (Par exemple pour R=195, le volume d’eau est divisé par 4 lorsque nous comparons les deux modes de décantation, ce qui se traduit par une faible diminution du pourcentage volumique en eau de 99,9% à 99,6%) Enfin le dernier facteur qui influence le volume final des flocs est la quantité de NP. Nous remarquons dans la Figure 25 deux zones. Pour des valeurs de R<130 qui correspond au point isoélectrique, le volume final après décantation sous G augmente avec le coefficient R. Après le point isoélectrique, nous voyons que ce volume final des flocs diminue au fur et à mesure que l’on ajoute des NP. Cette tendance est également observée sous H mais l’augmentation première du volume avec R est plus faible et ne se produit qu’avant R=40. Pour interpréter ces résultats, nous pouvons penser qu’à faible valeur de R l’ajout de NP aux plaquettes d’argiles perturbe progressivement l’arrangement des plaquettes d’argile après décantation et entraîne l’apparition d’agrégats désordonnés de plus en plus gros expliquant l’augmentation de ce volume final (le volume d’eau augmente alors dans les flocs). Puis en ce qui concerne les flocs décantés sous gravité, l’ajout de NP entraîne une augmentation de la densité des flocs, la compression due à la gravité devient plus forte et les volumes diminuent. Pour expliquer que ce phénomène devienne prédominant au-delà du point isoélectrique, il semble que la taille des agrégats désordonnés est maximum au point isoélectrique, la répulsion électrostatique entre particules de floc étant alors minimum. Pour les flocs décantés sous le gradient de champ magnétique, l’ajout de NP entraîne l’augmentation de la susceptibilité magnétique des flocs, ce qui fait que la compression due à l’aimant est de plus en plus importante. Cet effet de compression étant bien plus intense que celui résultant de la gravité, il l’emporte sur les phénomènes d’agrégation désordonnés dès R>40. Compte-tenu de ces résultats, nous avons pensé qu’il serait intéressant d’aller plus loin et de mesurer la taille des particules de flocs.