> Techniques séparatives particules / gaz Application aux particules fines, ultrafines et aux nanoparticules

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1 Ecole des Mines de Nantes Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 > Techniques séparatives particules / gaz Application aux particules fines, ultrafines et aux nanoparticules Aurélie Joubert, Maitre-Assisante Associée aurelie.joubert@mines-nantes.fr nantes.fr direction des études juin 2009 page 1

2 > Le monde des poussières > Forces agissant sur les poussières Force de gravité Attraction moléculaire Forces de cohésion Forces d adhésion (Van der Waals) Attraction électrique (ou répulsion) Diamètre de l objet 1 cm 1 mm 0,1 mm Forces de cohésion / Force de gravité 1/ sucre cristal sucre glace Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 2

3 5 grandes techniques de séparation > Chambre de sédimentation > Séparateur centrifuge (cyclone) > Dépoussiéreur humide > Électrofiltre > Filtration sur media fibreux Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 3

4 Le Coq, Techniques de l Ingénieur Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 4

5 > Principe Chambre de sédimentation Utilisation de la pesanteur comme moyen de séparation après ralentissement du courant poussiéreux. Applicable aux particules de plus de 50 à 100 µm de diamètre. Ve vitesse d entraînement = vitesse du gaz Vc vitesse de chute résultante Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 5

6 Chambre de sédimentation L entrée du gaz sortie du gaz H Avantage + Inconvénients - structure très simple encombrement faible efficacité pour dp < 100 µm Technique de séparation non adaptée aux particules ultrafines Technique de prétraitement Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 6

7 Évolution des dépoussiéreurs Amélioration de l efficacité de dépôt d une particule : > Augmentation de la force active g Par une force centrifuge Dépoussiéreurs à chicanes Par une force électrique Électrofiltres Séparateurs centrifuges (cyclones) > Augmentation artificielle de dp Par capture dans des gouttelettes liquides Dépoussiéreurs hydrauliques Électrofiltres humides Par agglomération électrique ou sonique Seuls les filtres à gaz fonctionnement d après un principe différent Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 7

8 Séparateur centrifuge > Principe Les + grosses particules sont projetées sur les parois du cyclone par accélération centrifuge. Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 8

9 Séparateur centrifuge > Avantages - Inconvénients Avantages + Inconvénient - structure simple faible coût hautes P et T faible encombrement faible efficacité pour dp < 5 µm Technique de séparation non adaptée aux particules ultrafines Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 9

10 > Principe Dépoussiéreur humide Deux mécanismes de capture des poussières : par impaction sur une paroi humide (colonne à plateaux, à garnissage ) par collision (impaction) avec une dispersion de gouttelettes de liquide injectées dans le gaz (Venturi, colonne à pulvérisation) D : diamètre gouttelette Vg : vitesse gouttelette Vr : vitesse relative de la gouttelette et de la particule Vr=Vg-Vp Vp : vitesse particule = vitesse de sédimentation Vs Vg Vp Efficacité augmente quand : D diminue (mais difficile à générer et à séparer) Vr augmente Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 10

11 Dépoussiéreur humide > Venturi scrubber > Tour de pulvérisation > Colonne à garnissage Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 11

12 Dépoussiéreur humide > Avantages - Inconvénients Avantage + Inconvénient - absorption de polluants gazeux faible efficacité pour dp < 1 µm (Venturi) Technique de séparation non adaptée aux particules ultrafines Technique employée pour absorption des gaz Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 12

13 Électrofiltre > Principe Les particules traversent un champ électrique et se chargent ; puis, elles sont déviées par le champ et recueillies sur les électrodes de collecte. Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 13

14 Électrofiltre > Tension négative tension positive Effet couronne Ionisation du gaz par les UV Tension électrode centrale - + Paroi potentiel 0 potentiel 0 Electrode émissive électrode centrale : cathode paroi : cathode Collecte des électrons paroi : anode électrode centrale : anode Claquage Intensité décharge Réactivité chimique Plus de collision avec les molécules plus rapide plus faible Plus faible moins de formation d ozone Taille industrielle Qualité d ambiance Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 14

15 > Électrofiltre à plaque Électrofiltre > Électrofiltre à électrode en nid d abeille > Électrofiltre à deux étages Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 15

16 Électrofiltre > Avantages / Inconvénients Avantages + Inconvénient - efficacité de collecte importante pour dp < 1 µm faible coût opératoire faible perte de charge (pas d encrassement) adapté aux aérosols polydispersés et aux variations de charge inactivation des microorganismes efficacité de collecte dépend de la résistivité électrique des particules (# composition chimique et T) Résistivité optimale des particules : Ω.cm Technique de séparation adaptée aux particules fines Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 16

17 Électrofiltre > Précipitateur électrostatique humide (WESP) > Principe Augmentation de l humidité du gaz afin d augmenter par adsorption la conductivité en surface des particules. > Utilisation Particules avec une grande résistivité > Avantage Elimination combinée de composés gazeux (HCl, SO 2, HF ) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 17

18 Filtration sur media fibreux > Principe L air chargé de particules traverse le medium poreux. Les particules sont capturées par le medium et le gaz épuré traverse le medium. Avantages + Inconvénients - grande efficacité de collecte pas de problème de corrosion efficacité de collecte indépendante de la résistivité des particules important coût de maintenance encrassement (perte de charge) limitation de température (selon media) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 18

19 Filtration sur media fibreux > Mécanismes de filtration diffusion Brownienne interception directe impaction inertielle effet tamis forces électrostatiques Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 19

20 Filtration sur media fibreux > Efficacité de collecte Efficacité unitaire (fibre) Diffusion Brownienne d p <0,1 µm Interception directe d p >0,1 µm Impaction inertielle d p >0,5 µm d f : diamètre des fibres d p : diamètre des particules V f : vitesse de filtration ρ p : masse volumique des particules Grandeur étudiée d fv f Nombre de Peclet Pe = Ddiff d Nombre d interception R = d p f g 2 p Ccρ pd V Nombre de Stokes St = 18μ d µ g : viscosité dynamique de l air D diff : coefficient de diffusion C c coefficient de Cunningham f f Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 20

21 Filtration sur media fibreux > Efficacité de collecte Efficacité unitaire totale ( 1 η) = ( 1 η ) ( 1 η ) ( 1 η ) η = η i i ou + η r r + η d d Des modèles empiriques sont disponibles dans la littérature pour estimer η i, η r et η d Efficacité totale pour une couche filtrante Z E = 1 exp 4 α Z η π ( 1 α) d f α : compacité du media Z : épaisseur du media d f : diamètre des fibres Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 21

22 Filtration sur media fibreux > Efficacité de collecte Most Penetrating Particle Size (MPPS) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 22

23 Filtration sur media fibreux > Rebond thermique Thomas et al., INRS-Hygiène et sécurité du travail (2008) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 23

24 Filtration sur media fibreux > Media filtrants Filtre Moyenne efficacité Haute efficacité HEPA et ULPA Matériel non tissé en fibres de verre non tissé en fibres synthétiques (polyester) mousse synthétique (polyuréthane, polyester) tissé en métal (acier inoxidable) filtre en tissu (cellulose, fibres de verre) non tissé en fibres de verre non tissé en fibres synthétiques non tissé en fibres de verre 100 µm Media non tissé 1 mm Media tissé Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 24

25 Filtration sur media fibreux > Colmatage des filtres Pressure drop Cake filtration Efficiency Surface area reduction Pleated filter Flat filter In-deph filtration Collected surface mass Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 25

26 Filtration sur media fibreux > Efficacité des media filtrants 1 part. sur 100 traverse le filtre 1 part. sur 10 6 traverse le filtre Thomas et al., INRS-Hygiène et sécurité du travail (2008) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 26

27 Filtration sur media fibreux > Filtre à manches > Panneau filtrant > Filtre à poches > Filtre à cartouche Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 27

28 > Comparaison des techniques Type de séparateur Mécanisme(s) de collecte Surface de collecte Chambres de sédimentation Cyclones Électrofiltres Dépoussiéreurs humides Media fibreux Sédimentation Force centrifuge Force électrostatique Inertie (principalement) Diffusion, forces électrostatiques Paroi non perméable Paroi non perméable Paroi non perméable Gouttelettes Fibres Peukert and Wadenpohl, Powder Tech. 118 (2001) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 28

29 > Comparaison des efficacités 100 Efficiency (%) HEPA filter ESP high efficiency venturi granula bed wet scrubber high efficiency cyclone cyclone 50 0,01 0, Particle diameter (µm) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 29

30 > Comparaison media fibreux Électrofiltres > Avantages des techniques Électrofiltres faible perte de charge (pas d encrassement) faible coût opératoire inactivation des microorganismes Media fibreux grande efficacité de collecte selon media pour particules ultrafines efficacité de collecte indépendante de la résistivité des particules système compact (cartouches) Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 30

31 > Quelle place pour la filtration dans la maîtrise des risques? Filtration Media filtrant, ESP Protection des travailleurs Protection de l environnement Individuelle port d EPI pour les voies respiratoires Collective confinement des émissions : BAG, aspiration à la source Traitement des effluents gazeux avant rejet : réseau de ventilation Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 31

32 > Techniques innovantes Exemple : électrocyclones > Principe : Agglomération des particules par un champ électrique à l aide d une électrode centrale placée dans le cyclone. > Applications : Particules ultrafines et nanoparticules à forte conductivité Efficacité testée pour des particules primaires de suie de diesel de nm agrégats de plusieurs µm Inefficace pour fumée de silice Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 32

33 > Conclusions > Techniques de séparation adaptées aux particules fines : média fibreux filtrants électrofiltres > La filtration sur media fibreux est la technique la plus efficace et la plus répandue pour les particules ultrafines et nanoparticules > Problématiques liées à l efficacité de filtration : fuites au niveau des masques EPI ou filtres des réseaux de ventilation bon captage à la source Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 33

34 Merci pour votre attention Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 École des Mines de Nantes Aurélie Joubert, Maitre-Assisante Associée aurelie.joubert@mines-nantes.fr nantes.fr Jeudis de l Environnement 9 décembre 2010 page 34