Filtration

Introduction
par Dominique LECLERC
Ingnieur de lcole nationale suprieure de chimie de Lille, Docteur s sciences
Professeur lUniversit Henri-Poincar de Nancy
Laboratoire des sciences du gnie chimique CNRS - ENSIC
Institut national polytechnique de Lorraine
et Grard BALUAIS
Docteur s sciences
Ingnieur de recherche
Chef de groupe, unit Gnie des procds
Pchiney, Centre de recherches de Voreppe

e but dune opration de filtration est la sparation dune phase continue

L (liquide ou gazeuse) et dune phase disperse (solide ou liquide), initiale-
ment mlanges.
Suivant les cas, on cherche rcuprer :
soit la phase continue dbarrasse au maximum de la phase disperse (fil-
tration de lair ou de leau, dune huile moteur, dun liquide alimentaire, etc.);
soit la phase disperse (rcupration dun prcipit cristallin, de poussires
de mtal prcieux dans des fumes, etc.);
soit lune et lautre phases si leur intrt conomique le justifie.
Les deux phases en prsence peuvent tre :
un gaz et un solide (fumes);
un gaz et un liquide (brouillard);
un liquide et un solide (suspension);
deux liquides immiscibles (mulsion).
On se limitera, dans ce qui suit, essentiellement ltude de la filtration des
mlanges liquide-solide, bien que de nombreux principes gnraux soient appli-
cables aux autres types de filtration. Un tel mlange, ou suspension, est aussi
appel prfilt.
Au-del du filtre, on rcupre un liquide plus ou moins bien purifi, baptis fil-
trat ou parfois eaux mres.
Pour sparer au mieux les deux constituants du prfilt, deux techniques sont
applicables : la filtration sur support et la filtration en profondeur.
Filtration sur support
On amne la suspension au-dessus dun support (grille, toile, membrane, etc.)
sur lequel les particules vont se dposer sous la forme dun gteau ou tourteau
dpaisseur croissante. Le filtrat sera plus ou moins pur suivant les dimensions
des particules, la texture du support et le temps.
La filtration sur support est galement appele filtration en surface, sur mem-
brane, ou gteau (cake filtration).
On lutilise en gnral pour la filtration de suspensions assez fortement
charges en matires solides.

Filtration en profondeur
On fait scouler la suspension travers une masse poreuse (couche de sable
ou de graviers, particules agglomres sous forme de disques, cylindres, bou-
gies, etc.). Il existe, entre les grains, des pores tortueux, dont les dimensions
sont en gnral trs suprieures celles des particules de la suspension. Lexp-

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Techniques de lIngnieur, trait Gnie des procds J 3 500 1
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rience prouve cependant que des particules de la suspension vont se

les pores de la masse poreuse en se coinant entre des grains ou en s
dans des anfractuosits, ou en se collant contre les surfaces de
sensuit un colmatage progressif de la masse poreuse. Le filtrat sort
moins pur suivant la texture de cette masse, la forme des particules
leur rpartition granulomtrique, les proprits physico-chimiques d
les et du filtrat, lpaisseur de la couche filtrante, le temps, le
suspension, etc.
Cette filtration, dite dans la masse, sur lit de sable ou en profondeu
tration), est en gnral utilise pour les suspensions relativement pe
en matires solides, celles-ci tant presque toujours des impurets.
Pression de filtration
Dans le cas de la filtration sur support comme dans celui de la filtrat
fondeur, il est ncessaire de fournir une certaine nergie la suspe
arriver lui faire traverser le filtre : lorsquun filtre dans la masse se
rsistance lcoulement crot et il en est de mme quand lpaisseu
augmente lors dune filtration sur support.
Une pression ntant pas autre chose que lnergie du fluide pa
volume, il faut donc quil existe une diffrence de pression (dsorm
lera simplement de pression) positive entre lamont et laval de llm
Cette pression peut dcouler du simple poids (par unit de surface
pension au-dessus du filtre. Mais on peut aussi remplacer la gravit
centrifuge, mettant ainsi en jeu des nergies trs suprieures (filtres
ses centrifuges).
On peut galement enfermer la suspension (et ventuellement le
une enceinte tanche mise sous pression gazeuse, cas des monte-j
On peut accrotre la pression lentre du filtre en lalimentant par
( piston plongeur, membrane, centrifuge, etc.).
Enfin, on peut mettre la sortie du filtre en dpression par rapport
phre (filtres sous vide).
Par ailleurs, la rsistance lcoulement croissant avec le temps,
que, si le filtre est aliment sous pression constante, le dbit dimin
temps, tandis que, si lon dsire un dbit constant, il est ncessaire
rgulirement la pression de filtration.
Schmatiquement donc, on peut envisager des filtres fonctionnant
sion constante, dbit constant, ou dbit et pression variables.
Les filtres sous vide travaillent gnralement sous pression cons
pression tant lcart entre la pression atmosphrique et le vide se
constant fourni par une pompe vide, un jecteur, une jambe barom
Il en est souvent de mme pour les monte-jus , si la pression du
sus de la suspension ne varie pas de faon notable au cours de la filt
Un filtre aliment par gravit fonctionne soit sous pression variabl
pension est amene sur le filtre en une fois et que sa hauteur diminue
le temps, soit sous pression constante si un systme de trop-plein, pa
maintient cette hauteur toujours la mme valeur au-dessus du filtre
Modes dalimentation des filtres
Si la suspension est amene sur le filtre par pompe, plusieurs mode
tation peuvent tre envisags. Si lon utilise une pompe volumtriqu
plongeur ou membrane par exemple, donc vitesse relativement le
ticulier lorsque la suspension a t flocule et contient donc des ag
relativement fragiles), lalimentation sera faite, en principe, dbit m
tant, deux cas pratiques sont cependant concevables, essentiellem
domaine de la filtration sur support :
si le gteau form est peu compressible, lalimentation db
(donc pression croissante) sera poursuivie jusqu ce que la pressi
la valeur maximale compatible avec la rsistance mcanique du filtr
le systme de scurit de linstallation (soupape de dcharge ou

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embrane, etc.) se met en action, et cest alors la pression qui reste

teau form est compressible, on a intrt rgler le systme de

une pression assez basse pour que, trs vite, lalimentation se fasse
onstante faible, afin de ne pas craser le gteau. En fin de filtration,
gteau a atteint son paisseur maximale, on repasse parfois une ali-
dbit constant, jusquau maximum de pression admissible, ce qui
par un tassement du gteau donnant naissance un tourteau moins
avant lapplication de cette forte pression.
pes volumtriques fournissant un dbit relativement faible, les filtres
capacit sont gnralement aliments par des pompes centrifuges et
nt donc sous pression et dbit variables, le point figuratif dcrivant la
ssion-dbit fournie par le constructeur.
dent que les lois de la filtration sont diffrentes suivant le mode dali-
ou la combinaison des modes dalimentation adopts.
seurs
on doit filtrer de gros volumes de suspensions trs dilues, ce qui
it linstallation dun filtre de grosse capacit, il est souvent rentable
bir la suspension un paississement pralable (dcanteur statique
ge, filtre paississeur, hydro), afin de navoir utiliser quun filtre de
raisonnable.
ts
ticules de la suspension sont trs fines, donc difficilement filtrables, il
cessaire de les faire floculer avant filtration. Laddition de floculants
a suspension donne en effet naissance de gros flocons forms par
ation des petites particules. Moyennant certaines prcautions, on
ors en gnral une nette amlioration de la filtrabilit du produit et de
filtrat.
ants ont certainement apport, lors de ces dernires annes, les plus
grs dans les domaines de la sparation des constituants dune sus-
ue ce soit par dcantation ou par filtration. Leur mode daction est
nt complexe. De faon trs schmatique et simplifie, on peut imagi-
tains de ces produits ont une action un peu mcanique, en crant des
les particules. Dautres produits agissent par modification des carac-
lectriques superficielles des particules (neutralisation des charges
signes, qui tendent faire se repousser les particules).
de ces produits dpend trs souvent du pH de la suspension, et leur
nt trs dlicat pour les pH extrmes.
age [quelques p. p. m. (106 en masse) ou quelques mg par litre] doit
, leur efficacit passant souvent par un maximum pour une certaine
on.
e ainsi, dans le commerce, des polylectrolytes, des hydrates de car-
polymres soit anioniques, soit cationiques, soit non ioniques, du type
rides par exemple.
ts de filtration
ulation des fines est impossible ou trop onreuse et si la clart du fil-
eul impratif recherch, il convient, pour la filtration sur support, duti-
djuvants de filtration, matriaux caractriss par un grand pouvoir de
ne, joint une grande permabilit.
si que, pour retenir de trs petites particules, au lieu dutiliser un sup-
nde finesse qui freinerait considrablement lcoulement, on filtre sur
uche dadjuvants dpose sur un support de finesse moyenne. Cest
denduisage.
ouche a tendance tre colmate en surface par les particules de la
, on peut rajouter des adjuvants la suspension et former ainsi un
stitu dun mlange de fines particules et dadjuvants, dont la filtrabi-
suprieure celle dun gteau de particules seules. Cest lopration

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de nourrissage. Toujours dans le mme cas de tendance au colmatag

couche, on peut, si lon utilise un filtre rotatif tambour sous vide,
prcouche paisse (de 5 10 cm), un couteau avance micromtriqu
progressivement les couches superficielles colmates.
Les principaux adjuvants sont les kieselguhrs et les perlites. Les fib
lulose ou damiante, la poudre de charbon, la sciure de bois sont ga
fois utilises.
Kieselguhrs : ce sont des carapaces siliceuses de diatomes foss
copiques dont les dpts se sont forms il y a quelques milliers de
produit brut, aprs simple broyage, est rarement utilis comme adj
est form de particules de dimensions trs varies et contient enco
minraux, du sable et quelques matires organiques (ce produit brut
tuellement utilis comme calorifuge en vrac). Les diverses qualits
guhrs rencontres dans le commerce correspondent aux traitemen
moins pousss apports ce produit brut : calcination, lavage lac
en prsence de fondant, tamisage ou lutriation. Leur porosit glo
lordre de 70 85 %, une part importante correspondant la porosit
de carapaces cribles de trs fines perforations.
Perlites : ce sont des roches vitreuses dorigine volcanique, d
famille que les ponces et les obsidiennes. La roche est constitue d
entre lesquelles sinterpose de leau interstitielle (de 3 4 %). Aprs
tamisage, un chauffage brutal jusquaux environs de la temprature d
sement du produit (900 1 000 oC) vaporise cette eau et gonfle les gr
un nouveau broyage et de nouvelles sparations, on obtient des
diverses permabilits, dont les masses volumiques apparentes varie
200 kg/m3 et sont donc, en moyenne, infrieures celles des diatom
350 kg/m3).
Lavage. Essorage. Pressage
Aprs la phase de filtration sur support proprement dite, le gteau
lav pour liminer le plus possible de filtrat contenu dans ses pores
rcuprer lessentiel de ce filtrat, soit au contraire pour obtenir un g
sera sensiblement exempt.
Llimination des dernires traces de filtrat hors des interstices du
geant le passage de volumes importants de liquide de lavage, il est p
intressant de refaire une ou plusieurs filtrations aprs avoir remis
sion le gteau dans du liquide de lavage.
Souvent, on cherche galement obtenir le gteau le moins humi
pour rduire les frais ultrieurs de transport, schage, etc. On pr
aprs les oprations de filtration et de lavage ventuel, un essorage
soit mcanique (crasement du gteau par un coussin gonfl lair
ou par accroissement important de la pression de filtration), soit par
vapeur deau ou dair.
Dans les oprations de lavage et dans les oprations dessorage p
dun gaz, il est ncessaire de veiller labsence de craquelures ou fis
le gteau, travers lesquelles se produirait un coulement importan
qui ne participerait sensiblement pas au lavage ou lessorage.
Signalons que les tapes ultrieures la filtration, appeles post-t
font lobjet dun article spar car la propret et la siccit du gteau d
sont des spcifications requises pour de trs nombreuses application
minraux et organiques : carbonate, oxydes, acides...).

Seront dcrits successivement les aspects thoriques :

de la filtration sur support (J 3 501);
des post-traitements la filtration (J 3 502) ;
de la filtration en profondeur (J 3 503).
Larticle J 3 510 Filtration. Technologie traitera du choix et de la description
usuels utiliss dans lindustrie.
En ce qui concerne les filtres (et essoreuses) centrifuges, le lecteur se reporte
prsent trait, larticle Centrifugation .

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