Filtration solide-liquide

La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les constituants d'un mélange qui possède une phase liquide et une phase solide au travers d'un milieu poreux.

L'utilisation d'un filtre permet de retenir les particules du mélange hétérogène qui sont plus grosses que les trous du filtre (porosité). Le liquide ayant subi la filtration est nommé filtrat ou perméat, tandis que la fraction retenue par le filtre est nommée résidu, rétentat ou gâteau.

La filtration peut aussi désigner le phénomène passif d'épuration naturelle ou de diminution de la turbidité qui se produit quand l'eau pénètre un lit de sable ou de sédiment pour rejoindre la nappe.

La filtration est une technique très utilisée dans les domaines de l'agroalimentaire, de la chimie et de la pharmacie, mais également par de nombreuses espèces animales, principalement aquatiques. Chez les animaux filtreurs (éponges, bivalves…), c'est un mode actif d'alimentation. Le rein assure également une fonction de filtration.

Type de filtration

Mode de passage du fluide

Les techniques de filtration peuvent être différenciées selon deux modes de passage du fluide : la filtration frontale et la filtration tangentielle.

Filtration frontale

La filtration frontale, la plus connue, consiste à faire passer le fluide à filtrer perpendiculairement à la surface du filtre. C'est la technique employée par exemple pour les filtres à café. Les particules étant retenues par le filtre, cette technique est limitée par l'accumulation des particules à sa surface, qui finissent peu à peu par le boucher (colmatage) ;

Filtration tangentielle

Article détaillé : Filtration tangentielle.

La filtration tangentielle, au contraire, consiste à faire passer le fluide tangentiellement à la surface du filtre. C'est la pression du fluide qui permet à celui-ci de traverser le filtre. Les particules, dans ce cas, restent dans le flux de circulation tangentiel, et le bouchage s'effectue ainsi beaucoup moins vite. Cependant, cette technique est réservée à la filtration des très petites particules, d'une taille allant du nanomètre jusqu'au micromètre.

Mécanismes de filtration

Criblage (ou tamisage)

C'est un phénomène mécanique, autrement appelé filtration en surface. Le filtre est une membrane perforée par des pores calibrés et de diamètres voisins. Le filtre retient toutes les particules dont le diamètre est supérieur au diamètre des pores. On parle de filtre écran ou de filtre membrane.

L'avantage de cette technique est qu'elle ne retient pas les liquides. Les inconvénients sont :

pores d'un diamètre de l'ordre du micromètre ;
possibilité de colmatage du filtre.

Pour pallier le problème de colmatage il existe trois types de solution :

l'augmentation du diamètre des pores du filtre, tant que les critères de filtration sont respectés ;
la mise en place d'une préfiltration, parfois par un filtre aux pores de diamètre plus important ou plus généralement par l'installation d'un cyclone ou d'un multi-cyclone en amont ;
la mise en place d'un système de décolmatage, par secousse (de plus en plus rare) ou à air comprimé.

On peut également noter que le colmatage du filtre, entraînant la formation d'un gâteau sur ce dernier est un élément important de la filtration car ce gâteau devient lui-même un élément filtrant. La maîtrise du colmatage/décolmatage du filtre en est d'autant plus importante.

Absorption

Autrement appelée filtration en profondeur. Ce mécanisme consiste à retenir à l'intérieur du réseau poreux du filtre des particules dont la taille peut être inférieure au diamètre des pores.

C'est un phénomène physique, avec deux facteurs principaux :

réseau poreux chargé électriquement ;
constitué par de longs et fins canalicules fortement contournés.

Filtres constitués de cellulose, laine, coton.

L'avantage principal est la grande capacité de rétention.

Les inconvénients sont :

possibilité de relâcher les particules (relargage ou désorption) ;
absorption de liquides ;
difficulté de définir la porosité.

Osmose inverse

Cette section est un extrait de Osmose inverse.[modifier].

L’osmose inverse est un procédé de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que les molécules d'eau^[1].

Filtration en milieu industriel


Objectif de la filtration	récupérer le solide et éliminer le liquide	récupérer le liquide et éliminer le solide	récupérer les deux phases	éliminer les deux phases
Exemples	récupération de métaux lourds en hydrométallurgie	terres de traitement en huilerie, carbonate de calcium dans les jus de sucrerie	moûts d’antibiotiques

Le choix de la méthode de filtration dépends de plusieurs paramètres^[2] ː

La concentration en solides dans le préfilt, ainsi que leur dimension, leur répartition granulométrique et leur structure. La compressibilité et perméabilité du gâteau formé sur le filtre dépendent de ces paramètres. Si les solides présent sont principalement de grosses particules à structure cristalline, le gâteau sera très épais mais peu résistant à l’écoulement du liquide, qui passera entre ces grosses particules. A l'inverse, pour un liquide présentant des particules de diamètres variés, les particules les plus fines colmateront rapidement les pores du gâteau, entraînant une forte résistance à l'écoulement et un faible débit.
La finesse de filtration souhaitée. Ainsi, plus la filtration est fine, plus le résultat sera coûteux.
Les caractéristiques souhaitées du gâteau. Tous les filtres ne permettent pas de récupérer les gâteaux sous forme sèche, de le laver ou de l'essorer.

Le mode de filtration continu ou discontinu, ainsi que les possibilités d'automatisation du procédés (comprenant le débâtissage) peuvent également avoir des conséquences économiques (une filtration discontinue oblige à multiplier les appareils de filtration).

Caractéristiques des filtres industriels

Capacité de rétention

Elle correspond au diamètre de la plus grande particule solide qui passe à travers le filtre. Selon le mécanisme, on parlera de diamètre moyen des pores (pour le criblage) ou de seuil de rétention (pour l'adsorption).

Dimension des pores

On peut nommer différemment l'opération de filtration suivant la taille des pores du filtre :

filtration clarifiante : diamètre des pores entre 10 et 450 µm ;
microfiltration : diamètre des pores entre 10 ou 20 nm et 10 µm ;
ultrafiltration : diamètre des pores entre 1 ou 2 et 10 ou 20 nm ;
osmose inverse : diamètre des pores entre 0,1 et 1 nm^[3]^,^[4].

On parle de filtration stérilisante lorsque le diamètre des pores est inférieur à 0,22 µm (220 nm), permettant la rétention des micro-organismes^[5].

Diamètre moyen des pores

La porosité est le diamètre maximum des particules retenues par le filtre. La porosité est déterminée par la mesure d'une pression, selon la formule suivante :

d=4\,{\frac {K\,\alpha }{P}}\quad {\begin{cases}d,{\text{diamètre des pores}}\\[-1ex]K,{\text{constante des conditions opératoires}}\\[-1ex]\alpha ,{\text{tension superficielle du liquide}}\\[-1ex]P,{\text{pression}}\end{cases}}

Il y a une arrivée d'air comprimé dans un tube hermétiquement clos qui contient le filtre à étudier. De l'eau est apportée pour humecter la partie supérieure du filtre. Puis, on augmente progressivement la pression de l'air et on note la pression nécessaire pour faire apparaître la première bulle d'air, c'est le point de bulle, permettant de déterminer la taille des particules les plus grosses pouvant passer à travers le filtre et donc, sa spécificité. Après avoir encore augmenté la pression, des bulles apparaissent sur l'ensemble de la surface, et on obtient le diamètre moyen des pores.

Grâce à la formule, on calcule deux valeurs de porosité :

Le diamètre des plus gros pores ;
La porosité proprement dite du filtre.

Seuil de rétention

C'est le diamètre de la plus grande particule sphérique solide qui passe au travers du filtre dans des conditions données. Il correspond à 1 % des particules d'un diamètre donné retenues par le filtre.

Au-dessus de 10 mm, on considère qu’il s’agit de dégrilleurs et non plus de filtres proprements dits^[2].

Débit de filtration

Il correspond à la quantité de filtrat recueillie pendant une unité de temps. La formule de poiseuille permet théoriquement de le déterminer :

V={\frac {N.dP.R^{4}}{8.\eta .L}}\qquad {\begin{cases}V,{\text{débit en mL/min}}\\N,{\text{nombre de canaux (proportionnel à la surface)}}\\dP,{\text{différence de pression entre les deux faces du filtre}}\\R,{\text{rayon moyen des pores}}\\L,{\text{épaisseur du filtre}}\end{cases}}

Le débit augmente avec la surface, la pression et le diamètre des pores. Il diminue avec la viscosité du fluide et l'épaisseur du filtre.

Ce débit n'est pas constant, car il se produit un phénomène de colmatage. Le colmatage ralentit la filtration par augmentation de l'épaisseur du filtre, mais aussi par réduction du diamètre des pores.

Pouvoir de séparation

Il doit être homogène et stable dans le temps. Il dépend de la structure du filtre avec répartition homogène du pore, et il ne doit pas y avoir d'évolution du diamètre avec le temps.

Seuil nominal

Le terme filtration nominale ou seuil nominal désigne la taille de la plus petite particule susceptible d'être arrêtée par le filtre. Cependant, sans précision sur l'efficacité du filtre sur cette valeur, cette information reste insuffisante pour connaître les performances effectives du filtre : Ainsi un filtre avec un seuil nominal de 5 µm peut retenir des particules de seulement 5 µm de diamètre, mais si son efficacité est de 20 %, alors 80 % des particules de taille 5 µm seront toujours présentes dans le fluide après filtration^[2].

Pourcentage de rétention ou efficacité

L'efficacité peut être calculée de la manière suivante :

$E=100*{\frac {Amont(x)-Aval(x)}{Amont(x)}}$

avec $Amont(x)$ et $Aval(x)$ respectivement le nombre de particules de la dimension donnée en amont et en aval du filtre^[2].

Ratio de filtration

Le ratio de filtration est $R={\frac {Amont(x)}{Aval(x)}}$ Avec $Amont(x)$ et $Aval(x)$ respectivement le nombre de particules de la dimension donnée $x$ en amont et en aval du filtre. Le ratio et l'efficacité sont liés par la formule suivante^[2] : $E=100*{\frac {R-1}{R}}$

Efficacité nominale

C'est la valeur arbitraire relative basée sur le pourcentage de rétention (en million de particules) par rapport à la valeur de référence donnée par le fabricant. Malheureusement, différents fabricants de filtres définissent l'efficacité nominale de manière différente. Certains définissent l'efficacité sur la base du pourcentage de rétention des particules de taille égale au seuil de filtration, alors que d'autres la définissent sur la base du pourcentage de rétention des particules de taille égale ou supérieure au seuil de filtration, ce qui donne évidemment une valeur plus élevée. Cette variété de définitions rend la comparaison entre filtres très ardue pour les utilisateurs.

Efficacité absolue

Elle correspond au diamètre de la plus grande particule sphérique et indéformable qui traverse le filtre dans les conditions de test spécifiées.

Matériaux de filtration

Le pH et l’agressivité des produits à filtrer peuvent conditionner le choix des matériaux^[2].

Fibres de cellulose ou de bois^{[passage promotionnel]}

Les adjuvants organiques de filtration constituent une solution de remplacement de la terre de diatomées et de la perlite, en offrant à l’utilisateur de nouveaux avantages techniques et économiques.

En plus de leur excellente capacité de séparation liquide-solide, les adjuvants organiques de filtration sont particulièrement économiques, écologiques, inoffensifs, fiables et performants.

Il est possible de traiter pratiquement toutes les filtrations liquide-solide dans les secteurs suivants : industries chimique et pharmaceutique, agro-industrie, boissons, jus de fruits, spiritueux, métallurgie, travail des métaux, environnement : traitement des eaux usées, conditionnement des boues.

Fibres de polypropylène thermosoudées

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Types de filtres industriels

Au niveau industriel, la filtration est largement utilisée notamment dans l'industrie chimique où la filtration est une méthode de séparation de choix après une cristallisation. Différents systèmes sont disponibles en fonction des conditions de la filtration

Dans d'autres domaines industriels (cimenterie, fonderie, etc.) la filtration est généralement effectuée par criblage/tamisage et les filtres sont, dans la grande majorité du temps, des filtres à manches.


Type de filtration^[2]	Principaux filtres utilisés^[2]
Dégrossissage (élimination des impuretés grossières)	Filtres à tamis manuels Filtres à tamis à panier simple ou double Filtres à tamis automatique
Filtrage de sécurité, (élimination d’impuretés accidentelles avec une faible concentration maximale en solide de 0 à 0,1 % en masse)	Filtres à cartouches Filtres à poches Filtres à plaques
Clarification (élimination d’une quantité de solides relativement faible, représentant entre 0,10 et 0,15 % en masse)	Filtres à sable Filtres à précouche (filtrations submicroniques) ː à bougies, à cadres verticaux ou à cadres horizontaux Filtres à plaques ou à membranes Filtres à tambour rotatif sous vide à précouche
Extraction (élimination d'une grande quantité de solide, représentant plus de 0,15 % en masse)	Filtres monoplaques Filtres-presses Filtres continus sous vide à tambour rotatif, à table (ou plans horizontaux), à bande, à trémie (ou à godets)

Filtre nutsche

Les filtres nutsches sont un type de filtres discontinus sous vide. Il s'agit de la version industrielle du filtre Büchner utilisé au laboratoire. Le mélange à filtrer est introduit dans une cuve comportant une plaque perforée, sur laquelle est situé un élément filtrant, généralement en tissu naturel ou synthétique. Le dessous de cette plaque est relié à une source de vide. Sous l'action du vide, le filtrat traverse l'élément filtrant, sur lequel ne reste que le rétentat^[2].

Ces appareils sont utilisés lorsque la filtrabilité du gâteau est très grande. La surface filtrante étant limité (de 0,5 à 3 m²), la couche de solide peut atteindre jusqu'à 40 ou 50 cm dans le cas de certains cristaux. Le filtre nutsche permet la filtration de la totalité du liquide, mais le gâteau doit être déchargé après chaque filtration (filtre discontinu). Il existe des appareils avec élimination automatique des sédiments ; ceux-ci possèdent deux vis d’Archimède diamétralement opposées, placées parallèlement à la surface du gâteau, qui poussent ce dernier vers le centre, d’où il est évacué^[2]^,^[6].

Les filtres nutsches peuvent être construit en polypropylène ou PVC s'ils doivent être utilisés avec des produits très agressifs^[2].

Cet équipement est très utilisé, car toutes les étapes de la filtration jusqu'au séchage peuvent être effectuées dans la même unité.

Filtre presse

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Le filtre presse est une machine permettant de séparer un mélange solide-liquide par voie mécanique.

Il est constitué d'un enchaînement de structure plateau/cadre, le liquide à filtrer étant envoyer sous pression dans ces structures, et les sédiments restant collectés au niveau des cadres.

Ce type de filtre est utilisé dans de nombreux secteurs industriels, notamment en traitement des eaux usées et en œnologie.

Filtre à cartouches

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Un filtre à cartouche est un type de filtre, de forme cylindrique, dans lequel plusieurs cartouches contenant du matériel filtrant (fibres textiles, membrane polymère, toile métallique..) sont disposées. Le fluide (liquide ou gazeux) à filtrer est envoyé sous pression dans le filtre, jusqu'à ce que le matériel de filtration des cartouches soit saturé en particules à filtrer. Le filtre est alors ouvert, et les cartouches changées (cartouches consommables) ou nettoyées (cartouches réutilisables) pour permettre une nouvelle filtration.

Filtration dans le vivant