Filtration des liquides

La filtration d'un liquide est une opération qui vise à séparer un solide du liquide dans lequel il est dispersé. Elle consiste à intercepter les particules solides contenues par le fluide qui le traverse, et les retenir de manière durable.

Les matériels utilisés en filtration sont très divers, mais on peut les classer en deux grandes catégories selon qu'ils permettent:
- une filtration en surface
- une filtration en profondeur.
Le liquide est forcé à passer au travers du média filtrant par action:
- du vide créé en aval du filtre
- de la pression exercée en amont du filtre
- de la force centrifuge.

Mécanismes impliqués dans la filtration

Les particules solides en suspension sont séparées du fluide qui les véhicule selon trois mécanismes principaux:

L'interception directe

C'est le plus simple. Une particule solide, d'une taille supérieure à la taille des pores du filtre sera retenue, tandis que les plus petites pourront traverser.
C'est typiquement le mécanisme principal utilisé par les surfaces filtrantes de type tamis.

On imagine que la sélection des particules sera franche. Dans la réalité, ce type de filtres est capable de retenir une proportion significative de particules plus petites que le diamètre de pores, pour différentes raisons; par exemple:
 - les particules sont rarement sphériques et peuvent avoir des tailles significativement différentes selon l'axe selon lequel elles se présentent
 - une particule retenu, peut n'obstruer que partiellement l'orifice, et peut aider à collecter des particules plus fines
 - plusieurs particules plus fines que l'orifice peuvent se présenter simultanément et former un pont
L'interception directe n'est applicable que pour les particules les plus grosses. Il est mécaniquement difficile de réaliser un tamis résistant,dont les ouvertures sont inférieures à 50µm.

L'interception par inertie

Les particules entraînée comme le fluide en écoulement, possèdent une masse et sont affectés d'une vitesse; ils possèdent donc un moment d'inertie. En traversant le filtre, le fluide tend à contourner les obstacles  et est donc dévié de sa trajectoire, tandis que les particules tendent à continuer leur chemin en ligne droite. Ce faisant elles vont percuter l'obstacle et y adhérer.
Ce comportement dépend de la différence de masse volumique entre le fluide et les particules; il est beaucoup plus présent si le fluide est un gaz plutôt qu'un liquide. Dans la filtration des gaz, les particules de l'ordre de 1µm de diamètre peuvent être capturés selon ce mécanisme.
Les particules de taille inférieure au diamètre des pores du média filtrant peuvent ainsi être capturées. Les particules les plus fines seront plus facilement entraînées par le liquide que les plus grosses, et seront donc plus difficilement capturées par ce mécanisme.

Interception par diffusion

Les particules en suspension subissent de la part des molécules du fluide, des collisions qui les font dévier de la trajectoire générale du fluide; c'est le mouvement Brownien. Les trajectoires latérales des particules qui en résulte, augmente leur probabilité de rencontrer un obstacle et d'y adhérer.
Ce mécanisme est peu présent dans les liquides en raison de la viscosité du fluide qui s'oppose au déplacement des particules en son sein. Il concerne surtout les très fines particules (<0,1µm) dont l'inertie est la plus faible.
Par ce mécanisme, les particules de taille inférieure à la taille des pores du média peuvent être capturées et retenues.

Relargage des particules

Les particules interceptées par le média filtrant peuvent dans certaines conditions être réentrainées par le fluide en mouvement. Ce phénomène doit bien sûr dans la mesure du possible être évité. Plusieurs raisons à cela:
 - la perte de charge lié à la vitesse d'écoulement du fluide, se traduit sur les particules par une force qui tend à les entraîner. Les particules capturées à faible débit peuvent être réentrainées quand le débit augmente.
 - la géométrie du média filtrant peut varier avec les variations de débit et de perte de charge. Par exemple dans un média constitué de fibres, l'écartement des fibres peut augmenter avec le débit de fluide, laissant s'échapper des particules précédemment retenues à débit plus faible.

Filtration en surface

La filtration s'effectue au travers d'un média filtrant fin (toile, tamis, ...), à la surface duquel se dépose le solide, en formant un gâteau.
Parfois, le solide est maintenu en suspension par agitation mécanique ou par le mouvement du liquide à filtrer (micro filtration tangentielle), pour éviter le colmatage du support.
Le gâteau est éliminé lorsqu'il atteint une certaine épaisseur, et le support est réutilisé pour une nouvelle opération.
Ce cycle peut être continu si le support de filtration a la forme d'un tambour par exemple.
L'élimination du solide peut être fait par un flux de liquide à contre courant.
Ce type de filtration est largement utilisé lorsque la quantité de solide est importante oui lorsque le solide doit être récupéré pour être valorisé.

Equivalence des tamis

Les supports de filtration de type toile ou tamis sont définis par la taille de la maille.
Les anglo-saxons utilisent couramment la valeur de Mesh. Le tableau ci-dessous donne l'équivalence avec la taille de la maille:

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  Diamètre de maille
 Mesh  inches  microns
------ ------  -------
    4  0,2030    5205
    8  0,0970    2487
   10  0,0750    1923
   14  0,0510    1307
   18  0,0394    1000
   20  0,0331     840
   25  0,0280     710
   30  0,0232     590
   35  0,0197     500
   40  0,0165     420
   45  0,0138     350
   50  0,0117     297
   60  0,0098     250
   70  0,0083     210
   80  0,0070     177
  100  0,0059     149
  120  0,0049     125
  140  0,0041     105
  170  0,0035      88
  200  0,0029      74
  230  0,0024      62
  270  0,0021      53
  325  0,0017      44
  400  0,0015      37
  550  0,0009      25
  800  0,0006      15
 1250  0,0004      10
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Filtration en profondeur

La filtration s'effectue au travers d'un média filtrant épais au sein duquel, les particules solides sont retenues.
Cette technique est utilisée lorsque la masse de solide est faible, mais que les particules à retenir son très petites (<50microns).
La masse de solide retenu augmentant, l'écoulement du liquide est de plus en plus difficile nécessitant d'augmenter la pression du liquide. C'est le colmatage.
Lorsque la pression devient excessive, il est généralement nécessaire de remplacer le média filtrant.
La filtration en profondeur se pratique sur:
- des cartouches de fil bobiné
- des cartouches d'alumine ou de silice
- un gâteau de précouche

Filtration sur précouche

C'est un cas particulier de filtration en profondeur, au travers d'un média qui est un gâteau de solide préalablement déposé en surface d'un support.
Le média filtrant peut-être:
- de la perlite (roche volcanique expansée)
- de la terre de diatomées
- de la cellulose
- du charbon actif
Cette technique assure la rétention de particules très fines, et est recommandée pour la rétention de solides colmatant.

Critères de choix

Les critères à prendre en compte pour le choix d'un système de filtration sont:
- la teneur en solide désiré dans le liquide sortant
- la taille maximale des particules présentes dans le liquide sortant
- la teneur en liquide dans le solide retenu
- l'efficacité souhaitée pour le lavage du solide
- le débit de liquide à traiter ou de solide à retenir
- le choix d'un fonctionnement continu ou discontinu.

Techniques concurrentes

D'autres techniques peuvent être utilisées pour séparer un solide d'un liquide:
- la sédimentation
- la décantation centrifuge
- le cyclonage
- la flottation