MATERIAUX FILTRANTS UTILISES EN TRAITEMENT DE L'EAU.

Types de matériaux.
Les matériaux de filtration rencontrés dans le traitement des eaux de consommation sont divers. Ils doivent présenter les qualités suivantes : ils doivent être insolubles, non friables, et ne doivent relarguer aucune substance susceptible d'altérer les qualités de l'eau.

Les trois matériaux les plus employés sont :,

- le sable,
Le sable utilisé en filtration est un matériau naturel, à base de silice, provenant de rivières, de gisements naturels, de dunes, ou obtenu à partir de galets marins.
Sa densité réelle est d'environ 2.5. à 2.7.
Le sable concassé est obtenu par un broyage de silex de carrière ou de galets de mer, suivi d'opérations de lavage, séchage et tamisage.
Il présente des grains anguleux, favorables à la rétention des particules lors de la filtration.
Le sable roulé est un sable naturel, tamisé après lavage et séchage.
Contrairement au sable concassé, il possède des grains arrondis, et existe dans des gammes de granulométrie plus restreintes.

- l'anthracite,
L'anthracite est un matériau à base de carbone, obtenu par calcination de matériel végétal tel que le bois ou la tourbe.
Il se présente sous la forme de grains durs et anguleux.
Sa densité réelle est de l'ordre de1.45 à 1.75.

- le charbon actif,
Le charbon actif est également un matériau à base de carbone, obtenu par calcination et activation de bois, houille, tourbe ou noix de coco.

On peut également citer :








Caractérisation des matériaux filtran
ts.
Diamètre d'une particule:
La notion de diamètre est évidente dans le cas de particules sphériques.
Elle n'a plus de sens direct dans le cas de grains anguleux. Pour de telles particules, différentes définitions du diamètre sont rencontrées.

La détermination de ces diamètres se fait par observation des particules au microscope, mais pour que les mesures aient un sens et soient représentatives d'un lot de particules, il faut compter plusieurs centaines d'observations.
C'est la raison pour laquelle ces diamètres sont quelquefois qualifiés de diamètres statistiques.

Porosité d'une masse granulaire
La porosité d'une couche de matériau granulaire, encore appelée fraction de vide, est la proportion de vide existant entre les grains de matériau empilés.
La porosité, notée e est désignée par un nombre sans dimension (ou un pourcentage) :

e = [Volume apparent - Volume réel de matériau] / Volume apparent

La porosité d'un empilement de grains ne dépend que de leur forme et de leurs dispositions géométriques relatives (et non de leur taille).
Pour un lit filtrant composé de grains anguleux (sable, anthracite), la porosité obtenue après tassement du matériau est de l'ordre de 0,35 à 0,40.

Densité apparente
La densité apparente d'un matériau granulaire empilé est inférieure à la densité réelle car elle tient compte de la porosité.

Surface spécifique
La surface spécifique d'un matériau est la surface développée par un grain ramenée au volume de ce grain.
Elle est notée ap ou ag, et s'exprime en m²m³, m-1 ou cm-1.
Pour une sphère de diamètre d, elle est égale à :

ap = [ pd²(pd³/6) ] ou 6 / d

Facteurs de sphéricité ou facteurs de forme
On utilise ces facteurs pour exprimer dans quelle mesure une particule s'écarte de la forme sphérique. Il s'agit de nombres sans dimension (ou pourcentages), et plusieurs définitions peuvent être rencontrées :


Dureté
La plupart du temps exprimé en dureté MOHS
(exemple : sable de silice = 7 Mohs)

Taux d'humidité
Exprime le pourcentage d'eau présent (en général < 1%)

Analyse chimique
Variable selon l'origine du matériau,
Exemple - Sable de silice broyée, calcinée :

 





Analyse granulométrique par tamisage.
Principe de l'analyse :
(Normes NF EN 933-2 - Essais pour déterminer les caractéristiques géométriques des granulats, Partie 2 : Détermination de la granularité - Tamis de contrôle, dimensions nominales des ouvertures),
NF EN 932-5 - Essais pour déterminer les propriétés générales des granulats - Partie 5 : Équipements communs et étalonnage, juin 2012).

Une colonne de tamisage est composée d'une série de tamis de contrôle empilés les uns sur les autres, par ordre croissant d'ouverture de maille (de bas en haut).
Chaque tamis est formé d'un boîtier cylindrique dans le fond duquel est tendue une toile, généralement métallique, dont les ouvertures sont normalisées

<<< voir la serie française AFNOR >>>

Un échantillon représentatif du matériau à analyser est déposé sur le tamis supérieur, et l'ensemble des tamis est soumis à des secousses conduisant à la répartition des particules le long de la colonne de tamisage. Ces secousses peuvent être provoquées manuellement ou grâce à une machine à tamiser.
Chaque tamis divise les particules qui lui sont appliquées en deux fractions : un refus, correspondant aux particules retenues sur le tamis, et un tamisat (ou "passant"), correspondant aux particules appliquées au tamis inférieur.
A l'issue de l'agitation, les refus de chaque tamis sont recueillis et pesés avec soin.

Exploitation des résultats :
L'exploitation des résultats est faite sous la forme de graphiques, en général des histogrammes cumulatifs. Ces histogrammes sont tracés en portant :

- En abscisse : les ouvertures nominales (mailles) des tamis employés pour l'analyse.

- En ordonnée : les refus et/ ou les tamisats cumulés, exprimés en pourcentages.

EXEMPLE D'ANALYSE GRANULOMETRIQUE D'UN SABLE DE FILTRATION


Courbe granulométrique correspondant à l'analyse précédente :

La courbe des tamisats cumulés est encore appelée courbe granulométrique directe.
Elle permet donc de déterminer deux paramètres fondamentaux dans la caractérisation granulométrique des matériaux filtrants, soit :

  1. la taille effective,
  2. le coefficient d'uniformité.








1) Taille effective

La taille effective, exprimée en mm (ou µm) et notée TE, correspond à l'ouverture de maille laissant passer 10 % en poids de l'échantillon soumis à l'analyse.
Elle donne une indication sur les particules les plus fines, qui se retrouveront dans la partie supérieure de la couche filtrante.
Les anglo-saxons l'appellent parfois diamètre 10 percentiles
La diversité 60 %, exprimée en mm (ou µm), est donnée par l'ouverture de maille laissant passer 60 % en poids de l'échantillon soumis à l'analyse.

2)
Coefficient d'uniformité

Le coefficient d'uniformité, nombre sans dimension, est égal au quotient de la diversité 60 % par la taille effective.
Ce coefficient donne une indication quant à l'homogénéité granulométrique de la masse filtrante. Un coefficient d'uniformité égal à 1 est représentatif d'un sable homogène.

Remarque :
Le diamètre spécifique ds et le diamètre moyen d5o (ou diamètre 50 percentiles) sont parfois utilisés dans les équations d'écoulement.
Ils peuvent être obtenus à partir de la taille effective et du coefficient d'uniformité par les relations suivantes :

 

NOTA : voir également dans Programmes (informatiques) le programme spécifique GRANULO.








Choix des matériaux
.
Nature du matériau
Pour une clarification, les matériaux les plus courants sont le sable et l'anthracite.

Le sable est employé seul en tant que monocouche, ou associé à de l'anthracite dans les filtres bicouches.

Les supports de filtration biologique (déferrisation, démanganisation, nitrification, dénitrification) sont le sable et le charbon actif en grains.

Choix de la granulométrie
Le choix de la granulométrie des matériaux repose sur plusieurs critères, dont :

Ces critères ne peuvent être considérés de façon indépendante.

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Fin du chapitre Matériaux Filtrants