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 filtrants.
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) :
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 :
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 :
- Surface de la sphère de même volume que le grain / Surface du grain
- Volume de la sphère de même surface que le grain / Volume du grain
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 :
- SiO2 (silice)...........................99.2%
- Al2O3 (alumine).....................0.12%
- Fe2O3 (oxyde ferrique)..........0.11%
- K2O (oxyde de potassium)....0.04%
- MgO (oxyde de magnesium)..0.01%
- Na2O (oxyde de sodium).......0.06%
- TiO2 (oxyde de titane)...........traces
- Perte au feu...........................0.16%
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
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.
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 :
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
:
- Diamètre spécifique ds = TE (1 + 2 log CU)
- Diamètre d5o = TE x CU0.834
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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