Methods for identifying and characterising fouling mechanisms in dead-end filtration
Méthodes pour l’identification et la caractérisation de mécanismes de colmatage en filtration frontale
Résumé
How is it possible to evaluate the risks of a filter media to be fouled when filtering a particle suspension through it? This industrial issue can be dealt with a macroscopic and generic approach through phenomenological parameters. The goal of this study is to identify and to characterise the successive prevailing mechanisms which occur during a filtration step. This approach is based on experimental data (filtrate volume V versus time t) which enables us to test the system dynamics. The filter media is considered as a particle collector and the particle capture notion is extended to different locations: inside, at the surface and even outside the filter media for the cake filtration mechanism. The methodology has been initially developed on a model system (bentonite suspension / microfiltration membranes) at a lab-scale. We have studied the effect of parameters, such as suspension concentration and filtration pressure, on the phenomenological parameters. It has been shown that the parameter characterising the cake is not dependent on the filter media structure. Concerning the pore blocking mechanism, we have quantified the influence of the wall shear stress τ w at the pore entrance and the strong dependence of the ratio of diameters of the particle and the pore (dparticule/dpore) on the particle capture phenomenon. Lastly, the scaling up to a more complex system (precipitated silica suspension / woven media) at a pilot scale has been achieved.
La démarche utilisée lors de ces travaux de thèse s’inscrit dans une problématique industrielle qui vise à évaluer les risques de colmatage d’un média filtrant lors de la filtration frontale d’une suspension solide-liquide. L’objectif est d’identifier et de caractériser les mécanismes dominants au cours d’une opération de filtration. La stratégie repose sur une approche générique et phénoménologique, basée sur des paramètres facilement accessibles, tels que le suivi du volume V(t) de filtrat qui permet de tester la dynamique du système au cours du temps. Le média filtrant est ici considéré comme un collecteur de particules et la notion de capture de particules, bien connue en filtration en profondeur, a été étendue à d’autres mécanismes comme le blocage de surface et la construction d’un gâteau de filtration. La méthodologie initialement développée sur un système modèle (suspension de bentonite/ membranes de microfiltration) à l’échelle du laboratoire a permis d’étudier de larges gammes de concentration et de pression de filtration. De cette étude, nous avons montré que le paramètre caractéristique du gâteau ne dépendait ni de la nature, ni de la structure du média filtrant. Concernant le blocage de surface, nous avons quantifié l’influence du rapport des diamètres de particule et de pore (dparticule/dpore), et de la contrainte de cisaillement τ w à la paroi à l’entrée d’un pore sur la capture de particule. Enfin, la transposition à un système complexe et variable (suspension de silice précipitée/ toiles de filtration) à l’échelle d’un pilote industriel a été réalisé
Domaines
Génie des procédés
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