TITRE : DISPOSITIF DE FILTRATION DYNAMIQUE AVEC PLAQUE POREUSE

CERAMIQUE DE CARBURE DE SILICIUM

L’invention se rapporte au domaine des dispositifs de filtration comprenant une enceinte dans laquelle est injecté un liquide à filtrer mis en rotation, sous dépression ou sous pression, ladite enceinte comportant au moins une plaque filtrante poreuse en un matériau céramique afin de séparer ledit liquide de ses particules ou de ses molécules voire de ses microorganismes. La présente invention trouve tout particulièrement son application dans le traitement de liquides issus de procédés de l’industrie chimique ou pharmaceutique, l’industrie de l’alimentaire ou de l’agroalimentaire, ou dans le domaine de l’énergie, en particulier dans le traitement des eaux de production issues de l’industrie minière, pétrolière ou gazière. L’injection de gaz, de préférence de l’air ou même de l’oxygène, est plus particulièrement adaptée au domaine des bioréacteurs dans lequel la purification du liquide pollué fait intervenir, en parallèle à la filtration, une purification ou une décomposition des polluants par des microorganismes.

On connaît depuis longtemps des filtres réalisés à partir de structures monolithiques ou de supports de géométrie tubulaire avec ou sans membrane, formés de parois en un matériau inorganique poreux délimitant un ou plusieurs canaux longitudinaux parallèles à l’axe dudit support.

On connaît en particulier des filtres frontaux comportant typiquement une portion des canaux bouchés sur leur face avant et une portion des canaux bouchés sur leur face arrière, afin de ménager des canaux d’entrée et des canaux de sortie séparés par des parois filtrantes au travers desquelles doit passer le liquide à filtrer. Celui-ci se décharge au passage de ses molécules ou de ses particules voire de ses microorganismes à travers les parois et la membrane, formant ainsi le retentât qui s’accumule alors dans les canaux d’entrée tandis que le liquide épuré s’échappe par les canaux de sortie voire en partie par la périphérie du filtre si celle-ci est libre. Cette technique est limitée par la formation d'un gâteau à la surface du média filtrant.

Il existe aussi des techniques dites filtration tangentielle, qui permettent de limiter l'accumulation de retentât, grâce à la circulation longitudinale du fluide à la surface de la membrane. Les particules à traiter restent dans le flux de circulation alors que le liquide purifié peut traverser la membrane sous l'effet d’une différence de pression. Cette technique assure une stabilité des performances et du niveau de filtration. Elle est plus particulièrement préconisée pour la filtration des fluides très chargés en particules et/ou en molécules. Cette technique reste cependant perfectible. Notamment le débit de liquide à filtrer est limité à cause du dépôt d’un gâteau à la surface des canaux même si on se place dans les conditions d’un régime turbulent. De plus, pour des liquides extrêmement chargés en particules ou très visqueux, la productivité liée à cette technique reste insuffisante. Selon une autre technique, on connaît des dispositifs filtrants non monolithiques consistant en une succession de plaques poreuses au sein d’une enceinte, dans laquelle le liquide à filtrer est le plus souvent agité de manière à favoriser un régime turbulent. Ces dispositifs favorisent les forces de cisaillement au sein du liquide au contact des plaques poreuses et sont plus performants pour la dépollution des liquides très chargés ou visqueux.

La publication DE3814373A1 dévoile par exemple un dispositif muni de disques poreux mobiles de préférence constitués de corindon ou de carbure de silicium, matériaux plus résistants mécaniquement de manière à permettre une régénération à la différence de filtres sous forme de mat. La publication DE19513759A1 propose aussi un module de filtration dans lequel les disques filtrants parallèles sont fixés de manière étanche à un axe mobile creux qui récupère le filtrat ayant traversé le matériau poreux des disques.

La publication DE202004001955U1 propose aussi un système de ressort placé sur l’axe pour compenser la dilatation du matériau filtrant qui se produit lors de la rotation à grande vitesse des éléments filtrants afin de réduire les risques de casse.

La demande internationale W02009/039861A1 propose un dispositif visant à traiter des eaux usées comprenant une enceinte et un ensemble de plaques parallèles, dont des plaques filtrantes fixes perméables au liquide et des plaques d’aération perméables afin d’injecter de l’air dans le réacteur, les dites plaques présentant une cavité centrale dans laquelle tourne un axe sur lequel est fixé au moins un disque tournant entre les plaques de filtration et les plaques d’aération de manière à agiter le liquide à filtrer.

Différentes formes de plaques ont été proposées par exemples des plaques céramiques creuses comprenant des passages internes par lequel le filtrat peut plus facilement s’évacuer comme par exemple selon la figure 7 de W02009/039861A1 ou encore comme le propose la publication EP2543420A1. De telles plaques peuvent aussi présenter une membrane déposée sur les plus grandes faces de la plaque filtrante comme le décrit par exemple DE202010015318U1.

Certaines plaques ont été décrites avec une cavité interne comprenant un matériau de drainage (cf. EP2910299 Al ou même des canaux de drainage comme le dévoile W02009/039861A1). Les différentes configurations comprenant des canaux internes d’évacuation conduisent cependant à une fragilisation de la plaque poreuse.

Il existe aujourd’hui un besoin pour un dispositif de filtration comprenant une plaque filtrante poreuse céramique plus robuste mécaniquement tout en conservant une efficacité acceptable de filtration, c’est-à-dire présentant un flux optimisé et maximisé du filtrat, à encombrement égal et qui puisse être de préférence facilement nettoyé, c'est- à-dire périodiquement lavé des impuretés collectés par rétrolavage.

Contrairement aux solutions précédentes qui proposent différentes configurations en prenant en compte uniquement les caractéristiques géométriques des plaques filtrantes, la présente invention repose sur le principe de l’établissement d’une sélection particulière de plages desdites caractéristiques géométriques et certaines caractéristiques spécifiques de la microstructure de la plaque filtrante. Une telle relation, dans le but de résoudre le problème précédemment exposé, n’avait jamais été décrite jusqu’à présent pour un tel dispositif.

Plus particulièrement, la présente demande concerne un dispositif de filtration d’un liquide chargé en polluants minéraux, inorganiques et/ou organiques comprenant :

une enceinte délimitée par des parois,

des moyens d’alimentation de l’enceinte par ledit liquide,

au moins une plaque filtrante poreuse, ladite plaque présentant deux faces principales opposées séparées par une épaisseur moyenne e, ladite plaque comprenant en son centre un orifice traversant de plus grande largeur Z entre les deux faces principales,

des moyens d’évacuation du liquide filtré.

Selon l’invention, au moins les deux faces principales de la ou les plaque(s) fïltrante(s) sont au contact du liquide à filtrer dans l’enceinte et la plaque filtrante est en communication de fluide avec les moyens d’évacuation, sur une portion de sa surface qui est autrement isolée de façon étanche du liquide à filtrer dans l’enceinte, de telle sorte que le liquide traverse ladite plaque, depuis l’enceinte vers lesdits moyens d’évacuation.

Selon l’invention toujours, ladite plaque filtrante comprend un support fait dans un matériau céramique poreux plein et au moins une couche séparatrice poreuse recouvrant au moins pour partie, et de préférence en totalité, la portion de surface du support placée au contact du liquide à filtrer, ledit matériau comprend du Carbure de Silicium et sa porosité ouverte dudit matériau est supérieure à 15% et inférieure à 55% en volume et sa distribution volumique de pores présente un diamètre médian de pores supérieur à 10 micromètres et inférieur à 100 micromètres.

La couche séparatrice présente une porosité ouverte comprise entre 10% et 70%, de préférence entre 30% et 50% en volume et un diamètre médian de pores en nombre compris entre 5 nanomètres et 5000 nanomètres, de préférence compris entre 100 nanomètres et 3000 nanomètres, de préférence encore entre 300 nanomètres et 1000 nanomètres.

Selon l’invention, l’épaisseur e de la plaque filtrante est comprise entre 3mm et 20 mm, de préférence compris entre 4mm et 15 mm, de manière plus préférée compris entre 5mm et 10 mm et la différence entre la plus grande longueur L de la plaque filtrante et la plus grande largeur / de son orifice central est comprise entre 50mm et 700 mm, de préférence comprise entre 50mm et 600 mm, de manière plus préférée comprise entre 75mm et 500mm.

De préférence, le dispositif présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent bien entendu le cas échéant être combinées entre elles :

- La plaque a sensiblement la forme d’un disque, son diamètre D étant égal à L.

- L’orifice est sensiblement circulaire, son diamètre d étant égal à /. - Le dispositif de filtration comprend une pluralité de plaques filtrantes, notamment entre 2 et 200 plaques filtrantes.

- Le dispositif de filtration comprend en outre au moins une plaque d’aération.

- La ou les plaques filtrantes sont fixes, et comprenant un système d’agitation et/ou de mise en rotation du liquide dans l’enceinte, en particulier une hélice, une turbine ou un axe muni d’ailettes.

- La ou les plaques filtrantes sont solidaires d’un axe creux mobile constituant un moyen d’évacuation du liquide filtré, la ou lesdites plaques filtrantes étant en communication de fluide avec la cavité de l’axe.

- La plus grande longueur de la plaque filtrante est comprise entre 100mm et 800 mm, de préférence entre 300 mm et 600 mm.

- La plus grande largeur Z de l’orifice central est compris entre 30mm et 200mm de préférence entre 50mm et 150mm.

- L’épaisseur moyenne de la couche séparatrice est comprise entre 1 micromètre et 100 micromètres, de préférence entre 20 micromètres et 80 micromètres.

- La couche séparatrice est faite dans un matériau choisi dans le groupe constitué par du SiC, en particulier du SiC recristallisé, du SiC lié par du S13N4, ou par du S12ON2 ou par du SiAlON, ou encore par du BN ou un mélange d’au moins deux de ces composés.

- La pression d’alimentation du liquide à filtrer est comprise entre 0,1 et 0,5 MPa.

- Le dispositif de filtration comprend en outre des moyens de mise sous pression du liquide en amont desdits moyens d’alimentation de l’enceinte.

- Le dispositif de filtration comprend en outre des moyens de mise en dépression, notamment des moyens d’aspiration du liquide en aval desdits moyens d’évacuation de l’enceinte.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses du dispositif et de la plaque selon invention, ladite plaque répond au moins à l’un des critères suivants :

elle comprend un support ou substrat fait dans un matériau céramique poreux plein et au moins une couche séparatrice poreuse recouvrant au moins une portion de la surface du support,

ledit matériau comprend du Carbure de Silicium et de préférence est constitué essentiellement de Carbure de Silicium, et

la porosité ouverte dudit matériau constituant le substrat est supérieure 26% en volume, la porosité ouverte dudit matériau constituant le substrat/support est inférieure à 45% en volume, de préférence encore est inférieure à 40% en volume.

la distribution volumique de pores dudit matériau constituant le substrat/support présente un diamètre médian de pores supérieur à 10 micromètres,

la distribution volumique de pores dudit matériau constituant le substrat/support présente un diamètre de pore inférieur à 100 micromètres, de préférence inférieur à 40 micromètres, voire inférieur à 30 micromètres,

la couche séparatrice présente une porosité ouverte comprise entre 10 et 70%, de préférence entre 30 et 50%,

la couche séparatrice présente un diamètre médian de pores, en nombre, compris entre 5 nanomètres et 5000 nanomètres, de préférence compris entre 100 nanomètres et 3000 nanomètres, en particulier entre 100 nanomètres et 1000 nanomètres,

l’épaisseur e de la plaque est comprise entre 3mm et 20 mm, de préférence compris entre 4mm et 15 mm, de manière plus préférée compris entre 5mm et 10 mm, la différence entre la plus grande longueur de la plaque et le diamètre de son orifice central est comprise entre 50mm et 700 mm, de préférence comprise entre 50mm et 600 mm, de manière plus préférée comprise entre 75mm et 500mm. De préférence encore ladite différence est supérieure à 150 mm, voire supérieure ou égale à 200 mm, et en particulier comprise entre 200 mm et 700 mm.

le diamètre médian de pores dudit matériau est supérieur au diamètre médian de pores de la couche séparatrice membranaire (en nombre et/ou en volume),

la porosité ouverte dudit matériau est inférieure à la porosité ouverte de la couche séparatrice membranaire.

L’invention se rapporte bien entendu également à la plaque filtrante telle que décrite précédemment.

Par souci de concision, une plaque filtrante selon l’invention présente bien évidemment également toutes les caractéristiques préférées décrites précédemment en relation avec le dispositif de filtration.

En outre, l’invention se rapporte à l’utilisation dudit dispositif pour le traitement de liquides issus de procédés de l’industrie chimique ou pharmaceutique, l’industrie de l’alimentaire ou de l’agroalimentaire, ou dans le domaine de l’énergie, en particulier le traitement des eaux de production issues de l’industrie minière, pétrolière ou gazière. On entend par support fait dans un matériau céramique poreux plein, le fait que ce support ne comprend pas de cavité(s) inteme(s), mis à part bien entendu sa porosité intrinsèque.

La porosité ouverte et le diamètre médian des pores de la plaque filtrante support selon la présente invention sont déterminés de manière connue par porosimétrie au mercure. La porosité, correspondant au volume global des pores, est mesurée par intrusion de Mercure à 2000 bars à l’aide d’un porosimètre à mercure tel que le porosimètre Autopore IV série 9500 Micromeritics, sur un échantillon de 1 cm ³ prélevé dans un bloc du support, la région de prélèvement excluant la peau s’étendant typiquement jusqu’à 500 microns depuis la surface du bloc. La norme applicable est la norme ISO 15901- 1.2005 part 1. L’augmentation de pression jusqu’à haute pression conduit à « pousser » le mercure dans des pores de taille de plus en plus petite. L’intrusion du mercure se fait classiquement en deux étapes. Dans un premier temps, une intrusion de mercure est réalisée en basse pression jusqu’à 44 psia (environ 3 bar), en utilisant une pression d’air pour introduire le mercure dans les plus gros pores (supérieurs à 4 micromètres). Dans un deuxième temps, une intrusion à haute pression est réalisée avec de l’huile jusqu’à la pression maximale de 30000 psia (environ 2000 bar). En application de la loi de Washbum mentionnée dans la norme ISO 15901-1.2005 part 1, un porosimètre à mercure permet ainsi d’établir une distribution de tailles des pores en volume. Le diamètre médian de pores de la plaque support correspond au seuil de 50% de la population en volume.

La porosité de la couche séparatrice, correspondant au volume total des pores dans ladite couche, et le diamètre médian de pores de la couche sont avantageusement déterminés selon l’invention à l’aide d’un microscope électronique à balayage. Dans le cadre de la présente invention, il est considéré que la porosité obtenue par cette méthode peut être assimilée à la porosité ouverte. Typiquement, on réalise des sections d’une paroi du support en coupe transversale, de manière à visualiser toute l’épaisseur du revêtement sur une longueur cumulée d’au moins 1,5 cm. L’acquisition des images est effectuée sur un échantillon d’au moins 50 grains, de préférence d’au moins 100 grains. L’aire et le diamètre équivalent de chacun des pores sont obtenus à partir des clichés par des techniques classiques d’analyse d’images, éventuellement après une binarisation de l’image visant à en augmenter le contraste. On déduit ainsi une distribution de diamètres équivalents, dont on extrait le diamètre médian de pores. La porosité de la couche est obtenue par intégration de la courbe de distribution de diamètres équivalents de pores. De même on peut déterminer par cette méthode une taille médiane des particules constituant la couche séparatrice. Un exemple de détermination du diamètre médian de pores constituant la couche séparatrice, à titre d’illustration, comprend la succession des étapes suivantes, classique dans le domaine :

Une série de clichés en MEB est prise du support avec sa couche séparatrice membranaire observé selon une coupe transversale (c'est-à-dire dans toute l’épaisseur d’une paroi). Pour plus de netteté, les clichés sont effectués sur une section polie du matériau. L’acquisition de l’image est effectuée sur une longueur cumulée de la couche membranaire au moins égal à 1,5 cm, afin d’obtenir des valeurs représentatives de l’ensemble de l’échantillon.

Les clichés sont de préférence soumis à des techniques de binarisation, bien connues dans les techniques de traitement de l’image, pour augmenter le contraste du contour des particules ou des pores.

Pour chaque pore constituant ladite couche, une mesure de son aire est réalisée. Un diamètre équivalent de pores est déterminé(e), correspondant au diamètre d’un disque parfait de même aire que celui mesuré pour ledit pore (cette opération pouvant éventuellement être réalisée à l’aide d’un logiciel dédié notamment Visilog® commercialisé par Noesis). Une distribution de taille de diamètre de pores est ainsi obtenue selon une courbe classique de répartition en nombre et un diamètre médian de pores constituant la couche membranaire sont ainsi déterminés, ce diamètre médian correspondant respectivement au diamètre équivalent divisant ladite distribution en nombre en une première population ne comportant que des pores de diamètre équivalent supérieur ou égal à ce diamètre médian et une deuxième population comportant que des pores de diamètre équivalent inférieur à ce diamètre médian.

Le support est formé d’un matériau céramique poreux de SiC, voir du SiC lié par du S1 ₃ N4, du S12ON2, du SiAlON ou du BN ou une combinaison de ceux-ci, de préférence du SiC recristallisé.

La couche séparatrice est formée d’un matériau inorganique poreux, notamment un matériau céramique non oxyde, tel que SiC, en particulier SiC recristallisé, S1 ₃ N4, S12ON2, SiAlON, BN ou une combinaison de ceux-ci. Sa porosité est typiquement de 10 à 70% et le diamètre médian des pores de lO nm à 5 pm. La perméabilité de la membrane K _m est de préférence de 10 ¹⁹ à 10 ¹⁴ m ² , de préférence entre 1,0.10 ¹⁷ et 1,0.10 ¹⁶ m ² . Elle présente typiquement une épaisseur moyenne t _m de 0,1 à 300 pm, de préférence de 1 à 200 pm, plus préférentiellement de 10 à 70 pm.

La plaque filtrante selon l’invention peut être obtenue par toute technique bien connue de l’homme du métier. Un procédé de fabrication classique comprend généralement les étapes principales de fabrication du support puis de dépôt de la membrane de filtration comprenant ou constituée par la couche séparatrice filtrante.

Le support de la plaque est obtenu de préférence par coulage d’une barbotine ou pressage d’un mélange semi-sec, voire par extrusion d’une pâte au travers d’une filière. Cette étape est suivie d’un séchage et d’une cuisson afin de fritter le matériau. Un choix particulier des poudres du mélange avant mise en forme et la température maximale de cuisson et le temps de palier à cette température maximale permettant d’obtenir les caractéristiques de porosité et de résistance mécanique optimales.

Par exemple, lorsqu’il s’agit d’un support en SiC recristallisé, il peut être en particulier obtenu selon les étapes de fabrication suivantes :

- malaxage d’un mélange comportant des particules de carbure de silicium de pureté supérieure à 98%, de préférence selon une proportion massique supérieure à 50%, voire supérieure à 70% voire meme supérieure à 80% ou meme 90% par rapport au mélange sec. Le mélange comporte aussi des additifs tels qu’un dispersant ou même un régulateur de PH dans le cas d’une barbotine ; des liants organiques par exemple du type dérivé de cellulose, voire des lubrifiants et des plastifiants, dans le cas d’un mélange de pressage ou d’extrusion. On ajoute de l’eau, typiquement entre 5 et 40% de la masse de poudres inorganiques et on malaxe jusqu’à obtenir un mélange homogène. De préférence, dans le cas d’une barbotine comprenant essentiellement du SiC, un dispersant tel que de la soude peut etre ajoutée afin de corriger le PH entre 8,5 et 10, de préférence entre 9,0 et 9,5.

- mise en forme du mélange, par extrusion, pressage, coulage, de préférence par coulage. L’étape de séchage pouvant etre précédée d’une étape de durcissement en particulier avant démoulage dans le cas de la mise en forme par coulage. - séchage des supports crus, par exemple dans une étuve et/ou par micro-onde, pendant un temps suffisant pour amener la teneur en eau non liée chimiquement à moins de 1% en masse,

- cuisson jusqu’à une température d’au moins 1600 °C et inférieure à 2400 °C maintenue typiquement pendant au moins 1 heure. Le matériau obtenu présente une porosité ouverte de 15 à 55%, de préférence de 20 à 45% en volume et un diamètre médian de pores de l’ordre de 10 micromètres à 100 micromètres, de préférence de 15 micromètres à 40 micromètres, plus préférentiellement de 20 à 30 micromètres.

Le support est ensuite revêtu d’une membrane. Cette membrane comprend ou est constituée par la couche séparatrice selon l’invention. Dans un mode de réalisation privilégié, la membrane comprend, outre la couche séparatrice, un primaire d’accrochage disposé entre la surface du support et la couche séparatrice, le plus souvent dont la porosité est intermédiaire entre celle du support et celle de ladite couche séparatrice. Les différentes couches de la membrane, en particulier la couche séparatrice, peuvent être déposées selon diverses techniques connues de l’homme du métier : dépôt à partir de suspensions ou de barbotines, dépôt chimique en phase vapeur (CVD) ou dépôt par projection thermique, par exemple projection plasma (plasma spraying). De préférence les couches de membrane sont déposées par enduction à partir de barbotines ou de suspensions. Comme indiqué précédemment, la membrane peut être obtenue par le dépôt de plusieurs couches successives. La membrane comprend avantageusement une première couche, appelée primaire, déposée en contact direct avec le substrat. Le primaire joue le rôle de couche d’accrochage.

Selon un mode particulier, la barbotine utilisée pour le dépôt du primaire comprend de préférence entre 30 et 70% en masse de grains de SiC ayant un diamètre médian de 1 à 40 mhi, le complément étant par exemple une poudre de silicium métallique, de silice et/ou une poudre de carbone. Selon un autre mode, on mélange 100% en masse de grains de SiC dont 30 à 70 % d’une première fraction d’une ou plusieurs poudres de SiC qui a un diamètre médian compris entre 1 et 40 mhi et 70 à 30 % d’une seconde fraction d’une ou plusieurs poudres de SiC qui a un diamètre médian compris entre 0,2 et 5 mhi, la première fraction ayant un diamètre au moins deux fois, voire trois fois ou même cinq fois supérieur au diamètre de la seconde. Le ratio massique eau ajoutée sur le total de SiC varie de 0,8 à 1,2. Bien évidemment la barbotine peut comporter des adjuvants tels que des lubrifiants, des liants temporaires, des plastifiants, des antimoussants.

A ce mélange de poudres, on ajoute une masse d’eau désionisée correspondant à 10 à 120% de la masse totale des poudres inorganiques. La membrane comprend également une couche séparatrice déposée sur la couche de primaire. C’est dans cette couche séparatrice que la porosité est contrôlée afin de conférer au filtre sa sélectivité. La barbotine utilisée pour le dépôt de la couche séparatrice peut comprendre entre 30 et 70% en masse de grains de SiC ayant un diamètre médian de 0,5 à 20 mhi ou entre 30 et 70% en masse, au total, d’un mélange de silicium métallique, de silice et de carbone, le complément étant de l’eau désionisée. Selon un mode particulier la barbotine ne comporte qu’un composant minéral sous la forme d’une poudre de SiC ayant un diamètre médian compris entre 0,1 et 11 micromètres. Le ratio massique eau ajoutée sur le total de SiC varie de 0,8 à 1,2.

Certains additifs tels que des agents épaississants, des agents liants et/ou des agents dispersants peuvent être ajoutés aux barbotines afin de contrôler notamment leur rhéologie. La viscosité des barbotines est typiquement de 0,01 à 0,8 Pa.s, de préférence de 0,05 à 0,7 Pa.s, mesurée à 22 °C sous un gradient de cisaillement de 1 s ¹ selon la norme DIN -53019-1 :2008. Les barbotines peuvent comprendre typiquement de 0,1 à 1% de la masse d’eau d’agents épaississant choisis de préférence parmi les dérivés cellulosiques. Elles peuvent comprendre typiquement de 0.1 à 5% de la masse de poudre de SiC d’agents liants choisis de préférence parmi les poly(vinylalcool) (PVA) ou et les dérivés d’acrylique. Les barbotines peuvent également comprendre de 0.01 à 1% de la masse de poudre de SiC d’agents dispersants choisis de préférence parmi les polymétacrylate d’ammonium. Une ou plusieurs couches de barbotine peuvent être déposées afin de former la membrane. Le dépôt d’une couche de barbotine permet typiquement d’obtenir une membrane d’épaisseur de 2 à 80 pm, mais des membranes plus épaisses typiquement de 100 à 300 mhi peuvent être obtenues par le dépôt de plusieurs couches successives de barbotine.

Le produit revêtu est ensuite séché à température ambiante typiquement pendant au moins 30 minutes puis à 60 °C pendant au moins 6 heures. Les supports ainsi séchés sont frittés à température de cuisson typiquement comprise entre 1200°C et 2200 °C, de préférence entre 1500°C et 2000°C, sous atmosphère non oxydante, de préférence sous argon de manière à obtenir une porosité de membrane mesurée par analyse d’image de 10 à 70% en volume et un diamètre médian équivalent de pores mesuré par analyse d’image de 5 nm à 5 pm, de préférence entre 100 nanomètres et 3000 nanomètres.

La plaque filtrante selon l’invention peut être utilisée pour diverses applications de purification de liquides et/ou de séparation de particules ou de molécules ou de micro organismes d’un liquide.

La plaque filtrante selon l’invention peut être utilisée notamment pour diverses applications de purification de liquides et permet de maximiser le flux de filtrat indépendamment de la viscosité du liquide à filtrer. Elle peut être utilisée pour filtrer des liquides ayant par exemple une viscosité dynamique de 100 à 5000 mPa.s, voire jusqu’ à 10000 mPa.s. La viscosité dynamique du fluide à filtrer peut être mesurée à 20°C, sous un gradient de cisaillement de 1 s ¹ selon la norme DIN 53019-1 :2008. La présente invention porte notamment sur l’utilisation d’une plaque filtrante telle que décrite ci-dessus pour la purification de l’eau de production issue de l’extraction pétrolière ou des gaz de schiste. Elle trouve également son application dans divers procédés industriels de purification et/ou de séparation de liquides dans le domaine de la chimie, de la pharmaceutique, de l’alimentaire, de l’agroalimentaire ou des bioréacteurs, ainsi que dans les eaux de piscine.

L’invention concerne aussi un dispositif qui peut comprendre en outre une ou plusieurs plaques d’aération. La ou les plaques d’aération sont en communication de fluide avec des moyens d’amenée du gaz d’aération sur une portion de sa surface qui est autrement isolée de façon étanche du liquide à filtrer dans l’enceinte, de telle sorte que le liquide à filtrer ne puisse pas passer entre ladite plaque d’aération et lesdits moyens d’amenée du gaz d’aération. Le gaz d’aération peut être de l’air, voire de l’oxygène, notamment pour agir sur l’activité biologique dans le cas d’un bioréacteur à membrane. Il peut aussi s‘agir d’un gaz afin de traiter chimiquement le liquide à filtrer par exemple par réduction ou par oxydation. La ou lesdites plaques d’aération peuvent être fixe ou mobile, tout comme la plaque de filtration. Chaque plaque d’aération peut être avantageusement intercalée entre deux plaques filtrantes. Elle peut comprendre du Carbure de Silicium. Elle peut présenter sensiblement les mêmes caractéristiques de matériau que la plaque filtrante. Selon un mode de réalisation possible, une plaque filtrante peut aussi constituer une plaque d’aération, le moyen d’amenée du gaz d’aération pouvant alors être ou non connecté au moyen d’évacuation du filtrat ou du perméat, la plaque fonctionnant de manière alternative en mode filtration ou en mode aération.

Les figures annexées ci-jointes permettent d’illustrer plus en détails certains aspects de la présente invention. Les informations données par la suite ne doivent cependant pas être considérées comme restreignant la portée de l’invention, sous aucun des aspects de l’invention décrits dans les figures.

La figure 1 illustre une vue en coupe d’un dispositif filtrant 1 selon l’invention comprenant une enceinte 2 entourée de parois (non représentées sur la figure) alimentée par une tubulure 3 en liquide à filtrer dont un trajet typique dans l’enceinte est symbolisé par les flèches 5. Le liquide à filtrer est mis en turbulence grâce au moyen 4 qui peut être une hélice, une turbine ou un axe muni d’ailettes. Le moyen 4 traverse la plaque filtrante 6 dont le support 7a est revêtu d’une membrane comprenant une couche séparatrice 7b du type précédemment décrit. Après traversée de la membrane et en particulier de sa couche séparatrice qui a pour rôle de retenir les particules polluantes, le filtrat 8 obtenu traverse l’épaisseur de la plaque filtrante poreuse et rejoint le moyen d’évacuation 9, qui est autrement isolé de façon étanche du liquide contenu dans l’enceinte grâce aux joints 10. La plaque de filtration selon l’invention telle que représentée sur la figure 1 est un disque de diamètre D et d’épaisseur e, percé en son centre d’un orifice de diamètre d. La plaque 6 est sensiblement identique à celle décrite en relation avec l’exemple 1.

La figure 2 illustre une vue en coupe d’un autre dispositif filtrant 11 selon l’invention incorporant une plaque de filtration 16 et comprenant une enceinte 12 alimentée par une tubulure 13 en liquide à filtrer dont un trajet typique dans l’enceinte est illustré par les flèches 15. La plaque 16 comprend un support poreux 17a revêtu d’une membrane de filtration 17b comprenant une couche séparatrice La plaque de filtration est solidaire avec un axe creux 14, les deux éléments étant mobiles en rotation dans l’enceinte. Le liquide à filtrer est mis en turbulence cette fois au moyen de l’axe creux mobile 14 et la plaque, elle-même entraînée en rotation avec l’axe. Le liquide à filtrer traverse la plaque filtrante et le filtrat 18 obtenu progresse dans l’épaisseur de la plaque filtrante et rejoint le moyen d’évacuation dans l’axe creux 14. Le contact étanche entre l’axe 14 et la plaque filtrante 16 étant assuré par un joint 19.

Si les sollicitations mécaniques sont d’évidence différentes selon les modes des figures 1 et 2, la plaque filtrante dans les deux cas doit pouvoir résister à des degrés divers à de fortes sollicitations mécaniques du fait du régime fortement turbulent du liquide à filtrer qui peut être particulièrement visqueux voire abrasif.

La présente invention et ses avantages sont illustrés à l’aide des exemples suivants. Les exemples selon l’invention ne doivent bien entendus par être considérés comme limitatifs de sa mise en œuvre. EXEMPLES :

Des substrats ou supports ont été obtenus par coulage d’une barbotine dans un moule plâtre. Les différentes compositions de base du mélange de grains composant la barbotine de coulage et les dimensions des plaques obtenues pour chaque exemple sont décrites dans le tableau 1. Après durcissement à l’air et démoulage, les supports ont été ensuite séchés à 110°C / 12h puis cuits sous Argon à 2200°C selon un palier de 6h. La porosité et le diamètre médian de pores des substrats sont obtenus par l’adaptation de la composition granulométrique du mélange de grains de la barbotine. Une série de cinq supports a été produite par exemple de réalisation. Les substrats ont tous la forme d’un disque de diamètre D percé en son centre d’un orifice de diamètre d. Une membrane de filtration a ensuite été déposée sur la surface des supports excepté l’épaisseur périphérique qui a été masquée (face d’évacuation). Le dépôt de la membrane est réalisé par enduction de barbotines. Pour cela, un primaire d’accrochage de la membrane est constitué dans un premier temps, à partir d’une barbotine dont la formulation est précisée dans le tableau 1 ci-après. Une couche séparatrice est ensuite déposée sur la couche de primaire à partir d’une barbotine dont la formulation est précisée dans le tableau 1 ci-après. La viscosité des barbotines, mesurée à 22 °C sous un gradient de cisaillement de 1 s ¹ selon la norme DINC33-53019-1 :2008, est réglée à 0,1 Pa.s à l’aide d’additifs bien connus de l’homme du métier. Le primaire et la couche séparatrice sont déposés selon le même procédé. La barbotine est introduite dans un réservoir sous agitation à 20 tours/min. Après une phase de désaérage sous vide léger, typiquement 25 mbars, tout en conservant l’agitation. Le réservoir est mis en surpression d’environ 300 mbars afin d’alimenter un pistolet de protection dont la buse est adaptée, avec un diamètre de 1 mm à 2 mm. La projection est obtenue via un gaz vecteur (l’air) réglé à une pression de 1 à 3 bars. La barbotine vient enduire les surfaces non masqués du support. Le support enduit est ensuite séché à température ambiante pendant 30 minutes puis à 60 °C pendant 30 h. Le support enduit ainsi séché est ensuite fritté à une température de 1650°C sous atmosphère d’ Argon pendant 2 heures pour obtenir une porosité de la membrane de 40% avec un diamètre médian de pores de 600 nm. Dans le tableau 1 ci-dessous, on a reporté les principales caractéristiques du procédé d’obtention des plaques filtrantes selon l’invention :

[Table 1]

[Table 2] Dans le tableau 2 précédent on a reporté les principales caractéristiques des plaques

Pour chaque exemple, on a déterminé selon un test n° 1 un module de rupture en flexion à 20°C. (MOR 20°C), mesuré sous air sur une éprouvette de dimensions (en mm ³ ) de 80x20xépaisseur de la plaque. Le montage en flexion 3 points est réalisé avec une distance de 60 mm entre les deux appuis inférieurs et la vitesse de descente du poinçon est égale à 0,5 mm/min. La valeur est une moyenne résultant de trois mesures successives. Les résultats ont été reportés dans le tableau 3 ci-dessous.

Un test n°2 de flexion sur plaque a aussi été réalisé afin de mesurer la charge conduisant à la rupture déterminant ainsi la force à la rupture. Un poinçon de diamètre supérieur au diamètre interne du disque avec des appuis inférieurs est appliqué sur la plaque maintenue à sa périphérie sur un support circulaire avec appuis supérieurs comme schématisé sur la figure 3. Une force est appliquée sur la face supérieure du poinçon à l’aide d’une presse selon une vitesse sensiblement constante (100 Kg/min) jusqu’à rupture. Il est reporté dans le tableau 3 la charge à la rupture exprimée en pourcentage par rapport à l'exemple 2 selon l’invention pour lequel on a attribué la valeur de 100%.

Selon un test n°3, la capacité de filtration a été évaluée par mesure de flux en plaçant une plaque filtrante dans une enceinte telle que décrite dans la figure 1. Le fluide est constitué d’eau déminéralisée et désionisée à une température de 25 °C. Il est injecté dans l’enceinte à une pression de 2 bars et selon une vitesse de rotation de 350tr/min afin d’assurer une pression transmembranaire de 1,5 bars. L’étanchéité entre le moyen de récupération en périphérie et la face d’évacuation périphérique de chaque plaque est assurée par un joint de diamètre torique d’épaisseur 13mm. Il est reporté dans le tableau 3 le flux caractéristique de la plaque de l’exemple en pourcentage par rapport à l'exemple 1 selon l’invention pour lequel on a attribué une efficacité de 100%.

Selon un test n°4, on évalue la résistance au rétro-lavage intensif consiste à soumettre le filtre à 1000 impulsions d’eau sous une pression de 3 bars pendant 1 seconde toutes les minutes de telle sorte que le liquide traverse les parois poreuses à contrecourant. On mesure l’augmentation de perméabilité qui peut résulter de dégradation de la membrane. L’exemple 2 est pris comme référence (une valeur 100 lui est attribuée). Une valeur plus faible que 100, par exemple de 80, signifie une perte relative de perméabilité plus faible de 20% par rapport à la référence (et donc une meilleure résistance aux sollicitations mécaniques induites par le rétro-lavage).

[Table 3]

Il apparaît que si les meilleurs flux sont obtenus avec des plaques filtrantes dont le substrat est le plus poreux. Une chute rapide du module de rupture en flexion est cependant observée et la force à la rupture reste insuffisante pour une tenue mécanique suffisante malgré une augmentation significative de l’épaisseur de la plaque filtrante (voir exemple comparatif 1). Les exemples comparatifs 1 à 3 montrent qu’une porosité de 13 % (exemple comparatif 2) ou de 55% (exemple comparatif 1) du support ou une différence entre la longueur maximale et le diamètre de l’orifice central trop importante (exemple comparatif 3) conduisent à un mauvais compromis entre capacité de filtration et propriétés mécaniques (résistance mécanique MOR et/ou résistance à la flexion). A contrario, les plaques filtrantes des exemples 1 et 2 selon l’invention présentent le meilleur compromis en termes de capacité de filtration et de propriétés mécaniques au regard des exemples comparatifs. Le filtre de l’exemple 3 selon l’invention se caractérise par de bonnes propriétés mécaniques mais cependant des capacités de filtration moins élevées que les exemples 1 et 2, bien que celles-ci restent acceptables. On privilégiera selon l’invention une telle réalisation dans un dispositif de purification dans lequel les plaques filtrantes sont soumises à de fortes sollicitations mécaniques. Le filtre selon l’exemple 4 se caractérise par de très fortes capacités de filtration mais de plus faibles propriétés mécaniques, bien que celles-ci restent tout à fait acceptables pour une utilisation dans un dispositif de purification, nécessitant un flux très élevé et des contraintes mécaniques plus faibles. L’importance de la porosité de la couche de la couche séparatrice est démontrée par la comparaison de l’exemple 2 selon l’invention, par comparaison avec les exemples comparatifs 4 et 5. Pour ces trois exemples, les caractéristiques des supports sont identiques, mais on fait varier les caractéristiques de porosité de la couche séparatrice. La comparaison de l’exemple 2 selon l’invention et de l’exemple 5 comparatif montre qu’une porosité de la couche séparatrice supérieure à celle du support permet avantageusement d’obtenir des propriétés de filtration très satisfaisantes tout en préservant une tenue mécanique acceptable pour l’application. De plus, dans les gammes revendiquées de porosité du support, la comparaison de l’exemple 2 selon l’invention avec les exemples comparatifs 4 et 5 montre qu’une porosité de la couche séparatrice comprise entre 30 et 50%, combinée avec les caractéristiques de géométrie et de porosité du support telles que revendiquées conduit aux meilleures performances globales, notamment en termes de compromis entre la résistance mécanique (tests 1 et 2), de capacité de filtration (test 3) et de capacité de rétrolavage (test 4).