C’est pour cette raison que plusieurs méthodes de mesure de ses performances peuvent être utilisées.
Lorsqu’on procède à des filtrations dans les liquides à des seuils submicroniques, on utilise des tests qui sont corrélés à des challenges bactériens : il s’agit de tests de diffusion gazeuse, à travers une membrane poreuse, ou de tests de point de bulle, de caractère non destructif. Ces méthodes sont couramment utilisées pour répondre aux besoins des industries pharmaceutique, agro-alimentaire et électronique. Les tests sont souvent effectués par l'utilisateur pour s’assurer, de façon régulière, de l’intégrité des systèmes de filtration.
Ces contrôles ne sont pas effectués pour des seuils supérieurs au micron, notamment pour des filtres de type « profondeur » dans l'industrie chimique. Il est toutefois indispensable que des méthodes d’évaluation des performances des filtres soient reconnues et utilisées par des constructeurs ou des laboratoires indépendants. La méthode que nous allons présenter est une mesure de l'efficacité du filtre, qui est effectuée suivant un test destructif développé aux États-Unis par l'Oklahoma State University (OSU), sous la direction du docteur E. Fitch. La méthode consiste à évaluer les performances d’un filtre, et à les quantifier à l'aide du rapport BETA (X), X désignant la taille des particules à arrêter.
Schématiquement, ce rapport définit l'efficacité d’un filtre par rapport à l’arrêt de particules de taille supérieure ou égale à un seuil donné : on compte le nombre de particules supérieures ou égales à X microns ; en amont : Nx,am ; en aval : Nx,av. L’expression du rapport BETA (X), pour la taille de particules X donnée, est représentée par la formule :
BETA (X) = Nx,am / Nx,av
La définition précise de l’essai qui conduit au calcul du rapport BETA (X) a fait l’objet d’une norme internationale. Ce test, appelé OSU-F2, est décrit dans la norme ISO 4572, et s’applique aux fluides hydrauliques ; un test dérivé permet de mesurer l'efficacité d'un filtre utilisé pour des liquides aqueux : c’est le test OSU-F2 modifié. Il consiste à alimenter de façon constante, à débit nominal, un filtre avec une suspension, en solution aqueuse, de particules de silice, jusqu'à obtention d’une perte de charge correspondant au colmatage. Le comptage des particules est réalisé en continu, côté amont et côté aval, sur six tailles de particules. La suspension de silice est l'A.C.F.T.D. (Air Cleaner Fine Test Dust), dont la granulométrie est utilisée comme référence. Le schéma simplifié du banc d’essai est présenté sur la figure ci-contre. Plusieurs laboratoires en Europe possèdent un tel équipement.
[Photo : Banc-test OSU F2 modifié (test « simple pass »).]
Le calcul du rapport BETA (X) conduit au calcul de l’efficacité pour un seuil donné, par la formule :
% efficacité = (BETA (X) – 1) / BETA (X) × 100
Cette formule conduit à des chiffres parfois trompeurs : ainsi, un filtre d'un rapport BETA (5) de 100 aura une efficacité de 99 % pour des particules de taille supérieure ou égale à 5 µm (tableau 1), ce qui peut sembler satisfaisant ; en fait, ce filtre laisse passer une particule sur 100, ou 10 particules sur 1000 ; pour des pollutions amont très importantes, la contamination aval pourra donc rester importante.
Tableau 1 — Rapport BETAₓ et efficacité (ε)
ε % = (BETA(X) – 1) / BETA(X) × 100
| RAPPORT BETA(X) |
EFFICACITÉ % |
| 50 |
98 % |
| 100 |
99 % |
| 1 000 |
99,9 % |
| 10 000 |
99,99 % |
Dans tous les cas de figure, pour un seuil donné et pour un maximum d’efficacité, le rapport BETA devra être très élevé (tableau 2).
Tableau 2 — Rapport BETA et granulométrie données pour un filtre profilé de 3 µm
| Taille particules (X) |
Rapport BETA(X) |
EFFICACITÉ |
| 3 µm |
5 000 |
99,98 % |
| 2,5 µm |
1 000 |
99,9 % |
| 1,8 µm |
100 |
99 % |
| 0,7 µm |
10 |
90 % |
Le test OSU-F2 modifié utilise des compteurs multicanaux, ce qui permet de calculer plusieurs rapports BETA(X), à des seuils différents. On peut ainsi quantifier l’efficacité d’un filtre sur une répartition granulométrique. Un exemple est donné dans le tableau 2, pour un filtre avec seuil de 3 microns.
La principale qualité de cette opération réside dans sa définition normalisée qui en fait un test reproductible. C’est cette caractéristique qui permet de comparer plusieurs filtres, soit de différentes technologies ou de différents fabricants, voire même plusieurs filtres d’un même fabricant. Cette approche de la filtration nous permet alors de mieux apprécier les performances d’un filtre.
Un bon système de filtration devra donc répondre aux impératifs suivants :
- présenter une efficacité répondant aux objectifs de filtration (valeur de BETA correspondant à la taille des particules à arrêter, par exemple 5 000),
- avoir une perte de charge initiale faible (pour assurer une grande durée de vie avant colmatage),
- présenter une fiabilité suffisante : quand le colmatage est proche et que la perte de charge augmente, le rapport BETA ne doit pas être altéré (garantie de non-relargage).
Ces critères doivent permettre de répondre de façon satisfaisante au cahier des charges d’un poste de filtration, notamment sur les performances d’efficacité et de fiabilité qui sont évaluées par la méthode mise au point par l’Oklahoma State University. Ce test est reproductible et proche des conditions industrielles de travail, permettant ainsi de rendre compte de façon satisfaisante des phénomènes complexes mis en jeu dans la filtration des liquides.
[Photo : Une cartouche filtrante profilée.]
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