Fabrication
Ce produit est élaboré dans une usine située au Hourdel, au sud de la Baie de Somme. Les galets provenant des falaises du Pays de Caux y sont abondants et notre société est titulaire d'un droit d'exploitation de certains gisements (situés en dehors du domaine maritime).
Après extraction, lavage et criblage en carrière, les galets sont acheminés à l'usine. Pour obtenir un grain cubique sans lamelles, le galet séché passe dans des broyeurs à marteaux où l'usure de l'acier est très importante (3 kg pour une tonne de produit). Les grains sont ensuite débarrassés des éclats de fer, puis tamisés.
Le tamisage est réalisé dans une série de huit bluteries accouplées. Les grains passent dans une première bluterie pour y être sélectionnés en fonction de la granulométrie recherchée, puis dans une deuxième pour y être contrôlés. La succession de ces quatre paires de bluteries permet, suivant la dimension des mailles, d'obtenir des granulométries à la demande, avec un coefficient d'uniformité voisin de 1. Les grains compris entre 120 et 530 microns sont séparés en huit coupures sur des sifts équipés de toiles de bronze.
Le sable siliceux ainsi tamisé est, soit mis en silo, soit ensaché ; au cours de toutes ces opérations le produit est dépoussiéré et contrôlé en laboratoire.
La filtration sur sable siliceux
Quelles sont les qualités que doit réunir un matériau adapté à la filtration ? Elles sont de plusieurs sortes :
Pureté et insolubilité
Le matériau ne doit pas relarguer de substances dissoutes susceptibles de contaminer les liquides filtrés : c'est une exigence dans de nombreuses applications telles que le traitement de l'eau, mais également dans la filtration de certains produits chimiques ou alimentaires. De ce point de vue nos sables constitués d'une silice pratiquement pure (tableau 1)* constituent pour l'utilisateur la meilleure des garanties.
TABLEAU 1Composition chimique du sable concassé
| SiO₂ |
99,53 % |
| Fe₂O₃ |
0,07 % |
| MgO |
0,11 % |
| K₂O |
0,03 % |
Dureté
Si la filtration en elle-même ne soumet pas les matériaux à des efforts susceptibles de les briser, le lavage à contre-courant pratiqué à des fréquences variables selon les conditions opératoires est générateur d'attrition. Il en résulte une production de fines qui présentent plusieurs inconvénients :
- - elle nécessite un renouvellement plus rapide du sable ;
- - elle contamine le liquide filtré ;
- - et surtout, elle modifie la courbe granulométrique du sable.
De ce point de vue, un sable dur, résistant à l'attrition, est bien adapté à son utilisation en filtration, ce que démontrent les résultats des essais d'attrition présentés dans le tableau 2, qui ont été réalisés dans une colonne simulant un cycle de filtration en réduisant volontairement la durée de filtration mais en respectant les conditions de lavage à l'eau et à l'air (vitesse et durée). La masse du sable est restée constante au cours des opérations.
TABLEAU 2Résistance à l'attrition du silex broyé de granulométrie 18/26
| Dimension des mailles du tamis (en mm) |
Refus sur chaque tamis (masse en g) |
| Instant initial |
Après 1 000 lavages |
| 2 |
0 |
0 |
| 1,6 |
4,4 |
5,2 |
| 1,25 |
3,4 |
4,2 |
| 1 |
7,0 |
7,0 |
| 0,8 |
52,2 |
56,6 |
| 0,63 |
47,8 |
49,8 |
| 0,4 |
80 |
74,6 |
| < 0,4 |
5,1 |
4,5 |
| T.E. |
0,44 |
0,44 |
| C.U. |
1,6 |
1,6 |
Distribution granulométrique serrée
Le mode de lavage des filtres à sable conduit en général à la stratification du matériau filtrant : les particules fines se retrouvent ainsi à la partie supérieure du filtre et les grosses au fond, ce qui est néfaste dans le cas où la filtration s'effectue de haut en bas ; en effet les plus volumineuses matières en suspension dans l'eau brute se trouvent en présence des grains de sable les plus fins, d'où s'ensuivent des risques notables de colmatage du filtre.
(*) Les résultats expérimentaux présentés sont extraits d'un procès-verbal d'essais, établi par l'Institut de la Filtration et des Techniques Séparatives.
Il y a donc intérêt à utiliser un sable à granulométrie serrée dont le rendement est caractérisé par son coefficient d’uniformité (CU) employé traditionnellement par les traiteurs d'eau et qui caractérise l'étalement de la distribution granulométrique, il est donné par la formule :
\[ CU = \frac{d_{60}}{d_{10}} \]
appliquée après avoir relevé sur la courbe granulométrique les valeurs de d60 (diamètre moyen de la maille correspondant à 60 % de passant) et d10 (diamètre moyen de la maille correspondant à 10 % de passant).
Le mode de sélection par blutage des différentes granulométries que nous produisons permet d’obtenir un coefficient d'uniformité faible, proche de 1, ce qui caractérise une distribution très resserrée, dont les valeurs, obtenues de façon constante et reproductibles, sont regroupées dans le tableau 3.
TABLEAU 3
Quelques exemples de fuseaux granulométriques proposés
| Éléments |
SILEX 8/12^* |
SILEX 14/16^* |
SILEX 20/26^* |
SILEX 30/40^* |
|
(1,8-2,6) |
(1,3-1,6) |
(0,8-1,0) |
(0,5-0,7) |
| d_{10} |
1,71 |
1,12 |
0,61 |
0,41 |
| d_{60} |
1,95 |
1,38 |
0,81 |
0,55 |
| CU |
1,15 |
1,23 |
1,33 |
1,34 |
(*) Il s'agit du nombre de fils au pouce français carré (mesure des tisserands) ; la correspondance en mm figure entre parenthèses.
Efficacité de la filtration
La filtration en profondeur repose sur des mécanismes très différents de la filtration en surface ; alors que celle-ci fonctionne à la manière d'un tamis, les phénomènes constatés dans la masse du matériau filtrant sont dus au fait que les matières en suspension sont retenues à la surface des grains par des forces électriques et des forces d’adhésion. L'état de surface du sable est donc déterminant pour assurer l'efficacité de cette rétention. Dans cette optique, R.D. Gimbel (1) a mis en évidence l'intérêt que présente un matériau à surface irrégulière et rugueuse par rapport à un matériau à surface lisse (les sables obtenus par broyage présentent effectivement cette surface rugueuse, on le voit sur la photographie).
[Photo : Vues agrandies d’un gravillon roulé (à gauche) et d’un gravillon concassé (à droite) montrant la surface rugueuse de celui-ci.]
La vérification de cette propriété peut être effectuée par détermination de l'indice de filtrabilité, test proposé par Ives (2), qui permet de caractériser des matériaux filtrants. Cet indice est déterminé par l'application de la formule :
\[ \frac{\Delta H\,C}{Q_0 \, t} \]
dans laquelle on a :
H : perte de charge en cm d'eau à l'issue du temps t,
C et C₀ : turbidité (exprimée en NTU) de l'eau filtrée et de l'eau à filtrer à l'issue du temps t,
Q₀ : débit constant de filtration (correspondant à une vitesse de 8,3 cm/min),
t : temps de filtration (pris égal à 60 minutes).
Ces éléments sont recueillis au cours de l'écoulement d'une suspension représentative de l'eau décantée au travers d'un échantillon du sable à tester.
L'indice englobe à la fois l'efficacité et la vitesse de colmatage : plus il est faible, plus le produit est efficace.
Les résultats (présentés au tableau 4) ont été obtenus sur deux échantillons de distribution granulométrique identique, l'un de sable broyé, l'autre de sable roulé. La différence est significative et confirme l'intérêt du sable broyé.
TABLEAU 4
Valeurs comparatives de l’indice de filtrabilité de deux échantillons de sable
| Silex broyé 20/26 |
Sable roulé de même distribution granulométrique |
| 1,5 × 10^{-4} |
1,75 × 10^{-4} |
Conclusion
Le matériau obtenu à partir de silex broyé et séparé en différentes fractions par blutage est particulièrement adapté à la filtration grâce à ses propriétés :
- — pureté et insolubilité ;
- — dureté et résistance à l'attrition ;
- — distribution granulométrique resserrée (coefficient d’uniformité proche de 1) ;
- — efficacité de filtration, due à son état de surface.
Les résultats obtenus dans une filière de traitement d'eau potable confirment cette analyse.
Bibliographie
1. R.D. GIMBEL, Influence of the filter grain surface structure on the transport and adhesion mechanisms in deep bed filters. Water filtration proceedings — Symposium Antwerp, Belgium 21-23 April 82.
2. K.J. IVES, Fundamentals of filtration — survey paper. Water filtration proceedings — Symposium Antwerp, Belgium 21-23 April 82.
