Filtration of colloidal silica aggregates :
structure, consolidation and permeability of cakes

Filtration de dispersions agrégées de silice colloïdale : structure, consolidation et perméabilité de dépôts.

J.B. Madeline (1)

1 LGC - Laboratoire de Génie Chimique

In water treatment processes, the separation of colloid particles from the liquid by filtration is a crucial step for the global operation to be effective. A pre-treatment step is generally required for particles to be agglomerated before the liquid is further extracted, leaving aggregates at the membrane surface in a growing porous cake. An important issue lies in the fact that the cake may collapse in response to the applied pressure, resulting in a lost of initial porosity and decrease in permeability. The aim of this study was to investigate cake restructuration mechanism(s) through an experimental multi-scaling approach for a better understanding and tailored-control of cake properties.
For this purpose, dispersions of spherical monodisperse silica colloids (Ludox HS and Klebosol PHN) were aggregated by adding polycation 7+ named Al13 or divalent cation Ca2+. Structural and mechanical features of filtration cakes were investigated through non invasive physical techniques such as Small Angles Neutrons Scattering and Transmission Electronic Microscopy. Investigations have permitted to describe cake collapse through a general compression mechanism mainly controlled by the strength of interparticle bonds within the flocs. Impact of floc features on cake filtration properties has been investigated and we have been able to show that cake compressibility and permeability primarily result from the breakage resistance of interparticle bonds rather than flocs initial fractal properties.

Dans les procédés de coagulation/filtration, la récupération des agrégats dans la phase liquide est une étape cruciale pour l'efficacité de la séparation. Une problématique liée à la filtration est qu'en réponse à la contrainte appliquée, le dépôt formé en surface du filtre peut s'effondrer, impliquant une diminution de sa porosité et perméabilité. L'objet de ce travail a été d'étudier les mécanismes de restructuration de dépôts à travers une approche expérimentale multi-échelle afin d'améliorer la maîtrise de leurs propriétés de filtration. Les propriétés mécaniques et structurales de dépôts obtenus à partir de dispersions colloïdales de silice (Ludox et Klebosol) agrégées par un polycation Al137+ ou un cation divalent Ca2+ ont été analysées par DPAN et MET. Ces investigations ont permis de décrire l'effondrement d'un dépôt suivant un mécanisme de restructuration général contrôlé par la force des liaisons. L'étude menée sur l'impact de la restructuration sur les propriétés de filtration des dépôts a montré que la compressibilité et la perméabilité d'un dépôt dépendent principalement de la résistance à la rupture des liaisons interparticulaires plutôt que des propriétés fractales initiales des agrégats.

Mots clés: colloids; aggregated systems

Mots clés: colloïdes; filtration; systèmes agrégés

Domaines: Sciences de l'ingénieur [physics]

J.B. Madeline. Filtration de dispersions agrégées de silice colloïdale : structure, consolidation et perméabilité de dépôts.. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00323124⟩