Traitement combiné particules / composés organiques volatils sur médias fibreux à base de carbone activé

• Auteur / Autrice : Agnès Rochereau
• Direction : Pierre Le Cloirec
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Génie des procédés
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mécanique, thermique et génie civil (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génie des Procédés Environnement – Agroalimentaire (GEPEA) (Saint-Nazaire)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres de carbone

Composés organiques volatils

Adsorption

Résumé

En vue d'obtenir un système de traitement performant pour l'élimination simultanée de particules de diamètre aérodynamique inférieur à 10 µm (PM10) et de composés organiques volatils (COV), des médias prototypes composés de fibres de carbone activé (FCA) associées à des fibres non-adsorbantes, telles que des fibres cellulosiques (FC) et de polyester (PET), ont été réalisés par voie papetière. L'influence de différents paramètres de fabrication sur les propriétés d'usages des médias a été évaluée. Notamment, l'effet de la composition et de la nature des fibres non-adsorbantes, du degré de raffinage des fibres cellulosiques et de l'ajout de liants a été étudié. Leur impact sur les propriétés de structure du média mais également sur ses performances pour la filtration de particules de dolomite (65 000 part. Cm-3) et l'adsorption de toluène (C0 = 320 mg. M-3) pour une vitesse d'air de 0,3 m. S-1, a été analysé. Pour des médias composés de FCA et de FC, une augmentation de la teneur en FC et de leur degré de raffinage ferme la structure poreuse du média et entraîne une augmentation de son efficacité de capture des particules mais également de la perte de charge générée. L'introduction de fibres de PET et des liants associés pour assurer la tenue mécanique, diminue l'homogénéité de formation du média générant ainsi des passages préférentiels pour l'air et les polluants. Un modèle statistique reliant l'efficacité de filtration initiale des médias à leurs propriétés de structure (porosité et diamètre modal de pores inter-fibres) a été réalisé afin d'accéder à une première prédiction des performances de filtration. Les propriétés d'adsorption à l'équilibre des FCA ne sont pas altérées par la présence de fibres non-adsorbantes et de liants chimiques. Toutefois, en système dynamique, les médias possédant une moins bonne homogénéité de formation, présentent des performances en adsorption plus faibles liées aux passages préférentiels pour l’air. Les médias composés d'au moins 40 % de FCA révèlent des capacités d'adsorption à la saturation élevées (≥ 98 mg. G-1) dans les conditions non favorables étudiées (faible concentration en toluène et vitesse élevée). Aux regards des performances en filtration et en adsorption, un média composé de 50 % de FCA et de 50 % de FC avec un degré de raffinage faible (16 °SR) présente le meilleur compromis entre une efficacité initiale de filtration importante (E ≥ 40 %), une perte de charge modérée (P0 < 60 Pa pour U0 < 0,3 m. S-1) et une teneur en FCA suffisante en vue d'une utilisation en traitement combiné particules / COV.

In order to obtain a system efficient for collecting both particles with an aerodynamic diameter less than 10 µm (PM10) and volatile organic compounds (VOCs), prototype fibrous media containing activated carbon fibers (ACF) associated with non-adsorptive fibers such as cellulose (CF) and polyester (PET) fibers have been developed. Influence of process operating parameters on media end-use properties was investigated. Particularly, effect of type and ratio of non-adsorptive fibers, degree of beating of cellulose fibers and addition of binders was studied. Their impact on physical properties of the medium and its performances for dolomite particle collection (65 000 part. Cm-3) and for toluene adsorption (C0 = 320 mg. M-3) for an air velocity of 0. 3 m. S-1, was analyzed. For media containing ACF and CF, an increase of CF content and their beating level leads to a less opened porous structure of the medium. As a consequence, its particle collection efficiency is improved but the associated pressure also increased. Introduction of PET fibers and associated binders decreases the medium formation quality creating some preferential paths for air and pollutants. A statistical model expressing the medium initial collection efficiency as a function of its structural properties (porosity and modal inter-fiber pores diameter) was established allowing a first prediction of filtration performances. Adsorption properties at equilibrium of ACF are not spoiled due to the presence of non-adsorptives fibers and chemical binders. Nevertheless, in dynamic system, media possessing a low formation homogeneity present lower adsorption performances due to the preferential paths. Media containing at least 40 % of ACF present high adsorption capacities (≥ 98 mg. G-1) in non-favourable conditions studied (low toluene concentration and high velocity). With regard to filtration and adsorption performances, a medium composed of 50 %w ACF and 50 %w CF with a low refining level (16 °SR) presents the best compromise between a high initial particle collection efficiency (E ≥ 40 %), a moderate pressure drop (P0 < 60 Pa for U0 < 0. 3 m. S-1) and a sufficient ACF content in order to do a combined treatment particles / VOC.