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Water Treatments COAGULATION FLOCULATION Principe et technologie Version 1 - 08

Water Treatments COAGULATION FLOCULATION Principe et technologie Version 1 - 08.01.2001 - Document technique - Doc F1.01.01 - Water Treatments Partie III : Floculation - Coagulation 1. Introduction 2. Caractérisation des polymères 3. Théorie de la coagulation-floculation • Caractérisation des particules • Coagulation • Floculation 4. Coagulation - Floculation -Applications • Réactions préparation • Sélection du polymère - Test floculation. Jar Test - Choix selon la boue - Choix selon la machine • Mise en œuvre industrielle • Applications industrielles • Exemples de problèmes à gérer PLAN PLAN Water Treatments INTRODUCTION CHIMIE DES POLYMERES LES FLOCULANTS Le terme floculant défini un polymère qui permet la floculation, c'est à dire la formation de flocs (associations de particules entre elles). Les polymères sont constitués par l'association de monomères lors de la réaction chimique de polymérisation. Polymères naturels : amidons, alginates(extrait d'algues marines). Polymères de synthèse provenant de la chimie du pétrole. Water Treatments CARACTERISATION DES POLYMERES Water Treatments CARACTERISTIQUES DES POLYMERES 1- MONOMERE 2- POIDS MOLECULAIRE 3- DISTRIBUTION DU POIDS MOLECULAIRE 4- STRUCTURE DE LA CHAINE • linéaire • branchée • réticulée 5- SEQUENCE DU MONOMERE • Hasard A-A-B-A-B-B-A-B-A • Alterné A-B-A-B-A-B-A-B-A • Blocs A-A-A-B-B-B-A-A-A • Bloc-branchés A-A-A-A-A-A-A-A-A B B B B Water Treatments Polymères de synthèse et leur charge Polymère anionique Polymère cationique Polymère non-ionique Magnafloc 155 Zetag 7557 Magnafloc 351 Différents modes de fonctionnement selon la nature du polymère : • Cationique : NEUTRALISATION, ADSORPTION, PONTAGE • Anionique et non- ionique : ADSORPTION ET PONTAGE Water Treatments LE POIDS MOLECULAIRE La masse molaire du polymère (105 à 2.107 g.mole-1) caractérise le floc et lui confère notamment ses propriétés physiques : - LA RESISTANCE A LA COMPRESSION - LA RESISTANCE AUX CISAILLEMENTS - LE POUVOIR D’EGOUTABILLITE Caractéristiques des polymères Water Treatments • Polymères POUDRES (GEL) • Polymères MICRO BILLES • Polymères LIQUIDES : - SOLUTIONS (Polymère + eau : 15% - 85%) - EMULSIONS (Polymère + eau + huile : 40% - 15% - 45%) - DISPERSION (Polymère + huile : 50% - 50%) • Polymères LINEAIRES • Polymères RETICULES (uniquement sous forme liquide) Caractéristiques des polymères Water Treatments Coagulants organiques (MAGNAFLOC  ZETAG 71..) Coagulants inorganiques et organiques (ALCYL) Floculants cationiques (ZETAG) Floculants anioniques (MAGNAFLOC) Gammes Ciba SC Water Treatments THEORIE DE LA COAGULATION FLOCULATION Water Treatments Taille des particules et décantabilité - Les particules sont généralement classés par taille Temps requis pour que des particules de densités 2,65, 2,0 et 1,1 chutent de 1 m dans une eau à 15°C. Type de particule Diamètre (mm) Temps de chute Densité de 2,65 Densité de 2,0 Densité de 1,1 Gravier Sable grossier Sable fin Glaise Bactéries Colloïdales Colloïdales Colloïdales 10,0 1,0 0,1 0,01 0,001 0,000 1 0,000 01 0,000 001 0,013 s 1,266 s 126,66 s 3,52 h 14,65 d 4,12 a 412,2 a 41 222,7 a 0,02 s 2,09 s 3,48 min 5,80 h 24,19 d 6,66 a 665,9 a 66 590 a 0,20 s 20,90 s 34,83 min 58,0 h 241,9 d 66,59 a 6 659 a 665 905 a CARACTERISATION DES PARTICULES Water Treatments Charges électriques et double couche Affinité des particules pour l’eau Particules hydrophiles Particules hydrophiles Dispersion spontanée dans l’eau Particules hydratées (entourées de molécules d ’eau) Particules hydrophobes Particules hydrophobes Dispersion non spontanée dans l’eau Elles nécessitent un moyen chimiques ou physiques pour décanter En réalité, les particules sont plus ou moins hydrophyles ou hydrophobes.  On parle de différents dégrés d’hydratation En réalité, les particules sont plus ou moins hydrophyles ou hydrophobes.  On parle de différents dégrés d’hydratation CARACTERISATION DES PARTICULES Water Treatments Charges électriques et double couche (Théorie de Stern) Particule - - - - - Couche liée Couche liée Forces électrostatiques importantes. Les ions se déplacent avec la particule + + + + + + + + + + - - - - - - - Couche diffuse Couche diffuse Forces électrostatiques faibles. Une partie des ions se déplace indépendamment de la particule + + + + + - - ENernst EStern Z = potentiel Zéta Le potentiel Zéta régit le déplacement des colloïdes (plan de cisaillement et limite avec la solution) LA COAGULATION TEND A ANNULER LE POTENTIEL ZETA CARACTERISATION DES PARTICULES Water Treatments coagulation = déstabilisation des particules par compensation des forces Mise au même potentiel électrique de la particule Il existe un équilibre entre les forces de répulsion et les forces d ’attraction électrostatiques coagulation = déstabilisation des particules par compensation des forces Mise au même potentiel électrique de la particule Moyens 1. Compression de la double couche. Augmentation de la force ionique. 2. Adsorption du coagulant et neutralisation des charges. Charges du coagulant peuvent neutraliser les charges de la particule. 3. Emprisonnement des particules dans un précipité. Cas des sels métalliques. 4. Adsorption et pontage. Liaison chimique avec le coagulant. COAGULATION Définition Water Treatments COAGULATION Sels métalliques - Cations trivalents (Fe3+, Al3+) Les coagulants minéraux : Sels métalliques - Cations trivalents (Fe3+, Al3+) - Neutralise les charges de la particules - Abattement d ’une partie de la pollution dissoute - La coagulation est facilitée avec des ions de charge élevée - Faibles coûts - Formation de boues d ’hydroxydes - Corrosif - Modifie le pH de l ’eau Le pH est un paramètre important pour la floculation. Ajustement à la chaux possible Cation pH optimal Al3+ 6,0 à 7,4 Fe3+ > 5 Exemples : Aluminium : AlCl3, Al2(SO4)3 + Ca(OH)2, Al2(SO4)3 + Na2CO3, NaAlO2, [Al6(OH)12]n Fer : FeCl3, FeCl3 + Ca(OH)2, Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2, FeClSO4, FeSO4... Water Treatments COAGULATION Les coagulants organiques de synthèse - Caractère cationique - Masse molaire moyenne 104 à 105 g.mol-1 - Formation de boues moins importante - Composés utilisables directement - Peu de modification de pH et peu de salinité - Habituellement liquide - Ciba SC propose une poudre Magnafloc 368 Water Treatments COAGULATION Facteurs influençant la coagulation • Influence du pH - Une partie des éléments présents dans l’eau sont amphotères : l’ionisation dépend du pH. - Pour un pH élevé (augmentation de charge (-)), la quantité de coagulant sera augmentée • Influence de la température - Augmentation de la viscosité de l ’eau • Influence de la turbidité - Présence de matières en suspension rend plus difficile la décantation. En particulier, MO. • Influence de la concentration en sels dissous - Modifie les interactions électrostatiques et ioniques des colloïdes Water Treatments FLOCULATIONLa floculation augmente la probabilité de rencontre des particules Une fois déstabilisées, les particules s’agglomèrent en FLOCS de vitesse variable = FLOCULATION La floculation augmente la probabilité de rencontre des particules Définition FLOCULATION Schématisation du principe de floculation par polymère de synthèse Water Treatments Floculants utilisés FLOCULATION • On trouve majoritairement des floculants type polymères de synthèse. Avantages : faible quantité de boue, boues épaisses (traitement directe par déshydratation). • Polymères naturels : amidon, alginates (extrait d’algues..), argiles… Efficacité de la floculation dépend de • Temps entre la coagulation et la floculation est primordial • Température, taille du floc, cohésion et vitesse de décantation Water Treatments COAGULATION FLOCULATION APPLICATIONS Water Treatments Réactions de Coagulation - Floculation • Coagulation = déstabilisation des colloïdes • Formation d’un microfloc • Temps de réaction minimum = 2 min • Floculation avec polymère préparée à 1 g.L-1 diluée à 0,2 g.L-1 • Taille du floc : 3 à 5 mm • Réacteur de floculation • Temps de réaction minimum de 5 mn. COAGULATION - FLOCULATION Water Treatments COAGULATION - FLOCULATION Sélection du polymère • Essai laboratoire : Jar-Test. • Détermination du polymère : charges ioniques, poids Moléculaire (PM). • Critères de sélection : Vd, Clarification. • Dosage minimum, optimum, maximum. • Mesures MES, DCO. Water Treatments Sélection du polymère. Test de floculation Jar Test COAGULATION - FLOCULATION Vitesse constante : 40 tours/min T=20 min Observations : - Dose de réactif introduite - Aspect de la floculation (pas de floc, flocs moyens, très gros flocs…) - pH après floculation Water Treatments COAGULATION - FLOCULATION Exemple d’essais Jar test • Concentration en M.E.S. de l ’effluent traité : 226 mg.L-1. Protocole d ’essai : • Ajout de FeCl3 à 10 - 30 et 60 g/m3. • Agitateur à 90 tr/mn. durant 1’50". • Ajout de polymère préparé à 0,5 g/l. • Agitation à 90 tr/min. durant 4’30". • Prélèvement M.E.S. à 10 minutes. Le temps de contact choisi correspond aux temps de contact minimum dans les conditions de temps de pluie à 12 m3/s. Water Treatments Dose FeCl3 Polymère Dose polymère Taille du floc Vitesse de décantation MES pour 0,5 g.m-3 g.m-3 g.m-3 cm.mm-1 mg.L-1 10 Magnafloc E24 0,3/0,5 Moyen gros/gros 16/18 > 30 Magnafloc 155 0,3/0,5 Moyen/gros 12/15 > 30 Magnafloc 156 0,3/0,5 Petit/très petit / > 30 30 Magnafloc E24 0,3/0,5 Gros/gros 20/19 35 Magnafloc 155 0,3/0,5 Moyen gros/gros 15/20 28 Magnafloc 156 0,3/0,5 Moyen petit/petit 05/05 62 60 Magnafloc E24 0,3/0,5 Moyen/moyen 10/10 24 Magnafloc 155 0,3/0,5 Très gros/très gros 18/26 28 Magnafloc 156 0,3/0,5 Gros/gros 12/15 > 30 Résultats de Jar Test CHOIX MAGNAFLOC 155 Caractère ionique Magnafloc 156 > 155 > E24 CHOIX MAGNAFLOC 155 COAGULATION - FLOCULATION Water Treatments  uploads/Geographie/ format-step-2.pdf