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THÈSE Pour l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des

THÈSE Pour l'obtention du grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ DE POITIERS UFR des sciences fondamentales et appliquées Pôle poitevin de recherche pour l'ingénieur en mécanique, matériaux et énergétique - PPRIMME (Poitiers) (Diplôme National - Arrêté du 25 mai 2016) École doctorale : Sciences et ingénierie en matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique - SIMMEA (Poitiers) Secteur de recherche : Génie électrique Présentée par : Sara Messal Procédés de séparation électrostatique de matériaux pulvérulents. Applications au recyclage des déchets et dans l'industrie agro-alimentaire Directeur(s) de Thèse : Lucian Dascalescu, Thami Zeghloul Soutenue le 05 décembre 2016 devant le jury Jury : Président Thierry Paillat Professeur des Universités, Université de Poitiers Rapporteur Adrian Samuila Profesor, Universitatea tehnica din Cluj-Napoca, Romania Rapporteur Khouira Senouci Maître de conférences, Université de Sidi-bel-Abbès, Algérie Membre Lucian Dascalescu Professeur des Universités, Université de Poitiers Membre Thami Zeghloul Maître de conférences, Université de Poitiers Membre Jean-Charles Laurentie Maître de conférences, Université de Montpellier 2 Membre Xavier Rouau Directeur de recherche, INRA de Montpellier Membre Claire Mayer-Laigle Ingénieur de recherche, INRA de Montpellier Pour citer cette thèse : Sara Messal. Procédés de séparation électrostatique de matériaux pulvérulents. Applications au recyclage des déchets et dans l'industrie agro-alimentaire [En ligne]. Thèse Génie électrique. Poitiers : Université de Poitiers, 2016. Disponible sur Internet <http://theses.univ-poitiers.fr> THESE Pour l’obtention du Grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées) (Diplôme National - Arrêté du 7 août 2006) Ecole Doctorale : Sciences et Ingénierie en Matériaux, Mécanique, Energétique et Aéronautique Secteur de Recherche : Sciences pour l’ingénieur Spécialité : Génie électrique Présentée par : Sara MESSAL ************************ PROCEDES DE SEPARATION ELECTROSTATIQUE DE MATERIAUX PULVERULENTS. APPLICATIONS AU RECYCLAGE DES DECHETS ET DANS L’INDUSTRIE AGRO-ALIMENTAIRE ************************ Directeur de thèse : Lucien DASCALESCU Co-encadreur de thèse : Thami ZEGHLOUL ************************ Soutenue le 5 décembre 2016 devant la Commission d’Examen ************************ JURY M. Adrian SAMUILA PU Université Technique de Cluj-Napoca Rapporteur Mme Khouira SENOUCI MCU Université de Sidi-bel-Abbès Rapporteur M. Xavier ROUAU DR INRA Montpellier Examinateur M. Jean-Charles LAURENTIE MCU Université de Montpellier Examinateur Mme Claire MAYER-LAIGLE IR INRA Montpellier Examinateur M. Thierry PAILLAT PU Université de Poitiers Examinateur M. Thami ZEGHLOUL MCU Université de Poitiers Examinateur M. Lucien DASCALESCU PU Université de Poitiers Examinateur À la mémoire de mon grand-père Mohamed TABOUT (1929-2015) REMERCIEMENTS On dit souvent que l’itinéraire est aussi important que la destination. Ces trois années de doctorat m’ont permis de bien comprendre la signification de cette phrase toute simple. En effet, ce parcours ne s’est pas réalisé sans défis et sans soulever de nombreuses questions pour lesquelles les réponses ont nécessité de longues heures de labeur. Je tiens en premier lieu à remercier le Conseil Régional de la Charente qui a financé cette thèse, et qui m’a permis de poursuivre mon cursus universitaire. Je voudrais exprimer mes sincères reconnaissances envers M. Adrian SAMUILA et Mme. Khouira SENOUCI, pour avoir manifesté un grand intérêt pour le sujet en acceptant d’être rapporteurs de cette thèse. Mes remerciements s’adressent également à M. Jean-Charles LAURENTIE et à M. Thierry PAILLAT pour avoir accepté d’examiner la thèse. Je tiens aussi à adresser mes vifs remerciements à M. Xavier ROUAU et à Mme. Claire MAYER-LAIGLE, de m’avoir accueillie si chaleureusement au sein de l’INRA de Montpellier et d’avoir accepté d’être également les examinateurs de cette thèse. Je rends un majestueux hommage au travail d’encadrement et aux qualités humaines et scientifiques de mes directeurs de thèse M. Lucien DASCALESCU et M. Thami ZEGHLOUL, dont la disponibilité, le savoir-faire et le soutien ne m’ont jamais fait défaut. Je tiens à exprimer ma reconnaissance envers M. Karim MEDLES, pour ses qualités de chercheur, qu’il trouve ici l’expression de mes remerciements. Je voudrais aussi remercier, et de façon très particulière, une personne qui m’a aidée et qui est à mes yeux inestimable. Que M. Rafik MESSAL trouve ici l’expression de ma gratitude pour son admirable esprit scientifique. Mes remerciements s’adressent aussi à tous les membres de l’Institut PPRIME, de l’IUT d’Angoulême et de l’Université de Sidi-Bel-Abbés, qui ont été proches de moi ces trois dernières années. . SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE 9 I. ETAT DE L’ART 15 I-1. Mécanismes de charge électrique 16 I-1.1. Effet couronne 16 I-1.2. Induction électrostatique 20 I-1.3. Effet tribo-électrique 22 I-2. Séparation électrostatique des matériaux pulvérulents 32 I-2.1. Installations de laboratoire 32 I-2.2. Brevets d’inventions 42 I-2.3. Applications industrielles 45 II. MATERIAUX ET METHODES 49 II-1. Caractérisation des matériaux 50 II-1.1. Matériaux issus des DEEE 50 II-1.2. Matériaux végétaux 54 II-2. Installations de séparation électrostatique pour matériaux pulvérulents 59 II-2.1. Séparateur électrostatique à électrode-convoyeur multifonctions 59 II-2.2. Séparateur tribo-aéro-électrostatique à deux disques métalliques 62 II-3. Techniques de mesure et procédures experimentales 67 II.3.1. Mesure des charges et des masses des produits séparés 67 II-3.2. Mesure de potentiel de surface par voltmètre électrostatique 68 II-3.3. Analyse de la pureté des produits séparés 68 II-4. Méthode des plans d’expériences 71 III. PROCEDES DE SEPARATION COURONNE – ELECTROSTATIQUES 75 III-1. Modes de fonctionnement du séparateur électrostatique multifonctions 76 III-1.1. Séparation électrostatique 77 III-1.2. Séparation couronne-électrostatique 74 III-2. Applications de la séparation électrostatique 76 III-2.1. Séparation d’un mélange pulvérulent de ciment et de paille 76 III-2.2. Séparation d’un mélange d’Aluminium et d’ABS 81 III-3. Applications de la séparation couronne-électrostatique 84 III-3.1. Séparation couronne-électrostatique de matières végétales 84 III-3.2. Séparation couronne-électrostatique des DEEE micronisés 93 IV. PROCEDES DE SEPARATION TRIBO-ELECTROSTATIQUES 107 IV-1. Séparation tribo-vibro-électrostatique 108 IV-1.1. Application à la séparation d’un mélange d’ABS et de PC 109 IV-1.2. Application à la séparation d’un mélange d’ABS et de PS 118 IV-2. Séparation tribo-aéro–électrostatique d’un mélange d’ABS et de PS 122 IV-2.1. Matériaux et méthode 123 IV-2.2. Résultats et interprétations 125 CONCLUSION GENERALE 135 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 139 ANNEXES 153 9 INTRODUCTION GENERALE Charles-Augustin Coulomb (1736-1806) « On graduating from school, a studious young man who would withstand the tedium and monotony of his duties has no choice but to lose himself in some branch of science or literature completely irrelevant to his assignment ». 10 L’épuisement des ressources naturelles, la raréfaction de la production pétrolière, la flambée de la demande en matières premières, et le dérèglement climatique, sont autant d’enjeux auxquels la planète doit aujourd’hui faire face. Près de sept milliards de personnes vivent dans un monde où la technologie occupe une place de plus en plus importante, cette croissance exponentielle de la consommation peut provoquer d’un moment à l’autre des crises économiques, sociétales et environnementales majeures. Il est donc indispensable de limiter son impact mais aussi de créer de nouvelles ressources et de l’énergie, afin d’assurer la transition vers un nouveau cadre énergétique où les énergies non carbonées (renouvelables) seront dominantes [1]. La séparation électrostatique [2], [3] est une technologie qui s’intègre pleinement à ce nouveau modèle énergétique. Caractérisée par une faible consommation d’énergie, ainsi que par des coûts réduits d’exploitation et d’entretien, elle représente une technologie économiquement viable pour le recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques [4] ainsi que pour la purification des minerais [5] et des produits agro- alimentaires [6]. Son utilisation dans ces industries nécessite le développement de nouveaux procédés et de nouvelles installations afin d'améliorer les performances, tout en respectant une réglementation de plus en plus sévère respectueuse de l'environnement. Afin de répondre aux besoins de l’industrie du recyclage, de multiples recherches ont été réalisées par l’Institut PPRIME de Poitiers en partenariat avec les sociétés APR2, de Bonnières sur Seine, et CITF, de Saint Cybardeaux, en Charente, pour la mise au point de procédés efficaces de séparation électrostatique de différents types de matériaux granulaires. Des séparateurs électrostatiques à chute libre sont déjà largement utilisés dans l’industrie pour le tri des mélanges granulaires de plastiques [7], [8]. La société APR2 a notamment déposé conjointement avec le CNRS un brevet d’invention concernant un séparateur tribo- aéro-électrostatique pour le recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques (Figure 1), capable de séparer des mélanges de matériaux plastiques granulaires dont la taille varie de 1 mm à 6 mm [9]. La séparation électrostatique est de plus en plus utilisée pour le recyclage des métaux, pour des raisons liées aux difficultés croissantes d’extraction, d'épuisement des ressources, mais aussi à la préservation de l’environnement [10], [11]. Dans ce domaine, l’Institut PPRIME a conçu et la société CITF a construit un séparateur couronne-électrostatique à électrode plaque et à tambour pour le tri des matières conductrices et non-conductrices des déchets de câbles électriques [12]. INTRODUCTION GENERALE INTRODUCTION 1 1 2 2 3 3 4 4 5 6 Figure 1 : Séparateur tribo-aéro- électrostatique pour le recyclage des DEEE ; 1 : Goulotte oscillante ; 2 : Alimentations en haute tension ; 3 : Convoyeurs-électrodes ; 4 : Collecteurs de granules ; 5 : Lit fluidisé ; 6 : Boite électrique de commande. Brevet FR2943561/2009, WO20101 09096/2010 [9]. Les recherches entreprises par l'Institut PPRIME ont été très fructueuses lorsqu’il s’agissait de la séparation des matériaux granulaires de tailles millimétrique. Cependant, peu de résultats ont été obtenus pour la séparation électrostatique des matériaux pulvérulents dont la taille est inférieure à 1 mm, comme ceux rencontrées dans l’industrie agro-alimentaire [13]. La uploads/Litterature/2016-messal-sara-these.pdf