UPThèses

La séparation électrostatique désigne l’ensemble des méthodes qui font usage des forces exercées par le champ électrique sur des particules chargées ou polarisées, pour faire le tri des constituants de mélanges granulaires. L'efficacité et la qualité de la séparation électrostatique dépendent de la charge électrique acquise par les particules dans les dispositifs de tribochargement appropriés. L’objectif cette thèse a été de trouver des solutions techniques viables aux problèmes de séparation électrostatique des matériaux plastiques granulaires, pour des applications au recyclage des déchets d’équipements électriques et électroniques. En effet la société CITF, partenaire de cette thèse CIFRE, vise de pouvoir proposer à ses clients des installations capables d’assurer le traitement d’une gamme élargie de mélanges de plastiques granulaires recyclables, avec des rendements de séparation élevés et une meilleure efficacité énergétique. Afin d’atteindre cet objectif, la thèse a dû répondre répondre en amont à plusieurs questions d’intérêt scientifique indéniable : (1) Quels mécanismes physiques (contact particule – particule, contact particule-parois), et quels types de dispositifs de charge (à vibrations, à cylindre tournant, à lit fluidisé,…) pour quels types de mélange de matériaux plastiques granulaires ? (2) Comment évaluer la faisabilité de la séparation triboélectrostatique d’un mélange ? (3) Quelles sont les limites des procédés actuels de séparation triboélectrostatique et quelles sont les solutions pour lever les verrous technologiques ? L’originalité de la démarche repose sur la mise en œuvre de techniques expérimentales de pointe pour une investigation pluridisciplinaire et multi-échelles des phénomènes triboélectriques, électrostatiques et aérodynamiques dont l’utilisation associée au prétraitement des matériaux par une décharge à barrière diélectrique rendrait possible la séparation de mélanges de matériaux plastiques granulaires de tailles < 10 mm.

Les risques des décharges électrostatiques (DES) sur des dispositifs et systèmes électroniques dépend de l'état de charge de l'opérateur et des objets situés à proximité. Cette thèse a eu comme objectif de contribuer à la mise au point d'une méthodologie de mesure pour caractériser l'état de charge des opérateurs et des matériaux textiles, afin d'établir leur capacité de produire DES nuisibles. Des méthodes de mesure directes et indirectes ont été proposées pour l'évaluation de la charge des opérateurs dans trois situations d'intérêt pratique. D'autres techniques, telles que la mesure de potentiel de surface et de l'intensité du champ électrique ont été utilisées pour le monitoring de l'état de charge des matériaux textiles. Des modèles comportementaux ont été établis pour la charge et la décharge de ces matériaux, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences. Les essais réalisés sur des échantillons de polypropylène et de polyester ont permis de valider aussi deux méthodes permettant d'accélérer la diminution de la charge des médias isolants non-tissés en utilisant des générateurs d'ions ou des décharges couronne produites par des électrodes alimentées à des hautes tensions sinusoïdales ou triangulaires, de fréquences allant jusqu'à 400 Hz. Un exemple d'accumulation d'électricité statique sur une plaquette de silicium est aussi discuté, en rapport avec une application à la fabrication des microsystèmes électromécaniques. L'amélioration de la méthodologie de mesure est un pré-requis pour l'adoption des meilleures stratégies destinées à maîtriser les risques électrostatiques dans un environnement industriel.

Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre, ou simplement mis en contact, ils acquièrent chacun une charge électrique de signes opposés. Ce mécanisme d’acquisition de charge, portant le nom de triboélectricité, est à la base du principe de fonctionnement des séparateurs électrostatiques des mélanges granulaires de matériaux isolants. L’objectif de cette thèse de doctorat a été d’évaluer les effets des facteurs géométriques (taille des granules), de l’état de surface (rugosité et mouillabilité) et de la composition chimique (présence des retardateurs de flamme bromés), sur le chargement triboélectrique des particules de plastique issus des déchets des équipements électriques et électroniques. L’étude paramétrique de ces facteurs a servi ensuite de base pour optimiser les conditions de charge triboélectrique et améliorer le rendement de la séparation électrostatique. La réduction de la taille des granules, ainsi que l’utilisation du broyage en tant qu'opération simultanée de granulation et de chargement triboélectrique a permis l’amélioration de la séparation électrostatique des polymères. Un prétraitement de surface par la décharge à barrière diélectrique (DBD) s’est montré efficace sur le chargement triboélectrique et la séparabilité électrostatique de tels matériaux. Un banc expérimental de traitement de surface des matériaux granulaires par DBD dynamique a été conçu et réalisé afin de pouvoir intégrer ce procédé dans un processus industriel. Les travaux réalisés dans cette thèse ont aussi confirmé la faisabilité de la charge triboélectrique et de la séparation électrostatique des mélanges granulaires des polymères bromés et non-bromés.

La décharge corona est largement utilisée non seulement pour modifier les caractéristiques physiques des surfaces des matériaux diélectriques, mais aussi comme technique de charge pour les mélanges granulaires en vue de leur séparation électrostatique. L’uniformité de la charge électrique déposée à la surface des matériaux isolants est un indice de performance majeur pour toute électrode corona. L’objectif de cette thèse a été d’explorer les limites des techniques de charge corona, et plus particulièrement l’uniformité de charge atteignable lors de l’utilisation d’électrodes corona multi-pointes, compte tenu de leur utilisation possible pour le traitement de surface des plaques diélectriques ou pour la séparation électrostatique de mélanges granulaires. L’utilisation d’un voltmètre électrostatique sans contact pour mesurer le potentiel électrique de surface après l’exposition à la décharge corona s’est avérée être une méthode pratique pour étudier la distribution et l’évolution de la quantité de charge déposée sur les matériaux isolants. Une étude « statique » réalisée avec des plaques de PVC au repos et soumises à l’action de la décharge corona générée par des électrodes corona multi-pointes a permis d’évaluer l’effet de chaque facteur : la tension appliquée, la hauteur des pointes au-dessus de la surface du diélectrique, et le temps d’exposition. Une étude « dynamique », dans laquelle les échantillons étaient en mouvement relatif par rapport aux électrodes de type multi-pointes, a permis de quantifier ces effets dans des conditions plus proches de celles qui devraient être rencontrées dans les applications industrielles. Ce travail a montré que la non-uniformité de la charge corona peut être réduite à moins de 5% de la valeur moyenne en choisissant des valeurs appropriées de la distance inter-électrodes et de la hauteur des extrémités des électrodes au-dessus de la surface exposée à la décharge corona.

Plusieurs types de dispositifs mécaniques (à vibration, à cylindre tournant, à lit fluidisé) mettant en jeu l'effet triboélectrique sont actuellement utilisés pour charger électriquement les constituants des mélanges de matériaux isolants granulaires, en vue de leur séparation dans un champ électrique intense. La non-uniformité de la charge des granules à la sortie de ces dispositifs affecte l'efficacité de la séparation, d'où l'intérêt des recherches visant la mise au point de procédés électrostatiques nouveaux, notamment pour des applications dans le domaine du recyclage des déchets. L'utilisation simultanée de l'effet triboélectrique, de la force de Coulomb et de la force d'image électrique est la solution innovante selon laquelle ont été conçus les quatre dispositifs à lit fluidisés réalisés ou améliorés dans le cadre de cette thèse. L'évaluation des performances de ces dispositifs a été rendue possible par la mise en oeuvre de systèmes de mesure complexes, permettant l'enregistrement continu et simultané des charges et des masses des produits de la séparation. Ainsi, la méthode des plans d'expériences pour surfaces de réponse a pu être utilisée pour modéliser le processus de séparation et déterminer les valeurs optimales des variables de contrôle de chacun des dispositifs, tels que le niveau de la haute tension d'alimentation ou la vitesse de l'air de fluidisation. Les résultats obtenus sur les installations de laboratoire et sur un prototype préindustriel recommandent cette classe de procédés tribo-aéro-électrostatiques comme la solution de choix pour le recyclage des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques.

Les procédés de séparation électrostatique sont déjà utilisés pour le recyclage des déchets industriels broyés, chargés au préalable par effet triboélectrique dans des dispositifs à vibrations, à cylindre tournant ou à lit fluidisé. L'efficacité de ces dispositifs étant parfois limitée par la charge électrique accumulée pendant le transport pneumatique des matériaux à séparer, une étude a été réalisée en faisant appel la méthode des plans d'expériences afin d'identifier les facteurs influents et de proposer des solutions d'amélioration. Si les dispositifs actuels ne donnent pas satisfaction c'est aussi parce que certaines particules n'arrivent pas à se charger convenablement pour être séparées en champ électrique. Un procédé et une installation originaux permettent de remédier à ces inconvénients, en utilisant en même temps l'effet triboélectrique, la force de Coulomb et la force image électrique. Deux dispositifs à lit fluidisé ont été construits dans le but de faciliter la compréhension des phénomènes physiques à la base du nouveau procédé et de tester sa faisabilité. Les expériences réalisées sur ces dispositifs ont montré que l'efficacité du processus de charge dépend fortement de la vitesse de l'air de fluidisation et de la durée passée par les particules dans le dispositif. Ces études ont permis de préciser les solutions techniques essentielles à la réalisation d'un séparateur tribo-aéroélectrostatique industriel. Les résultats expérimentaux confirment la charge triboélectrique en lit fluidisé associée à la séparation en champ électrostatique comme un procédé efficace de traitement des déchets granulaires d'équipements électriques et électroniques.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude des facteurs qui influent l'efficacité de collecte des médias non-tissés chargés par décharge couronne, utilisés pour la filtration de l'air. Les recherches se sont focalisées sur les techniques faisant appel à la décharge couronne en configuration fil-plan et en configuration triode (électrode duale + grille + plan de masse). L'étude s'est déroulée en trois phases : (1) mise au point de dispositifs expérimentaux pour générer la décharge couronne et mesurer le potentiel électrique à la surface des échantillons chargés ; (2) caractérisation de l'état de charge des médias ; (3) évaluation de l'efficacité de collecte, en corrélation avec les résultats des mesures de charge. La distribution de charges a été plus homogène en configuration triode et le niveau de charge a été meilleur en polarité positive. Le déplacement de l'échantillon dans la zone de décharge électrique permet de mieux uniformiser la distribution de la charge. L'augmentation du courant de décharge et du potentiel de grille permet d'amplifier le niveau de charge des médias, suite à l'intensification du champ électrique moyen entre l'électrode active et le plan de masse (en configuration fil – plan), ou entre la grille et le plan de masse (en configuration triode). L'efficacité de la collecte est meilleure si la charge est uniformément déposée, sous l'action d'un champ électrique plus intense. Elle est plus élevée pour les configurations dites « multicouches » où la captation des particules est améliorée par l'association de plusieurs mécanismes physiques, mettant en jeux des forces électriques et mécaniques.

L'objectif de ce travail est l'étude de l'efficacité de collecte des particules submicroniques d'un électrofiltre de configuration fil-tube carré en utilisant une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD). Les expériences sont faites avec des particules de fumée d'encens ayant une taille moyenne d'environ 0,32 pm. La répartition en taille des particules à la sortie de l'électrofiltre est mesurée grâce à un spectromètre d'aérosols à lumière blanche. L'efficacité de collecte est estimé pour diverses tensions et fréquences appliquées (gammes : 4-30 kV, de 0,3 à 1000 Hz) à un débit d'air fixe. Le premier volet de l'analyse a consisté en une caractérisation électrique et granulomètrique de l'électrofiltre de configuration carré dit de référence. Les résultats obtenus ont montré que le comportement électrique de l'électrofiltre de géométrie carré est similaire à celui de géométrie cylindrique. Aussi, l'utilisation de la DBD pour la précipitation donnait de très bons résultats en configuration fil-tube carré (plus de 99% d’efficacité). Le second volet de notre étude a été consacré à l'optimisation géométrique de l'électrofiltre de référence. Les résultats ont montré que le diamètre du fil, le nombre des faces collectrices ont une influence minime sur la précipitation. Tandis que, la section du tube et la largeur de la contre électrode et sa discrétisation ont une influence importante. L'analyse de l'effet de la présence d'une deuxième Barrière Diélectrique (BD) a montré qu'à la différence de la simple BD ou le mode de décharge est assez homogène, la décharge a un comportement filamentaire dans le cas de la double BD. Aussi, l'efficacité de collecte des particules pour les deux con

Les matériaux granulaires sont très divers : les farines, les grains dans l'agroalimentaire, le sable et les roches dans l'industrie minière, les déchets broyés dans l'industrie du recyclage, les poudres et granulés dans l'industrie chimique. Le stockage, le transport et le traitement de ces matériaux font apparaître des phénomènes électrostatiques liés à leur charge par effet triboélectrique. L'analyse de ces phénomènes requiert des modèles numériques prenant en compte les trois aspects (collisions interparticulaires, écoulement du fluide et échange de charges électriques) des écoulements granulaires. L'objectif de ce mémoire est donc la modélisation des écoulements diphasiques 3D, avec la prise en compte des phénomènes tribo-électrostatiques et des forces d'interaction entre le fluide et les particules. Dans la première phase du travail, nous avons utilisé un modèle d'éléments distincts (DEM) pour calculer la dynamique particulaire. Plusieurs études de lits vibrés y sont traitées. La deuxième partie présente un modèle original de charge électrostatique. Ce modèle permet d'étudier l'évolution de la charge des particules au cours du temps. La méthode utilisée pour réaliser le code diphasique par un couplage eulérien-lagrangien est exposée dans la troisième partie. Les études sur la fluidisation de particules qui y sont décrites ont abouties à des pistes intéressantes sur la formation des bulles. Pour finir, nous présentons les algorithmes utilisés pour les modélisations, ainsi que la méthode adoptée pour paralléliser le programme, permettant ainsi de représenter un grand nombre de particules afin de mieux simuler des situations d'intérêts industriels.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse a eu comme objectif l'étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d'une large gamme de mélanges de matériaux pulvérulents provenant du recyclage des déchets (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrène) ou de l'industrie agro-alimentaire (paille, copeaux de bois, semoule). Les recherches se sont focalisées sur des techniques faisant appel à trois mécanismes physiques différents pour la charge des matériaux : la décharge couronne, l'induction électrostatique et l'effet tribo-électrique. Deux nouvelles installations ont été conçues et réalisées, permettent de faciliter la compréhension des phénomènes physiques rencontrés lors de la séparation des particules sous-millimétriques, dont les trajectoires sont difficile à contrôler, en raison des importantes forces aérodynamiques en jeu. La première installation, le séparateur électrostatique multifonctions à électrode-convoyeur, donne la possibilité d'étudier un ou plusieurs des trois mécanismes de charge, en rapport avec les propriétés électriques des matériaux à traiter. La deuxième installation, le séparateur tribo-aéro-électrostatique à électrodes-disques-tournantes, utilise seulement l'effet tribo-électrique pour la charge des matériaux isolants dans un lit fluidisé. Le système de mesures simultanées et continues de la masse et de la charge électrique des produits collectés a facilité l'analyse des phénomènes. Les recherches ont permis de confirmer la séparabilité électrostatique des mélanges de matériaux pulvérulents, en faisant appel à la méthodologie des plans d'expériences pour identifier les facteurs influents et trouver le point de fonctionnement optimal.