Solutions, suspensions et sédimentation

 

De quoi s’agit-il ?

La filtration est une méthode utilisée pour enlever les particules en suspension d’un liquide ou d’un gaz. Elle consiste à faire passer le gaz ou le liquide à travers un corps poreux (toile, papier, sol, charbon…) qui retient les particules en suspension.

Attention Les autres méthodes les plus courantes pour retirer les matières en suspension des liquides sont : la sédimentation (ou décantation) et la centrifugation pour les particules plus lourdes que l’eau, et l’écumage (ou flottation) pour les particules plus légères. 

 
Que peut-on observer ?

La présence dans un liquide de particules en suspension d’une taille supérieure à une centaine de nanomètres se manifeste par la présence d’un trouble. Observer du jus d’orange, de la soupe de légumes ou de l’eau boueuse et comparer avec un sirop. Constater que le trouble disparaît avec le temps (décantation ou écumage), mais que ce temps peut être très long. 

Attention Dans le cas de particules très petites la séparation est généralement difficile car les méthodes par sédimentation ne peuvent pas être utilisées (l’agitation thermique maintient les particules en suspension). C’est pourquoi des produits floculant sont souvent ajoutés (sulfate d’alumine par exemple). Ils provoquent l’agglomération des petites particules en ensembles plus volumineux plus faciles à éliminer. Mais cette méthode n’est pas applicable pour les eaux de boisson et raison du caractère toxique de la plupart des agents floculant. 

Il est possible d’utiliser des filtres avec de pores très petits. On parle de microfiltration (pores autour de 1 micromètre) et d’ultrafiltration. On peut dans ce dernier cas arrêter des particules ayant une taille de l’ordre de quelques nanomètres (des virus). La technique est utilisée dans de nombreux procédés alimentaires, notamment dans l’industrie laitière.

 

Que peut-on mesurer ?

Que cherche-t-on à faire ?

Montrer que les filtres permettent de retirer les particules en suspension dans un liquide. Montrer que le débit dans les filtres diminue avec le temps par suite de colmatage.

Comparer des filtres dont la taille des pores est différente.

Quel matériel ?

Deux grands entonnoirs

Deux grands béchers gradués

Du sable tamisé

Du coton hydrophile

Un grand filtre à café

Du jus d’orange ou une soupe de légume.

Une montre ou un chronomètre.

Quel déroulement ?

Mettre du sable tamisé au-dessus d’un bouchon de coton hydrophile dans un entonnoir et le filtre à café dans l’autre. Verser la même quantité de jus d’orange dans les deux entonnoirs.

Observer la limpidité du jus après filtration et le dépôt dans les filtres.

Mesurer le temps nécessaire pour que tout le jus passe à travers le filtre.

Ajouter de nouveau la même quantité de jus d’orange. Mesurer le temps nécessaire pour que tout le jus passe à travers le filtre la deuxième fois.

Comparer la vitesse de filtration dans le filtre à café et dans le sable. Comparer la vitesse de colmatage des deux types de filtre.

Quels prolongements ?

Il existe plusieurs types de filtration.

Dans la filtration frontale (ou transverse), le liquide chargé de particules solides arrive perpendiculairement au filtre, qui est un milieu poreux et perméable (c’est le cas de l’expérience ci-dessus). Les particules trop grosses pour passer à travers le filtre et forment un gâteau (cake). Par la suite, le liquide chargé passera à travers l’ensemble du filtre initial et du gâteau. La perméabilité du filtre diminue continûment au cours du temps. Au bout d’un certain temps, le filtre se colmate, il faut le régénérer ou le changer. C’est un problème majeur dans les dispositifs de filtration industrielle. Non seulement le changement des filtres a un coût, mais de plus ce changement interrompt les opérations de filtration, ce qui peut être encore plus coûteux pour l’entreprise. C’est pourquoi la filtration frontale est réservée au traitement des eaux peu chargées.

Dans la filtration tangentielle, le liquide à filtrer est apporté en continu tangentiellement au filtre. Le liquide filtré passe à travers le filtre, les particules arrêtées formant une mince couche qui se renouvelle en permanence. Le gâteau du filtre garde une épaisseur limitée, ce qui permet de prolonger  la durée de fonctionnement du filtre.

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