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Filtration performance of mineral concentrate is mainly controlled by solid particle size and surface hydrophobicity. Filtration of coarser particles with more hydrophobic surfaces produces better filtration performance characterized by higher filtration rate (U) and lower final moisture content (FMC) in the final cake. Some filtration aids could improve filtration performance by flocculating solid particles and enhancing surface hydrophobicity. For the mineral concentrate used in this study, many filtration aids tested could only improve either U or FMC: one type was effective in improving U, and another type was effective in improving FMC. The combination of the two types of filtration aids at certain dosages could achieve better filtration performance than the optimum performance achieved by each individual filtration aid. Based on the experimental results, the working mechanism of filtration aids behind the filtration behavior was explored to deepen the understanding of the chemical-enhanced filtration of Cu/Ni concentrate. / Chemical Engineering

Cette étude s'est concentrée sur la performance d'un filtre antimicrobien en fibres de polypropylène contenant de la pyrithione de zinc (PP/ZPT) au laboratoire et comparée à celle d'un filtre similaire (PP) avec la même classification F7 (EN779:2002). La performance de filtration à l'échelle du laboratoire des 2 filtres testés pendant le colmatage avec des particules PM10 a été quantifiée dans un dispositif expérimental avec mesure de la perte de charge du filtre et comptage des particules en amont et en aval des filtres. La croissance microbienne sur des filtres neufs et usagés, tous deux contaminés par aérosolisation avec un consortium microbien composé de deux bactéries (Staphylococcus epidermidis Gram positif, Serratia marcescens Gram négatif et spores fongiques (Penicillium chrysogenum). L'influence de trois paramètres sur la survie microbienne sur les filtres a été examinée : l'humidité relative de l'air, la présence ou l'absence de pyrithione de zinc (ZPT) en tant que substances antimicrobiennes et la présence de particules organiques. Des analyses quantitatives par unité formant colonies ont été utilisées pour déterminer la survie après 8 jours du consortium bactéries-champignons collecté par le filtre. Les deux filtres ont présenté des performances de filtration similaires en termes de variation de perte de charge et d'efficacité de collecte des particules pendant leur colmatage avec des particules PM10, ce qui signifie que le traitement antimicrobien n'a pas dégradé les performances de filtration du filtre. A faible valeur d'humidité de conditionnement (50% RH), avec des filtres neufs ou usagés, avec ou sans traitement antimicrobien, la population microbienne sur les filtres diminue et éventuellement ne survivra pas (Serratia). Lorsque l'humidité relative du conditionnement est élevée (90% RH), les bactéries ne se développent pas sur les filtres neufs, et seuls les champignons ont pu se développer. L'effet du traitement antimicrobien avec la pyrithione de zinc est confirmé pour les filtres neufs, en particulier en ce qui concerne les champignons Penicillium. Pour les filtres usagés, les résultats indiquent que le traitement antimicrobien n'est pas plus efficace avec une croissance significative du Penicillium, l'espèce endémique des particules de riz micronisées (PM10) collectées par les filtres ; les deux populations de bactéries diminuent significativement avec ou sans traitement antimicrobien.Dans une deuxième étape, les performances de filtration des 2 filtres testés précédemment ont été étudiées dans des conditions réalistes avec un air extérieur semi-urbain sur une période de 7 mois. Le comportement des microorganismes extérieurs sur les filtres (croissance/mortalité) a été observé. Deux unités de filtration fonctionnaient à IMT Atlantique, l'une contenant le filtre PP/ZPT et l'autre le filtre PP. Chaque unité filtrait le même air semi-urbain. Les deux unités de filtration ont fonctionné en continu et plusieurs paramètres ont été surveillés tout au long de la période d'exploitation : température, humidité relative, chute de pression du filtre, efficacité de collecte des particules du filtre, concentration massique des particules à l'entrée et concentrations microbiennes ; en outre, la concentration microbienne sur les filtres a été quantifiée 3 fois (tous les 2 mois) à partir d'une méthodologie innovante basée sur des coupons de média. Les performances de filtration des deux filtres testés en termes de changement de perte de charges et d'efficacité de collecte de particules étaient différentes de celles obtenues à l'échelle du laboratoire. La méthodologie des coupons a permis d'étudier le comportement des micro-organismes tout au long de l'étude. L'effet antimicrobien de la pyrithione de zinc a été confirmé concernant l'inhibition des champignons sans influence du niveau d'encrassement du filtre (dépôt de masse de particules). / This study focused on the performance of a marketed antimicrobial polypropylene fibers filter containing zinc pyrithione (PP/ZPT) at the laboratory and compared to those of a similar filter (PP) with same classification F7 (EN779:2002). The filtration performance at laboratory scale of the 2 tested filters during clogging with PM10 particles was quantified in an experimental set-up with filter pressure drop measurement and particle counting up and downstream of the filters. The microbial growth onto new and used filters, both contaminated by aerosolization with a microbial consortium composed of two bacteria (Staphylococcus epidermidis Gram positive, Serratia marcescens Gram negative and fungal spores (Penicillium chrysogenum). The influence of three parameters on the microbial survival onto filters was examined: the air relative humidity, the presence or absence of Zinc pyrithione (ZPT) as antimicrobial substances and the presence of organic particles. Quantitative analyses by colony forming unit were used to determine the survival after 8 days of the bacteria–fungi consortium collected by the filter. The two filters revealed similar filtration performance in terms of change in pressure drop and particle collection efficiency during their clogging with PM10 particles, meaning that the antimicrobial treatment did not degrade the filtration performance of the filter. At low humidity value of conditioning (50% RH), with new or used filters, with or without antimicrobial treatment, the microbial population onto the filters decreases and possibly will not survive (Serratia). At high humidity value of conditioning (90% RH), the bacteria do not grow onto the new filters, and only the fungi was able to develop. The effect of the antimicrobial treatment with zinc pyrithione is confirmed for new filters in particular regarding the fungi Penicillium. For used filters, the results indicate that the antimicrobial treatment is no more efficient with a significant growth of the Penicillium, the endemic species of the micronized rice particles (PM10) collected by the filters; the two populations of bacteria significantly decrease with or without antimicrobial treatment. In a second step, the filtration performances of the 2 filters tested previously was investigated in realistic conditions with a semi-urban outdoor air over a 7 months period. The behavior of the outdoor microorganisms onto the filters (growth/mortality) was observed. Two filtration units were operating at IMT Atlantique location, one containing the PP/ZPT filter and the second the PP filter. Each unit filtered the same semi-urban air. Both filtration units operated continuously and several parameters were monitored throughout the operating period: temperature, relative humidity, filter pressure drop, filter particle collection efficiency, inlet particle mass concentration, and microbial concentrations; in addition, the microbial concentration onto the filters was quantified for 3 times (every 2 months) from an innovative methodology based on media coupons. The filtration performances of the two tested filters in terms of changes in pressure drop and particle collection efficiency were different than those obtained in the Laboratory scale. The methodology of coupons permitted to study the behavior of the microorganisms throughout the study. The antimicrobial effect of the zinc pyrithione was confirmed regarding the inhibition of the fungi cultivated on the DRBC agar with no influence of the level of clogging of the filter (mass of particles deposit).

Les performances de filtration d’un filtre à manche vis-à-vis de particules submicroniques et nanométriques ont été évaluées à l’échelle du laboratoire durant plusieurs cycles de colmatage/décolmatage. La distribution granulométrique des particules (aérosol de combustion) était représentative de celle rencontrée en incinération de nano-déchets en sortie de chambre de combustion à l’échelle du laboratoire. Le filtre à manche opérait en conditions réalistes, représentatives de celles rencontrées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération de déchets en termes de température, humidité, vitesse de filtration, présence de réactifs et conditions de décolmatage. Le flux d’air et le filtre à manche étaient chauffés à 150°C, la teneur en eau était de 10-12% (soit 3% d’humidité relative HR), et la vitesse de filtration était fixée à 1,9 cm.s⁻¹. Un mélange de particules de taille submicronique de charbon actif et de bicarbonate de sodium, utilisées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération pour l’abattement des dioxines/furanes et des gaz acides, était généré simultanément avec l’aérosol de combustion. L’étude s’est centrée sur les performances de filtration au début de la durée de vie du filtre à manche, avant stabilisation de la perte de charge résiduelle du filtre résultant des précédents cycles de filtration. La perte de charge maximale du filtre était fixée à 150 Pa pour tous les cycles de filtration avant décolmatage par rétro-soufflage à air comprimé. Les performances du filtre à manche ont été évaluées en termes d’évolution de sa perte de charge et de son efficacité de collecte (totale et fractionnelle) au cours des cycles de colmatage/décolmatage. De plus, des études expérimentales et théoriques ont été menées afin d’étudier l’influence de divers paramètres sur les performances de filtration du filtre en configuration manche ou plane, tels que l’humidité de l’air (3% HR versus 0% HR à 150°C), la température (150°C versus 24°C), la vitesse de filtration (1,9 cm.s⁻¹ versus 1,4 cm.s⁻¹) et l’influence de l’injection de réactifs. Les principaux résultats de cette étude sont : (i) importante efficacité de capture des particules du filtre à manche en conditions représentatives des lignes de traitement des fumées d’incinération : efficacité minimale de collecte de 98,5% mesurée pour des particules de taille 74 ± 15 nm (diamètre de mobilité électrique), (ii) influence du gâteau résiduel de particules au début de chaque cycle de filtration sur les performances de traitement, (iii) influence significative de l’humidité de l’air sur la structure du gâteau de particules probablement due à l’augmentation des forces d’adhésion entre les particules en présence d’humidité (150°C – 3% HR soit environ 100 g d’eau par kg d’air sec) ; augmentation plus rapide de la perte de charge du filtre à manche en présence d’humidité (150°C – 3% HR) qu’en conditions d’air sec (150°C – 0% HR). / Filtration performance of a pulse-jet bag filter was evaluated at the laboratory-scale regarding submicronic particles with a nanosized fraction during clogging/unclogging cycles. The particle size distribution was representative to those encountered at the outlet of a nano-waste incineration device at laboratory-scale. The bag filter was operated in conditions as similar as possible to those found in flue gas treatment of waste incineration plants, in terms of temperature, humidity, filtration velocity, injection of sorbent reagents and unclogging conditions. The air flow and the bag filter were heated to 150°C, the water content was maintained in the air flow in the range of 10-12% (3% of relative humidity RH), and filtration velocity throughout the bag filter was fixed at 1.9 cm.s⁻¹. A mixture of submicronic suspended particles of activated carbon and sodium bicarbonate, both used in flue gas treatment systems mainly for the removal of dioxins/furans and acid gases, was generated simultaneously with the aerosol representative of combustion emissions.The study focused on the filtration performance at the beginning of the bag filter’s lifetime filter for the 11 first clogging-unclogging cycles before stabilizing the residual pressure drop reached after pulse-jet unclogging. The maximum pressure drop was set at 150 Pa for all filtration cycles. Once the maximum pressure drop was reached, the filter was unclogged using the pulse-jet system. The performance of the bag filter was evaluated in terms of the evolution of pressure drop, fractional and total particle collection efficiencies, during the clogging/unclogging cycles.Moreover, an experimental and theoretical study was carried out on the influence of different parameters on the filtration performance of bag filter and flat filter, such as influence of humidity (3% RH versus 0% RH at 150°C), temperature (150°C versus 24°C), filtration velocity (1.9 cm.s⁻¹ versus 1.4 cm.s⁻¹) and the influence of the injection of sorbent reagents.The main results of this study are: (i) high collection efficiency of the bag filter in representative conditions of flue gas treatment of waste incineration: minimun particle collection efficiency of 98.5% for particle diameter of 74 ± 15 nm (electrical mobility diameter), (ii) influence of residual particle cake at the beginning of the filtration cycles on the bag filter performance, (iii) significant influence of humidity on the porosity of the particle cake due to the capillary condensation of water between the particles in presence of humidity (150°C - 3% RH i.e. almost 100 g of water per kg of dry air). Faster increase of bag filter pressure drop in presence of humidiy (150°C - 3% RH) as compared to the dry conditions (150°C - 0% RH).