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. / The experimental approach undertaken in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range mixtures of powdery materials originating from the recycling of waste electric and electronic equipment (Al, Cu, ABS, polycarbonate, polystyrene), or processed in the food industry (straw, wood chips, meal). Researches were focused on techniques using three different physical mechanisms for electrical charging of the materials: corona discharge, electrostatic induction and triboelectric effect. Two new installations have been designed end engineered to facilitate the understanding of the physical phenomena involved in the separation of powdery particles, the trajectories of which are difficult to control, as strongly affected by the aerodynamic forces. The first installation, the belt-type multifunction electrostatic separator, offers the possibility to study one or several of the three charging mechanisms, in relation with the electrical properties of the materials to be processed. The second installation, two-rotating-disks-type tribo-aero-electrostatic separator uses only the triboelectric effect for charging mixtures of insulating materials in a fluidized bed. A system of simultaneous and continuous measurement of mass and electric charge of collected products facilitated the investigation of the physical phenomena. These researches confirm the feasibility of the electrostatic separation of powdery materials, by taking advantage of the design of experiments methodology to identify the influential factors and find the optimum operation conditions.

La démarche expérimentale menée dans cette thèse CIFRE a eu comme objectif l’étude de la faisabilité de la séparation électrostatique d’une large gamme de mélanges de matériaux granulaires issus de déchets d’équipements électriques et électroniques (conducteur – isolant, conducteur – conducteur et isolant – isolant). Trois mécanismes physiques de charge électriques ont été mis en oeuvre : l’induction électrostatique, la décharge couronne et l’effet triboélectrique. Un dispositif de charge de laboratoire et deux séparateurs électrostatiques industriels ont été conçus et réalisés. Le dispositif de charge à cylindre(s) tournant(s) permet la charge triboélectrique de matériaux plastiques. Le prototype de séparateur industriel a d’abord été réalisé pour le traitement de mélanges granulaires conducteur – isolant puis a été adapté à la séparation isolant – isolant. Les trois mécanismes de charge peuvent y être utilisés. Ce prototype a permis la fabrication du premier séparateur électrostatique de série de la société CITF dédié à la séparation de déchets de câbles électriques. Des mesures de charge et de masse ainsi que des simulations et visualisations des trajectoires des particules par caméra rapide ont facilité l’analyse des phénomènes. La méthode des plans d’expérience a permis d’identifier les facteurs influents sur les processus de séparation et de définir leur point de fonctionnement optimal. L’influence d’une décharge à barrière diélectrique sur la charge triboélectrique et la séparation électrostatique de mélanges plastiques a été étudiée. Les travaux réalisés dans cette thèse ont confirmé la séparabilité électrostatique de mélanges de matériaux granulaires. / The experimental approach used in this thesis was aimed at the study of the feasibility of the electrostatic separation of a wide range of granular mixtures from waste electric and electronic equipment (conductive – insulator, conductive – conductive, insulator – insulator). Three physical mechanisms of electrical charging have been employed: electrostatic induction, corona discharge and triboelectric effect. A tribocharging device and two industrial electrostatic separators have been designed and engineered. The rotating cylinder tribocharging device allows the triboelectric charging of plastics. The industrial separator prototype was firstly built for processing conducting – insulator granular mixtures and then adapted for insulator – insulator separation. This prototype, which enables the use of all three electrical charging mechanisms, served as model for the CITF company first industrial electrostatic separator for the recycling of metals and plastics from electric cable wastes. Charge and mass measurement, as well as modelling and visualization of particle trajectories by a high-speed camera facilitated the investigations. Design of experiments method was used to define the influential factors and find the optimum operating conditions of the separation processes. Dielectric barrier discharge exposure of granular plastics may enhance the efficiency of the triboelectric charging of these materials and hence facilitate their electrostatic separation. These researches have confirmed the feasibility of the electrostatic separation of a wide variety of granular mixtures.

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. / Several types of mechanical devices (vibratory trays, rotating drums, fluidized beds) make use of the triboelectric effect for electrically charge the constituents of insulating materials granular mixtures, in view of their separation in a high-intensity electric field. The non-uniformity of granule charge at the exit of these devices adversely affects the separation efficiency, justifying the researches aimed at the development of novel electrostatic processes, mainly for applications in the field of waste recycling. Simultaneous usage of the triboelectric effect, the Coulomb force and the electric image force is an innovative technical solution according to which four fluidized bed devices were built or improved within the framework of this thesis. The performances of these devices could be evaluated by setting up complex measurement systems that enable the continuous and simultaneous recording of the charges and masses of the separated products. Thus, the experimental design methodology could be used for modeling the separation process and identify the optimum values of the control variables of each device, such as the high voltage level of the speed of the fluidization air. The results obtained on laboratory devices as well on an semi-industrial pilot installation recommend this class of tribo-aero-electrostatic separation processes as the solution of choice for the selective sorting of plastics from waste electric and electronic equipment.