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Procédé de séparation de matériaux
La présente invention concerne un procédé simple de séparation de matériaux solides. Elle permet notamment de séparer économiquement et efficacement des déchets de matières plastiques différentes.
Dans de nombreux domaines industriels, il est utile de pouvoir séparer des matériaux de natures différentes. Ceci est en particulier vrai dans le domaine des matières plastiques, où les fabricants sont de plus en plus désireux de recycler des matériaux usagés en vue de les incorporer au moins partiellement dans de nouveaux articles. Le recyclage est particulièrement envisagé pour les articles de grande consommation, tels que les bouteilles et autres types d'emballages. A cet égard, notamment, un important problème à résoudre est la séparation du polychlorure de vinyle (PVC) et du polyéthylène téréphtalate (PET), deux matières plastiques couramment utilisées pour la fabrication de flacons et dont les densités fort voisines compliquent la séparation.
Cette séparation est rendue nécessaire par les exigences liées à la mise en oeuvre ultérieure des recyclats, telles que celle d'une compatibilité raisonnable et celle de températures de fusion pas trop éloignées. Le PVC et le PET sont précisément deux matières plastiques peu compatibles, dont la mise en oeuvre conjointe est à éviter. L'efficacité de la séparation est donc une exigence cruciale.
Il existe deux grands types de procédés de séparation : les procédés macroscopiques et les procédés sur particules. Les procédés macroscopiques sont des méthodes de séparation qui s'appliquent à des articles entiers ; à titre d'exemples de tels procédés, on peut citer ceux faisant usages de rayons X, de lumière polarisée ou de lumière infra-rouge. Ces procédés macroscopiques sont relativement efficaces, mais exigent un équipement coûteux (notamment des caméras numériques et des automates spécialisés), sont d'une mise en oeuvre délicate, et ne garantissent pas une séparation parfaite entre deux types de matériaux, de sorte qu'il est nécessaire, en pratique, de recourir ensuite à un procédé de séparation sur particules. En outre, ils ne permettent de traiter qu'un article à la fois.
Les procédés de séparation sur particules opèrent sur des fragments de petites dimensions (de l'ordre de quelques mm), généralement obtenus par
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broyage des articles à recycler. A titre d'exemples de tels procédés, on peut citer ceux basés sur des différences de densité (flottation, décantation, etc., éventuellement assistées par des surfactants ou autres adjuvants), ceux opérant par séparation électrostatique, et ceux opérant par dissolution sélective. Les premiers donnent cependant des résultats médiocres dans le cas de la séparation de PVC et de PET-autrement dit, la séparation est peu sélective-, car ces deux matières plastiques ont des densités fort proches.
En outre, ils conduisent souvent à la formation de résidus liquides contenant une proportion élevée d'adjuvants tels que solvants, surfactants, agents moussants, etc. Les procédés opérant par séparation électrostatiques nécessitent un appareillage spécifique, sont délicats à mettre en eouvre, et sont en outre peu reproductibles en raison de leur extrême sensibilité à divers paramètres tels que l'humidité de l'air. Dans les procédés opérant par dissolution sélective, au moins l'une des matières à séparer est dissoute dans un solvant adéquat. Dans ce dernier cas comme dans la plupart des procédés de séparation sur particules évoqués auparavant, les solvants ou autres adjuvants utilisés posent de nombreux problèmes, notamment au niveau de l'environnement et de la sécurité.
La présente invention vise dès lors à fournir un procédé de séparation de matériaux de natures différentes qui soit simple, économique, respectueux de l'environnement, sûr et efficace.
De manière plus précise, l'invention concerne un procédé de séparation de matériaux solides de natures différentes, se présentant sous la forme de particules, selon lequel : (1) on forme dans un récipient un mélange d'un liquide, d'un gaz porteur dissous et des particules ; (2) on provoque la libération d'au moins une partie du gaz porteur afin d'en fixer au moins une partie sur les particules, sous la forme de bulles, de façon à ce qu'au moins la plupart des particules surnagent à la surface du liquide ; (3) on agit sur les bulles de manière à ce que les particules d'au moins une même nature coulent au fond du récipient ; (4) on récolte séparément les particules ayant coulé au fond du récipient et celles surnageant.
Les matériaux à séparer peuvent être de toute nature ; il peut notamment s'agir de matières plastiques. Par matière plastique, on entend
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désigner tout polymère, comprenant éventuellement un ou plusieurs additifs (pigments, lubrifiants, antioxydants,...) ou charges (carbonate de calcium. fibres de verre,...), ou tout mélange de tels polymères. Le procédé donne de bons résultats pour séparer les polymères du chlorure de vinyle, et en particulier le poly (chlorure de vinyle) lui-même (PVC), d'une ou plusieurs autres matières plastiques telles que notamment le polyéthylène téréphtalate (PET) et/ou le polystyrène (PS). Il donne d'excellents résultats lorsque les matériaux à séparer comprennent du PVC et du PET.
Le procédé permet également de séparer, notamment, deux matières plastiques à base de polymères de même structure chimique, mais dont la nature précise est différente, par exemple en raison de la présence d'additifs différents dans chacune d'elles. On peut ainsi séparer, par exemple, du PVC souple et du PVC rigide.
Par particules, on entend désigner des fragments de faibles dimensions. Si les matériaux à séparer ne se trouvent initialement pas sous le forme de particules, mais par exemple sous la forme d'articles entiers, tels que flacons, tuyaux, etc., ou de fragments de grandes dimensions, il convient de les transformer en particules au moyen de techniques connues telles que le broyage, le hachage, etc.
On préfère que les particules aient des dimensions moyennes inférieures à 16 mm. Par ailleurs, il est avantageux que la fraction des particules ayant des dimensions moyennes inférieures à 2.5 mm soit d'au plus 2 %. Il est également souhaitable, en vue d'accroître l'efficacité de la séparation, que les particules aient un rapport surface/volume comparable.
Ceci peut notamment s'obtenir en classifiant granulométriquement les particules, puis en soumettant chaque classe granulométrique à une classification aéraulique.
Le procédé de l'invention permet de séparer les particules traitées en deux catégories ; toutefois, ceci n'empêche nullement de soumettre au procédé de l'invention un mélange comprenant des particules de plus de deux natures différentes.
Le procédé de l'invention se déroule dans un liquide. Ce liquide peut être quelconque, pour autant que sa densité soit inférieure à celle d'au moins un des matériaux à séparer. Dans le cas ou au moins l'un des matériaux est une matière plastique courante telle que le PVC ou le PET, il est commode d'utiliser de l'eau. Ce choix est économique et avantageux
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sur les plans de l'environnement et de la sécurité, contrairement aux procédés dans lesquels on utilise des solvants, agents tensio-actifs, surfactants, etc. Dans le procédé de l'invention, en effet, l'utilisation de tels adjuvants n'est pas nécessaire. De préférence, le liquide utilisé pour mettre en oeuvre le procédé ne contient aucun tel adjuvant.
Le liquide est généralement disposé dans un récipient de taille et de résistances mécanique et chimique adéquates, qui sera par la suite qualifié de réacteur. Il est préférable que te réacteur soit tel que la surface libre du liquide soit importante ; on peut par exemple utiliser un réacteur cylindrique dont la hauteur soit inférieure au diamètre. Si l'on décide d'utiliser une variante du procédé dans laquelle le liquide doit être agité, ce réacteur sera muni des moyens d'agitation adéquats, par exemple d'une hélice. Si l'on décide d'utiliser une variante du procédé dans laquelle le liquide doit être chauffé, le réacteur sera muni de dispositifs de chauffage adéquats, par exemple de résistances électriques.
Si l'on décide d'utiliser une variante du procédé dans laquelle le liquide doit être soumis à un vide partiel ou à une surpression, le réacteur doit pouvoir être fermé de manière hermétique, et raccordé à un dispositif permettant d'ajuster avec précision la pression régnant à l'intérieur du réacteur.
Avantageusement, on introduit dans le réacteur une quantité de particules telle que leur volume n'excède pas environ 4 % du volume total du liquide et des particules.
L'introduction du liquide et des particules dans le réacteur ainsi que la dissolution du gaz porteur dans le liquide sont trois opérations qui peuvent se faire dans un ordre quelconque. Une ou plusieurs de ces opérations peuvent être effectuées en plusieurs phases. Ainsi, par exemple, on pourrait, sans s'écarter du procédé de l'invention, introduire d'abord dans le réacteur un liquide dans lequel aurait été préalablement dissoute une certaine quantité de gaz porteur, sans conduire à la saturation du liquide, puis disperser les particules dans le liquide, et continuer ensuite à dissoudre du gaz porteur dans le liquide jusqu'à l'en saturer.
Selon une autre variante, on pourrait commencer par introduire dans le réacteur un liquide ne contenant aucun gaz dissous, puis y disperser les particules, et ensuite ajouter une certaine quantité de liquide contenant une certaine quantité de gaz porteur dissous.
On préfère que le gaz porteur soit dissous dans le liquide après que
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les particules aient été dispersées dans le liquide.
A titre de gaz porteur, on peut notamment utiliser de l'air, de l'oxy-
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gène ou du gaz carbonique (clou encore un mélange de tels gaz. Le CI 2), CO est préféré. Le gaz ou mélange de gaz utilisé doit être adapté aux matériaux à séparer ; en particulier, il doit présenter vis-à-vis de ceux-ci une affinité suffisante. En outre, il est préférable que cette affinité soit sélective, c'est-à-dire que l'affinité d'au moins un des matériaux doit être suffisamment différente de celles des autres pour que leur séparation puisse être réalisée efficacement.
Comme indiqué ci-dessus, la dissolution du gaz porteur dans le liquide peut se faire avant ou après avoir introduit le liquide dans le réacteur.
Lorsqu'elle se fait dans le réacteur, elle peut notamment se faire en insufflant le gaz dans le liquide au travers d'une plaque de métal fritté disposée au bas du réacteur. Une autre méthode de dissolution consiste à dissoudre dans le liquide un produit approprié libérant aisément le gaz voulu. Ainsi, par exemple, du C02 peut être obtenu par la dissolution de bicarbonate de sodium.
Dans une 2ème étape du procédé, on provoque la libération d'au moins une partie du gaz porteur, par exemple en agitant et/ou en chauffant le liquide. On préfère la provoquer en agitant le liquide. Cette notion d'agitation doit se comprendre au sens large, comme englobant toute situation où un cisaillement est imposé au mélange. Un tel cisaillement peut être obtenu non seulement au moyen d'un agitateur classique tel qu'une hélice ou un rateau tournant, mais encore notamment au moyen d'ultrasons, d'un hydrocyclone, ou même d'un simple étranglement dans un tuyau.
Cette dernière variante est particulièrement intéressante dans le cas de la réalisation en continu du procédé de l'invention. La durée et les autres paramètres de cette 2ème étape dépendent de plusieurs éléments tels que le volume de liquide. Dans chaque cas particulier, ces paramètres peuvent aisément être optimisés par quelques expériences simples.
Les natures et les proportions du gaz et du liquide sont de préférence choisis de telle façon qu'à l'issue de cette étape de libération du gaz, une ou plusieurs bulles de gaz soient fixées à chacune des particules à séparer, de sorte qu'au moins la plupart d'entre elles flottent à la surface du liquide.
De préférence, ces choix sont tels que toutes les particules flottent à la surface du liquide.
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La quantité de gaz porteur dissous dans le liquide doit être suffisante pour que la 2ème étape décrite ci-dessus ait bien comme résultat de faire flotter au moins la plupart des particules à la surface du liquide. Selon une variante avantageuse du procédé, la quantité de gaz porteur dissous dans le liquide est telle qu'avant de procéder à la libération de gaz porteur (2ème étape), le liquide est saturé en gaz porteur.
Dans une 3ème étape, on agit sur les bulles de manière à ce que les particules d'au moins une même nature coulent au fond du récipient.
Comme exposé précédemment, on peut appliquer le procédé de l'invention à un mélange de plus de deux matériaux : à titre d'exemple, si le mélange comprend 5 matériaux de natures différentes, il est possible que la 3ème étape conduise à faire couler au fond du récipient 2 de ces 5 matériaux.
Selon une première variante de cette 3ème étape, on fait couler les particules d'au moins une même nature au fond du récipient en provoquant le détachement sélectif d'au moins la plupart des bulles de gaz fixées sur ces particules. La sélectivité de cette opération, et par conséquent l'efficacité de la séparation, dépendra notamment des différences d'affinité entre le gaz porteur et chacun des matériaux présents.
Ce détachement sélectif peut notamment se réaliser sous l'effet d'une légère agitation ou sous l'effet d'un vide partiel. On préfère le provoquer en agitant légèrement le liquide. Dans le cas d'une agitation, celle-ci doit être suffisamment modérée pour ne pas détacher les bulles de gaz de toutes les particules présentes. Dans chaque cas particulier, les paramètres de l'agitation peuvent aisément être optimisés par quelques expériences simples.
Dans le cas d'un vide partiel, une légère dépression est généralement suffisante.
La conséquence de ce détachement sélectif est que les particules constituées d'un matériau dont l'affinité pour le gaz porteur utilisé est faible seront débarrassées de leurs bulles et tomberont au fond du réacteur sous l'effet de la pesanteur.
Selon une seconde variante de cette 3ème étape, on fait couler les particules d'au moins une même nature au fond du récipient en modifiant la taille des bulles de gaz fixées aux particules. Cette modification de taille peut notamment se faire en augmentant ou en réduisant légèrement la
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pression régnant à l'intérieur du réacteur, ou encore en agissant sur la Zn ZD
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température du liquide. On préfère toutefois agir sur la pression. Dans chaque cas particulier, les paramètres de ces opérations peuvent aisément être optimisés par quelques expériences simples. La modification de la taille des particules aura pour conséquence de modifier la densité apparente de chaque ensemble particule/bulles, et permettra ainsi de séparer des matériaux dont les densités sont très voisines.
Après ces étapes, il suffira de récolter séparément les particules ayant coulé au fond du réacteur et celles surnageant. Avantageusement, on récoltera dans un premier temps les particules surnageant, par exemple au moyen d'un orifice pratiqué dans la paroi du réacteur au niveau de la surface du liquide, par lequel on recueillera délicatement le liquide de surface et les particules qui y flottent, sans provoquer une agitation notable du liquide.
Afin d'améliorer l'efficacité du procédé décrit ci-dessus, il est préférable d'utiliser des particules relativement propres, ou tout au moins exemptes de salissures modifiant leur affinité vis-à-vis du gaz porteur utilisé, telles que des résidus de liquides gras ou de détergents, des lambeaux d'étiquettes, etc. Selon une variante avantageuse, le procédé décrit ci-dessus est dès lors précédé d'une étape de lavage des particules.
Une façon simple de procéder à ce lavage consiste à faire séjourner les particules dans de l'eau chaude, de préférence agitée. Avantageusement, l'eau utilisée pour ce lavage provient d'un cycle de séparation antérieur, tel que décrit ci-dessus. Dans le cas où le détachement sélectif du gaz a été obtenu par un chauffage du liquide, on exploite ainsi une seconde fois l'énergie consacrée à ce chauffage.
Le procédé de l'invention peut s'effectuer aussi bien en discontinu qu'en continu. Si on l'effectue en continu, il faudra utiliser un appareillage conçu à cet effet, conformément aux connaissances générales de l'homme du métier en ce qui concerne les étapes opératoires décrites ci-dessus telles que la dissolution d'un gaz porteur dans le liquide, la libération de ce gaz, etc. On pourra notamment utiliser une suite de plusieurs réacteurs interconnectés par des tuyauteries, dans chacun desquels se déroulent une ou plusieurs des étapes susmentionnées, les particules passant de l'une à l'autre à une vitesse adéquate.