EP3762148A1 - Procédé et dispositif de séparation électrostatique de matériaux granulaires - Google Patents

Procédé et dispositif de séparation électrostatique de matériaux granulaires

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EP3762148A1
EP3762148A1 EP19714711.9A EP19714711A EP3762148A1 EP 3762148 A1 EP3762148 A1 EP 3762148A1 EP 19714711 A EP19714711 A EP 19714711A EP 3762148 A1 EP3762148 A1 EP 3762148A1
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EP
European Patent Office
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particles
electrodes
electric field
cylindrical
separation chamber
Prior art date
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Application number
EP19714711.9A
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German (de)
English (en)
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EP3762148B1 (fr
Inventor
Lucien Dascalescu
Thami ZEGHLOUL
Karim MEDLES
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
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Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Poitiers filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3762148A1 publication Critical patent/EP3762148A1/fr
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Publication of EP3762148B1 publication Critical patent/EP3762148B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C7/00—Separating solids from solids by electrostatic effect
    • B03C7/02—Separators
    • B03C7/12—Separators with material falling free
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C7/00—Separating solids from solids by electrostatic effect
    • B03C7/006—Charging without electricity supply, e.g. by tribo-electricity or pyroelectricity
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C7/00—Separating solids from solids by electrostatic effect
    • B03C7/02—Separators
    • B03C7/06—Separators with cylindrical material carriers

Definitions

  • the present invention generally relates to a method for sorting mixtures of granular materials having different electrical characteristics (several non-conductors, or more conductors and non-conductors or more conductors) using the electric field forces, the forces aerodynamics and gravity.
  • the present invention also relates to a device for implementing such a method.
  • the process according to the invention is particularly applicable to the separation of granular materials of millimeter size and sub-millimeters (typically particles whose equivalent diameter is between 50 ⁇ m and 2 mm), in the recycling, mining, pharmaceutical and agribusiness.
  • Electrostatic drum separators are the solution of choice for the treatment of mixtures of millimeter-sized granular conductive and non-conductive materials. They can also be used for the separation of granular mixtures of millimeter size from several non-conductive materials, previously loaded by triboelectric effect [1] , or of several conductive materials, based on the differences in density between the constituents [ 2] . These separators are also used for the separation of sub-millimeter mixtures, in particular for the treatment of ores. However, the flow rates of materials to be treated are small, the particles to be dispersed to form a monolayer on the surface of the drum.
  • tribo-electrostatic separators for sorting mixtures of non-conductive granular materials of higher size (typically from 1 to 8 mm).
  • These separators comprise a device which uses the triboelectric effect to charge the granular materials, before dropping them through a zone of intense electric field, created between two vertical electrodes, one being connected to a high voltage generator and the other to a high voltage generator of opposite polarity or earth.
  • These separators are not able to treat particles of sub-millimeter sizes, because the aerodynamic forces and / or adhesion to the electrodes would be too large and strongly limit the action of the electric field.
  • the charged particles either triboelectrically or corona discharge are deposited in a monolayer on the surface of a metal belt conveyor bonded to the earth. Sorting these particles occurs in the electric field created between this metal strip and a cylindrical electrode, connected to a high voltage supply and located above the conveyor.
  • This type of separator is also used for sorting granular mixtures of sub-millimetric sizes (typically from 0.25 to 1 mm), but only under laboratory conditions because the productivity in terms of sorting such a separator type is limited by the stress of depositing the particles in monolayer on the surface of the strip electrode.
  • the particles are loaded by friction through a metal tube under the action of compressed air, before passing, still in a strictly controlled airflow, in an electric field created between two vertical electrodes of opposite polarities.
  • the particles collected at the two electrodes are sucked into cyclone collectors.
  • Such a separator requires periodic cleaning of the electrodes, which renders it unusable in continuous operation in an industrial context.
  • the applicant has developed a method and an electrostatic separation device simultaneously using electric, aerodynamic and gravitational forces acting on charged particles in an intense electric field generated by DC voltage of several thousand volts (typically greater than 5 kV and less than 120 kV) applied to two coaxial vertical cylinders, fixed or rotating.
  • the granular mixture to be separated consisting of particles from several non-conductive materials, or from several conductive and non-conductive materials or from a plurality of conducting materials, must first be loaded into charge devices (by corona discharge, by electrostatic induction or by triboelectric effect).
  • the charged particles are then continuously transferred by a flow rate controlled air flow and the force of gravity into the electric field created between the two coaxial cylindrical electrodes.
  • the cleaning of the electrodes and the collection of products can be carried out continuously, in a sealed installation, allowing the treatment of granular mixtures of millimeter size or sub-millimeter.
  • the subject of the present invention is a process for the electrostatic separation of a granular material comprising particles (which may be of different types of material) having an equivalent diameter of between 50 ⁇ m and 2 mm, said method comprising the following steps:
  • the two cylindrical electrodes decomposing into an inner cylindrical electrode of outer diameter di e and an outer cylindrical electrode of inner diameter d ei ,
  • said cylindrical electrodes being connected to a continuous high voltage generator (i.e. typically greater than 5 kV and less than 120 kV) of polarity positive or negative, one of said electrodes being connected to the positive terminal of said generator and the other of said electrodes being connected to its negative terminal or to the earth;
  • a continuous high voltage generator i.e. typically greater than 5 kV and less than 120 kV
  • the cylindrical electrodes can be connected to DC high voltage generators (ie typically greater than 5 kV and less than 120 kV) of positive polarity and negative, one of the electrodes being connected to one of the polarities of said generators while the other electrode is connected to the other polarity or earth.
  • DC high voltage generators ie typically greater than 5 kV and less than 120 kV
  • the granular material that is to be separated may comprise only non-electrically conductive particles.
  • the charge of the particles can be performed by triboelectric effect in a triboelectric charger communicating with the separation chamber via a cone splitter.
  • the granular material that is to be separated may comprise a mixture of non-electrically conductive particles and conductive particles.
  • the charge of the particles may be carried out in a corona charger located upstream of said electrodes.
  • the corona effect occurs in the vicinity of electrodes of small radius of curvature (peaks), subjected to the high DC voltage generated by the voltage generator, as soon as the electric field E at their surface called electrodes becomes sufficiently large (about 30 kV / cm), for the air to ionize and form around a luminous crown.
  • the granular material that is to be separated may comprise a mixture of electrically conductive particles.
  • the charge of the particles can be achieved by electrostatic induction created by the electric field E generated between the cylindrical electrodes.
  • the difference between the surface electrical resistivities of the materials leads to different electrical charges of the particles which are more or less attracted to the cylindrical electrode, thus resulting in their separation.
  • the trajectories of the particles are also affected by the different densities.
  • the particles to be separated may have a diameter of between 0.125 mm and 2 mm.
  • the intensity of the intense electric field E may be between 4 kV / cm and 5 kV / cm.
  • the particles once charged at the end of step A of the process according to the invention are introduced into the electric field zone in the form of a cylindrical sheet with a thickness of between 1 mm and 5 mm. , depending on the size of the particles making up the mixture to be treated.
  • the recovery step F) of the particles to be separated can be carried out in a collecting system, said particles being recovered in intermediate compartments of the collecting system, said intermediate compartments being cylindrical, coaxial with the electrodes and each connected to a vacuum cleaner - cyclone.
  • the method according to the invention may further comprise a step of transferring the particles to be separated from the intermediate compartments to the terminal compartments of the collecting system, through the cyclone vacuums.
  • the present invention also relates to an electrostatic separation device for implementing the method according to the invention. More particularly, the subject of the present invention is a device for the electrostatic separation of a granular material comprising particles having a diameter of between 50 ⁇ m and 2 mm, and preferably of between 0.125 mm and 2 mm, the device comprising:
  • a separation chamber comprising two vertical coaxial cylindrical electrodes of axis OZ which decompose into
  • an inner cylindrical electrode of outer diameter di e and an outer cylindrical electrode of inner diameter d ei the cylindrical electrodes being connected to high voltage DC generators, one of the electrodes being connected to the positive terminal of said generator and the other electrodes being connected to its negative terminal, so as to be able to generate an electric field E,
  • the mechanical cleaning means being rotatable about the vertical axis OZ and the electrodes being fixed or vice versa (i.e., in other words, the electrodes are rotatable about the vertical axis OZ while the mechanical cleaning means are stationary);
  • the cylindrical electrodes of the separation chamber can be connected to high voltage DC generators of positive and negative polarity, one of the electrodes being connected to one of the polarity of the said generators and the other electrode being connected to the other polarity or ground, so as to generate an electric field E.
  • the granular material to be separated in the device according to the invention is as defined above.
  • the charging device may advantageously be a triboelectric charger communicating with the separation chamber via a cone splitter.
  • the charging device may advantageously be a charger with a corona effect and electrostatic induction located in the separation chamber upstream of the electrodes, the material supply of said device charging being performed via a cone splitter.
  • the charging device may advantageously be an electrostatic induction charger located in the separation chamber upstream of the electrodes, the supply of material of said charging device being realized via a cone splitter.
  • the means for producing the descending vertical air flow may be cyclone-type vacuums, preferably with a controlled flow rate, also allowing the recovery of said particles in the collecting system.
  • the particle recovery device may be a product collection system comprising:
  • the electrostatic separation device according to the invention may further comprise, upstream of the charging device, a granular material doser able to control the flow rate.
  • FIG. 1A is a schematic view in longitudinal section of an electrostatic separation device according to the invention according to the first embodiment (with triboelectric charger);
  • Figure IB is a schematic sectional view along the axis AA of the device shown in Figure IA;
  • FIG. 2A represents a schematic view in longitudinal section of an electrostatic separation device according to the invention according to the second embodiment (with a corona charger);
  • Figure 2B is a schematic sectional view along the axis AA of the device shown in Figure 2A;
  • FIG. 3A is a schematic view in longitudinal section of an electrostatic separation device according to the invention according to the third embodiment (with electrostatic induction charging);
  • FIG. 3B is a schematic sectional view along the axis A-A of the device illustrated in FIG. 3A,
  • Figure 4 shows a schematic sectional view of a screw feeder for controlling the flow of granular material in the load device
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of a cyclone-collector device comprising a cyclone-type vacuum and a compartment for collecting the particles;
  • FIG. 6 is a photograph showing a rudimentary prototype of the separator according to the invention (without electrode cleaning system, or suction system, with fixed electrodes), which has been implemented in example 1 to test the electrostatic separation principle implemented in the method according to the invention;
  • FIG. 7 comprises three photographs showing the result of the electrostatic separation of a mixture of particles comprising 50% of particles of ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) and 50% of PC particles (polycarbonate), this separation being made with the prototype of FIG. 6:
  • FIG. 7b shows the initial ABS and PP particles (before mixing and then separation);
  • Figure 7a shows the particles recovered on the outer electrode 222;
  • Figure 7c shows the particles recovered on the inner electrode 221 (see Example 1);
  • FIG. 8 also includes three photographs showing the result of the electrostatic separation of a mixture of particles comprising 50% of particles of PP (polypropylene) and 50% of PC particles (polycarbonate) of 125 ⁇ m in diameter, this separation being carried out with the prototype of FIG. 6:
  • FIG. 8a shows the initial PP and PC particles (before mixing and then separation);
  • Figure 8b shows the particles recovered on the outer electrode 222;
  • Figure 8c shows the particles recovered on the inner electrode 221 (see Example 2);
  • Fig. 9 comprises a photograph showing a known electro-tribo-electrostatic disc separator 3 of the prior art (left-hand photograph) and the results of the separation.
  • FIG. 10 comprises a photograph showing a free-falling separator 4 known from the prior art and the results of the separation of a mixture of particles comprising 50% of ABS particles and 50% of PC particles (see example comparative 2);
  • Figures 11, 12 and 13 show separation photos of a mixture of copper particles and of aluminum 50 ym in diameter composed of 1.4 g of each material.
  • Fig. 11 is a photograph showing gray aluminum particles) collected on the inner cylindrical electrode of the device shown in Figs. 2A and 2B (with crown feeder) (see Example 3);
  • Fig. 12 is a photograph showing a copper concentrate (i.e. having a copper content greater than 80%), containing about 0.25 g of aluminum and about 0.95 g of copper, this concentrate being collected in the bins located at the lower end of the electrode system of the device illustrated in Figures 2A and 2B (with charger crown) (see Example 3);
  • a copper concentrate i.e. having a copper content greater than 80%
  • Fig. 13 is a photograph showing a mixed product (i.e. having a copper content of less than 80%) comprising about 25% aluminum and 75% copper, this composite product being collected on the electrode external device shown in Figures 2A and 2B (with charger crown) (see Example 3);
  • a mixed product i.e. having a copper content of less than 80%
  • this composite product being collected on the electrode external device shown in Figures 2A and 2B (with charger crown) (see Example 3);
  • an electrostatic separation device of a granular material 1 comprises: A device 21 for charging the particles 11 and 12 to separate from the granular material 1;
  • a separation chamber 22 comprising two vertical coaxial cylindrical electrodes 221, 222 of axis OZ;
  • Cyclone-type suction means 2250 (whose details are visible in FIG. 4 only) which create in the separation chamber 22 a downward vertical air flow 225,
  • Mechanical cleaning means 226 of the surface of the electrodes 221, 222 for example brushes or scrapers, these mechanical cleaning means 226 being rotatable about the axis OZ and the electrodes 221, 222 being fixed or Conversely;
  • a manifold system 23 comprising two of the intermediate compartments 231 and 232, cylindrical and coaxial with the cylindrical electrodes 221, 222, and two end compartments 233 and 234, respectively to recover the particles 11 and 12) to be separated.
  • the cyclone aspirators 2250 further enable the particles 11 and 12 collected in the intermediate compartments 231 and 232 to be transferred to the final compartments 233 and 234.
  • an outer cylindrical electrode 222 of inner diameter d ei is connected to continuous high voltage generators of positive and negative polarities, one being connected to one of the polarities of said generators and the other being connected to the other polarity or to the earth, so as to to be able to generate an electric field E, which is perpendicular to the downward vertical air flow 225 generated by the cyclone vacuums 2250.
  • FIG. 1 shows more particularly a first embodiment of the electrostatic separation device according to the invention in which the charging device 21 is a triboelectric charger 21 (for example with vibration, fluidized bed or rotating cylinder) communicating with the separation chamber 22 via a taper distributor 212.
  • the separation device of FIG. 1 further comprises, upstream of the triboelectric charger 21, a screw feeder 210 for controlling the flow of granular material 1 in the charger 21 .
  • the separation of the granular material 1 is carried out as follows with the aid of the separation device of FIG. 1, which is configured to separate a granular mixture of non-conducting particles 11a and 11b of different natures:
  • Electrodes fixed or driven in the same direction by electric motors (not visible in Figures 1 to 4), at moderate speeds of a few tens of revolutions per minute;
  • the two cylinders 221, 222 are connected to high voltage generators of opposite polarity (or with one of the electrodes connected to the earth), thus creating an intense electric field zone E;
  • the granular mixture 1 to be separated is fed first, by the screw feeder 210, into the triboelectric feeder 21;
  • the charged particles 11a and 11b are then continuously transferred by a flow of air and by the force of gravity into the electric field created between the two coaxial cylindrical electrodes. Attracted by the electrodes of opposite polarities, the particles 11a and 11b respectively positively charged negatively adhere to the surface thereof;
  • a tapered distributor 212 is connected to the output of the triboelectric charger 21 serves to continuously introduce the charged particles 11a and 11b in the space between the two cylindrical electrodes 221, 222, where an electric field. This transfer is facilitated by a downward flow of air generated by the cyclone aspirator 2250 and the force of gravity;
  • Fixed cleaning means 226 then make it possible to detach them from the electrodes 221, 222 and to recover them in two compartments 231 and 232 of the product collecting system 23. If the electrodes 221, 222 are rotating, in this case, the means of cleaning are immobile;
  • the cleaning of the electrodes 221, 222 and the collection of the particles 11a and 11b once separated are carried out continuously, in a sealed installation, allowing the treatment of granular mixtures 1 of millimeter size and sub-millimeter.
  • FIG. 2 shows more particularly a second embodiment of the electrostatic separation device according to the invention in which the charging device 21 is a corona charger located in the separation chamber 22 upstream of the electrodes 221, 222.
  • the separation device of Figure 2 further comprises, upstream of the separation chamber 22, a screw feeder 210 and a cone distributor 211 communicating with the corona charger 21, the screw feeder 210 to control the flow rate of granular material 1 in the magazine 21.
  • the separation of the granular material 1 is carried out as follows with the aid of the separation device of FIG. 2, which is configured to separate a granular mixture of non-conductive particles 11 and conductive particles 12:
  • Electrodes fixed or driven in the same direction by electric motors (not visible in Figures 1 to 4), at moderate speeds of a few tens of revolutions per minute;
  • the two cylinders 221, 222 are connected to high voltage generators of opposite polarity (or with one of the electrodes connected to the earth), thus creating an intense electric field zone E;
  • the granular mixture 1 to be separated is fed firstly by the screw feeder 210 and then via the cone splitter 212 into the separation chamber 22 in a corona discharge electric field zone created between a series of spikes.
  • the conductive particles 12 are initially charged in the same way but, in contact with the electrode 22 connected to the earth, are discharged and charge immediately (by electrostatic induction) to an opposite polarity. They are then attracted by the internal cylindrical electrode 221. This is covered with a non-conductive layer 2211, which prevents the contact between the particles 12 and the electrode, as well as the unloading or the change in polarity of said particles. ;
  • one of the cleaning means 226, associated with cyclone vacuums 2250 makes it possible to separately collect the particles attached to the two electrodes 221, 222.
  • FIGS. 3A and 3B show more particularly a third embodiment of the electrostatic separation device according to the invention in which the charging device 21 is an electrostatic induction charger located in the separation chamber 22 upstream of the electrodes 221, 222.
  • the separation device of FIG. 3 further comprises, upstream of the separation chamber 22, a screw feeder 210 and a cone-shaped distributor 211 communicating with the electrostatic induction charger 21, the screw feeder 210 making it possible to control the flow of granular material 1 in the magazine 21.
  • the separation of the granular material 1 is carried out as follows with the aid of the separation device of FIG. 3, which is configured to separate a granular mixture of conductive particles 12:
  • Electrodes fixed or driven in the same direction by electric motors (not visible in Figures 1 to 4), at moderate speeds of a few tens of revolutions per minute;
  • the two cylinders 221, 222 are connected to high voltage generators of opposite polarity (or with one of the electrodes connected to the earth), thus creating an intense electric field zone E;
  • the granular mixture 1 to be separated is fed firstly by the screw feeder 210 and then via the cone distributor 212 into the separation chamber 22 into an electrostatic induction zone, created by the electric field E between the cylindrical inner 221 and outer 222 electrodes;
  • the conductive particles 12a and 12b are charged in the electric field E, in contact with the external electrode of the charger 21 by electrostatic induction.
  • the difference in the surface electrical resistivities of the conductive particles 12a and 12b leads to different charge levels of the particles which are more or less attracted to the cylindrical electrode and thus to their separation;
  • one of the cleaning means 226, associated with cyclone vacuums 2250 makes it possible to collect in a distinct manner the particles attached to the two electrodes 221, 222.
  • the flow would be reduced to less than 38 kg / h.
  • Particle mixing products comprising 50% ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene) particles and 50% PC particles (see Example 1);
  • Example 2 a mixture of particles comprising 50% of particles of PP (polypropylene) and 50% of PC particles (polycarbonate) 125 nm in diameter (see Example 2); mixture of particles comprising 50% of copper particles and 50% of aluminum particles, the particle diameter being of the order of 50 mih (see Example 3).
  • PP polypropylene
  • PC particles polycarbonate
  • Figure 7 shows the results of the separation of a mixture of 50% ABS and 50% PC.
  • the mixture was loaded into a vibrating system and was then introduced into the separator by an oscillating chute.
  • the purity of this separation is close to 100%.
  • the ABS product was polluted by PC particles, and the purity decreased to about 95%.
  • a feasibility test for the electrostatic separation of the constituents of a conductive / conductive mixture has been carried out with the electrostatic separation device according to the invention in which the charging device 21 is a corona charger (illustrated in FIG. 2A).
  • the sample tested is a sample consisting of 1.4 g of copper particles, and 1.4 g of aluminum particles, the particle diameter being of the order of 50 mih.
  • the electrodes were powered at a voltage of 17 kV for a current of 0.006 mA.
  • a separator 3 known from the prior art: it is a separator 3 tribo Aero-electrostatic disc with electrodes 321, 322.
  • the loading and the separation are carried out in the separation chamber 32 of the separator 3.
  • the mixture of particles is loaded in a fluidized bed and the charged particles are attracted by the electrodes 321, 322 which discharge them in their rotational movement.
  • This separator allows separation in a continuous regime with a flow rate of only 10 g / s, with further problems of sealing and recovery, mainly for the fine particles, at the outlet of the electrodes 321 and 322.
  • the results of this separation as well as sealing and recovery problems are shown in FIG.
  • FIG. 10 illustrates the results of the separation of the mixture 50% ABS and 50% PC in a separator 4 known from the state of the prior art: it is a separator 4 electrostatic free-fall, with two electrodes plates 421, 422.
  • the mixture was loaded into a vibrating system and was then introduced into the separator 4 by an oscillating chute.
  • the free-falling separator 4 does not make it possible to work continuously and the separation is degraded as soon as the electrodes 421, 422 are covered with particles.

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  • Electrostatic Separation (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de séparation électrostatique de mélanges granulaires de taille millimétrique ou sous-millimétrique composés des particules non-conductrices (lia, 11b), de particules non-conductrices (11) et conductrices (12) et de particules conductrices (12a, 12b) utilisant simultanément le champ électrique E, la force aérodynamique et la pesanteur. Ces forces s'exercent sur des particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) préalablement chargées dans un champ électrique E intense généré par une tension continue appliquée à deux cylindres coaxiaux 221, 222 constituant des électrodes. Un système de nettoyage mécanique détache les particules lia et 11b ou 11 et 12 ou 12a et 12b de la surface des électrodes 221, 222, et facilite leur récupération dans un système collecteur 23, sous l'action d'aspirateurs de type cyclone, de manière que le nettoyage des électrodes et la collecte des particules séparées soient réalisés en continu.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SEPARATION ELECTROSTATIQUE DE
MATERIAUX GRANULAIRES
Domaine technique
La présente invention concerne de manière générale un procédé permettant le tri de mélanges de matériaux granulaires ayant des caractéristiques électriques différentes (plusieurs non-conducteurs, ou plusieurs conducteurs et non-conducteurs ou encore plusieurs conducteurs) en utilisant les forces du champ électrique, les forces aérodynamiques et la pesanteur. La présente invention concerne également un dispositif permettant la mise en œuvre d'un tel procédé.
Le procédé selon l'invention s'applique en particulier à la séparation de matériaux granulaires de taille millimétrique et sous-millimétriques (typiquement des particules dont le diamètre équivalent est compris entre 50 ym et 2 mm) , dans les industries du recyclage, minière, pharmaceutique et agro-alimentaire.
Etat de la technique
Les techniques de séparation électrostatique des mélanges de matériaux granulaires de tailles moyennes supérieures à 1 mm ont connu des développements significatifs ces deux dernières décennies et sont largement utilisées dans 1 ' industrie .
Par contre, à l'heure actuelle, la séparation des particules plus fines s'avère plus compliquée à mettre en œuvre, à cause des perturbations induites par les forces aérodynamiques, dont les effets sur les particules micronisées (de taille inférieure à 500 mih) dépassent ceux induits par les forces électriques. Les séparateurs électrostatiques à tambour sont la solution de choix pour le traitement des mélanges de matériaux conducteurs et non-conducteurs granulaires de taille millimétrique. Ils peuvent être utilisés aussi pour la séparation de mélanges granulaires de taille millimétrique de plusieurs matériaux non-conducteurs, préalablement chargés par effet triboélectrique [1] , ou de plusieurs matériaux conducteurs, en s'appuyant sur les différences de masse volumiques entre les constituants [2] . Ces séparateurs sont également utilisés pour la séparation de mélanges sous- millimétriques, notamment pour le traitement des minerais. Toutefois, les débits de matériaux à traiter sont faibles, les particules devant être dispersées pour former une monocouche à la surface du tambour.
Par ailleurs, il est connu de l'homme de l'art d'utiliser des séparateurs tribo-électrostatiques à chute libre pour le tri des mélanges de matériaux granulaires non-conducteurs de taille plus élevée (typiquement de 1 à 8 mm) . Ces séparateurs comportent un dispositif qui fait appel à l'effet triboélectrique pour charger les matériaux granulaires, avant de les laisser tomber à travers une zone de champ électrique intense, créé entre deux électrodes verticales l'une étant reliée à un générateur de haute tension et l'autre à un générateur de haute tension de polarité opposée ou à la terre. Ces séparateurs ne sont pas aptes à traiter des particules de tailles sous-millimétriques, car les forces aérodynamiques et/ou d'adhésion aux électrodes seraient trop importantes et limiteraient fortement l'action du champ électrique.
Dans d'autres séparateurs tribo-électrostatiques industriels connus de l'homme de l'art, les particules chargées soit par effet triboélectrique soit par décharge couronne sont déposées en monocouche à la surface d'un convoyeur à bande métallique liée à la terre. Le tri de ces particules s'effectue dans le champ électrique créé entre cette bande métallique et une électrode cylindrique, liée à une alimentation haute tension et située en dessus du convoyeur. Ce type de séparateur est également utilisé pour le tri des mélanges granulaires de tailles sous- millimétriques (typiquement de 0,25 à 1 mm), mais uniquement en conditions de laboratoire car la productivité en terme de tri d'un tel type de séparateur est limitée par la contrainte de déposer les particules en monocouche à la surface de l'électrode bande.
Enfin, des solutions spécifiques ont récemment été développées pour le traitement de certains mélanges granulaires de matériaux non-conducteurs de tailles sous- millimétriques .
Ainsi, dans un séparateur tribo-électrostatique utilisable dans l'industrie agro-alimentaire [3] ' ίL] , les particules se chargent par frottement en traversant un tube métallique sous l'action de l'air comprimé, avant de passer, toujours dans un flux d'air rigoureusement contrôlé, dans un champ électrique créé entre deux électrodes verticales de polarités opposées. Les particules collectées aux deux électrodes sont aspirées dans des collecteurs de type cyclone. Un tel séparateur nécessite le nettoyage périodique des électrodes, ce qui le rend non-utilisable en régime de fonctionnement continu, dans un contexte industriel.
Dans d'autres modèles de séparateurs, définis comme " tribo-aéro-électrostatiques " [5] ' [6i r la charge des particules non-conductrices se produit dans un lit fluidisé, en présence d'un champ électrique produit entre deux électrodes-disques tournants [7] ' [8] , entre deux électrodes cylindriques tournantes 1 ou entre deux électrodes -plaques métalliques [10] , exécutant des mouvements de va-et-vient en direction verticale, tout en étant connectées à deux alimentations de polarités opposées. Les particules adhèrent aux électrodes de polarités opposées, qui les évacuent vers les collecteurs. Ces installations ont été utilisées en conditions de laboratoire, en régime intermittent, imposé par la nécessité de récupérer les particules restées non-séparées dans le lit fluidisé. Les perspectives d'utilisation industrielle de ces installations sont limitées aussi par la difficulté d'assurer l'étanchéité de la chambre de fluidisation .
Description de l'invention
Pour résoudre les défauts et inconvénients précités, le déposant a mis au point un procédé et un dispositif de séparation électrostatique utilisant simultanément des forces du champ électrique, aérodynamiques et de la pesanteur qui s'exercent sur des particules chargées dans un champ électrique intense généré par tension continue de plusieurs milliers de volts (typiquement supérieures à 5 kV et inférieures à 120 kV) appliquée à deux cylindres verticaux coaxiaux, fixes ou tournants. Le mélange granulaire à séparer, constitué de particules issues de plusieurs matériaux non- conducteurs, ou de plusieurs matériaux conducteurs et non- conducteurs ou encore de plusieurs matériaux conducteurs, doit être préalablement chargé dans des dispositifs de charge (par décharge couronne, par induction électrostatique ou par effet triboélectrique) . Les particules chargées sont ensuite transférées en continu par un flux d'air descendant à débit contrôlé et par la force de la pesanteur dans le champ électrique créé entre les deux électrodes cylindriques coaxiales. Attirées par les électrodes de polarités opposées, les particules adhèrent à la surface de celles-ci. Un système mécanique de nettoyage (brosses ou racleurs) , fixe, si les cylindres tournent, ou mobile dans le cas contraire, détache les particules de la surface des électrodes et facilite leur aspiration dans des collecteurs de type cyclone. Ainsi, grâce au dispositif et au procédé de séparation électrostatique selon l'invention, le nettoyage des électrodes et la collecte des produits peuvent être réalisés en continu, dans une installation étanche, permettant le traitement des mélanges granulaires de taille millimétrique ou sous-millimétrique. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un procédé de séparation électrostatique d'un matériau granulaire comprenant des particules (pouvant être de matériaux de différentes natures) présentant un diamètre équivalent compris entre 50 mih et 2 mm, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
A. introduction à débit constant dudit matériau granulaire dans un dispositif de charge permettant de charger lesdites particules en fonction de leur nature ; puis charge desdites particules ;
B. génération d'un champ électrique E entre deux électrodes cylindriques coaxiales verticales d'axe OZ disposées dans une chambre de séparation, l'intensité de E variant entre 1 kV/cm et 10 kV/cm,
les deux électrodes cylindriques se décomposant en une électrode cylindrique intérieure de diamètre extérieur die et une électrode cylindrique extérieure de diamètre intérieur dei,
lesdites électrodes cylindriques étant connectées à un générateur de haute tension continue (c'est-à-dire typiquement supérieure à 5 kV et inférieure à 120 kV) de polarité positive ou négative l ' une desdites électrodes étant reliée à la borne positive dudit générateur et l'autre desdites électrodes étant reliée à sa borne négative ou à la terre ;
de manière à créer une zone de champ électrique ayant la forme d'une nappe cylindrique d'épaisseur e (typiquement de l'ordre de 40 mm à 160 mm) répondant à la formule ( 1 ) :
C. génération, par aspiration, dans ladite zone de champ électrique, d'un flux d'air vertical descendant, de préférence à débit contrôlé, et perpendiculaire à la direction du champ électrique E et dont l'effet combiné à celui de la gravité permet le transfert en continu desdites particules une fois chargées à travers ladite zone de champ électrique ;
D. déplacement desdites particules chargées lorsqu'elles se trouvent dans ladite zone de champ électrique vers les électrodes de polarités opposées pour y adhérer ;
E. détachement en continu, à l'aide des moyens mécaniques de nettoyage (par exemples des brosses ou des racleurs souples) de la surface des électrodes, desdites particules adhérant à la surface des électrodes, lesdits moyens mécaniques de nettoyage étant mobiles en rotation autour de l'axe central vertical OZ des électrodes et lesdites électrodes étant fixes, ou inversement (en d'autres termes, les électrodes sont mobiles en rotation autour de leur axe OZ tandis que les moyens mécaniques de nettoyage sont fixes) ;
F. évacuation en continu desdites particules détachées, sous l'action conjuguée de la pesanteur et dudit flux d'air vertical ; puis
G. récupération desdites particules.
De manière alternative dans l'étape B de génération du champ électrique E, les électrodes cylindriques peuvent être connectées à des générateurs de haute tension continue (c'est- à-dire typiquement supérieure à 5 kV et inférieure à 120 kV) de polarités positive et négative, l'une des électrodes étant reliée à une des polarités desdits générateurs tandis que l'autre électrode est reliée à l'autre polarité ou à la terre.
Selon un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention (illustré sur la Figure 1), le matériau granulaire que l'on cherche à séparer peut ne comprendre que des particules non-conductrices d'électricité. Dans ce cas, la charge des particules pourra être réalisée par effet triboélectrique dans un chargeur tribo-électrique communiquant avec la chambre de séparation via un répartiteur cône .
Selon un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention (illustré sur la Figure 2), le matériau granulaire que l'on cherche à séparer peut comprendre un mélange de particules non conductrices de l'électricité et de particules conductrices. Dans ce cas, la charge des particules pourra être réalisée dans un chargeur à effet couronne situé en amont desdites électrodes. L'effet couronne se produit au voisinage d'électrodes de faible rayon de courbure (pointes), soumises à la tension continue élevée générée par le générateur de tension, dès que le champ électrique E à leur surface dites électrodes devient suffisamment grand (environ 30 kV/cm), pour que l'air s'ionise et forme autour une couronne lumineuse .
Selon un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention (illustré sur la Figure 3), le matériau granulaire que l'on cherche à séparer peut comprendre un mélange de particules conductrices de l'électricité. Dans ce cas, la charge des particules pourra être réalisée par induction électrostatique créée par le champ électrique E généré entre les électrodes cylindriques. La différence entre les résistivités électriques superficielles des matériaux conduit à des charges électriques différentes des particules qui se trouvent plus ou moins attirées par l'électrode cylindrique, aboutissant ainsi à leur séparation. Les trajectoires des particules sont également affectées par les masses volumiques différentes .
De manière avantageuse, les particules à séparer peuvent présenter un diamètre compris entre 0,125 mm et 2 mm.
De manière avantageuse, l'intensité du champ électrique E intense pourra être comprise entre 4 kV/cm et 5 kV/cm.
De manière avantageuse, les particules une fois chargées à l'issue de l'étape A du procédé selon l'invention sont introduites dans la zone de champ électrique sous la forme d'une nappe cylindrique d'épaisseur comprise entre 1 mm et 5 mm, selon la taille des particules composant le mélange à traiter .
De manière avantageuse, l'étape de récupération F) des particules à séparer peut être réalisée dans un système collecteur, lesdites particules étant récupérées dans des compartiments intermédiaires du système collecteur, lesdits compartiments intermédiaires étant cylindriques, coaxiaux avec les électrodes et chacun connecté à un aspirateur - cyclone . De manière avantageuse, le procédé selon l'invention pourra comprendre en outre une étape de transfert des particules à séparer des compartiments intermédiaires vers des compartiments terminaux du système collecteur, à travers les aspirateurs-cyclones.
La présente invention a encore pour objet un dispositif de séparation électrostatique permettant la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un dispositif de séparation électrostatique d'un matériau granulaire comprenant des particules présentant un diamètre compris entre 50 mih et 2 mm, et de préférence compris entre 0,125 mm et 2 mm, le dispositif comprenant :
• un dispositif pour charger les particules à séparer;
• une chambre de séparation comprenant deux électrodes cylindriques coaxiales verticales d'axe OZ se décomposant en
une électrode cylindrique intérieure de diamètre extérieur die et une électrode cylindrique extérieure de diamètre intérieur dei, les électrodes cylindriques étant connectées à des générateurs de haute tension continue, l'une des électrodes étant reliée à la borne positive dudit générateur et l'autre des électrodes étant reliée à sa borne négative, de manière à pouvoir générer un champ électrique E,
• des moyens de production par aspiration, dans la chambre de séparation, un flux d'air vertical descendant perpendiculaire à la direction du champ électrique E,
• des moyens mécaniques de nettoyage de la surface des électrodes, les moyens mécaniques de nettoyage étant mobiles en rotation autour de l'axe vertical OZ et les électrodes étant fixes ou inversement (c'est-à- dire, en d'autres termes, les électrodes sont mobiles en rotation autour de l'axe vertical OZ tandis que les moyens mécaniques de nettoyage sont fixes) ;
• un dispositif de récupération des particules.
De manière alternative, les électrodes cylindriques de la chambre de séparation peuvent connectées à des générateurs de haute tension continue de polarités positive et négative, l'une des électrodes étant reliée à une des polarités desdits générateurs et l'autre électrode étant reliée à l'autre polarité ou à la terre, de manière à pouvoir générer un champ électrique E.
Le matériau granulaire destiné à être séparé dans le dispositif selon l'invention est tel que défini précédemment.
Selon un premier mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention, le dispositif de charge pourra être avantageusement un chargeur tribo- électrique communiquant avec la chambre de séparation via un répartiteur à cône.
Selon un deuxième mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention, le dispositif de charge pourra être avantageusement un chargeur à effet couronne et à induction électrostatique situé dans la chambre de séparation en amont des électrodes, l'alimentation en matière dudit dispositif de charge étant réalisée via un répartiteur à cône.
Selon un troisième mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention, le dispositif de charge pourra être avantageusement un chargeur à induction électrostatique situé dans la chambre de séparation en amont des électrodes, l'alimentation en matière dudit dispositif de charge étant réalisée via un répartiteur à cône. A titre de moyens mécaniques de nettoyage de la surface des électrodes, on peut utiliser, dans le dispositif de séparation électrostatique selon l'invention, des brosses ou des racleurs . De manière avantageuse, les moyens de production du flux d'air vertical descendant peuvent être des aspirateurs de type cyclone, de préférence à débit contrôlé, permettant en outre la récupération desdites particules dans le système collecteur.
De manière avantageuse, le dispositif de récupération des particules peut être un système collecteur de produits comprenant :
deux compartiments intermédiaires cylindriques, coaxiaux avec le système d'électrodes et connectés aux aspirateurs-cyclones;
deux compartiments terminaux, vers lesquels les particules sont transférées depuis les compartiments intermédiaires, à travers lesdits aspirateurs-cyclones .
De manière avantageuse, le dispositif de séparation électrostatique selon l'invention peut en outre comprendre, en amont du dispositif de charge un doseur de matériau granulaire apte à en contrôler le débit.
D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :
la figure IA représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de séparation électrostatique selon l'invention conformément au premier mode de réalisation (avec chargeur tribo- électrique) ; la figure IB est une vue schématique en coupe selon l'axe A-A du dispositif illustré sur la figure IA ; la figure 2A représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de séparation électrostatique selon l'invention conformément au deuxième mode de réalisation (avec chargeur à effet couronne) ; la figure 2B est une vue schématique en coupe selon l'axe A-A du dispositif illustré sur la figure 2A ;
la figure 3A représente une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de séparation électrostatique selon l'invention conformément au troisième mode de réalisation (avec chargement par induction électrostatique) ; la figure 3B est une vue schématique en coupe selon l'axe A-A du dispositif illustré sur la figure 3A,
la figure 4 représente une vue schématique en coupe d'un doseur à vis pour contrôler le débit de matériau granulaire dans le dispositif de charge ;
la figure 5 représente une vue schématique en coupe d'un dispositif cyclone-collecteur comprenant un aspirateur de type cyclone et un compartiment pour collecter les particules ;
la figure 6 est une photographie montrant un prototype rudimentaire du séparateur selon l'invention (sans système de nettoyage des électrodes, ni système d'aspiration, avec des électrodes fixes), qui a été mis en œuvre dans l'exemple 1 pour tester le principe de séparation électrostatique mis en œuvre dans le procédé selon l'invention ;
la figure 7 comprend trois photographies montrant le résultat de la séparation électrostatique d'un mélange de particules comprenant 50% de particules d'ABS (acrylonitrile-butadiène-styrène) et 50% de particules de PC (polycarbonate) , cette séparation étant réalisée avec le prototype de la figure 6 : la figure 7b montre les particules d'ABS et de PP initiales (avant mélange, puis séparation) ; la figure 7a montre les particules récupérées sur l'électrode extérieure 222 ; et la figure 7c montre les particules récupérées sur l'électrode intérieure 221 (cf. exemple 1) ;
la figure 8 comprend également trois photographies montrant le résultat de la séparation électrostatique d'un mélange de particules comprenant 50% de particules de PP (polypropylène) et 50% de particules de PC (polycarbonate) de 125 mih de diamètre, cette séparation étant réalisée avec le prototype de la figure 6 : la figure 8a montre les particules de PP et de PC initiales (avant mélange, puis séparation) ; la figure 8b montre les particules récupérées sur l'électrode extérieure 222 ; et la figure 8c montre les particules récupérées sur l'électrode intérieure 221 (cf. exemple 2) ;
la figure 9 comprend une photographie montrant un séparateur 3 tribo-aéro-électrostatique à disques électrodes connu de l'art antérieur (photographie de gauche) et les résultats de la séparation
(photographie de droite) d'un mélange de particules comprenant 50% de particules de PP et 50% de particules de PC (cf. exemple comparatif 1) ;
la figure 10 comprend une photographie montrant un séparateur 4 à chute libre connu de l'art antérieur et les résultats de la séparation d'un mélange de particules comprenant 50% de particules d'ABS et 50% de particules de PC (cf. exemple comparatif 2) ;
Les figures 11, 12 et 13 présentent des photos de séparation d'un mélange de particules de cuivre et d'aluminium de 50 ym de diamètre composé de 1,4 g de chaque matériau.
la figure 11 est une photographie montrant des particules d'aluminium de couleur grise) collectées sur l'électrode cylindrique intérieure du dispositif illustré sur les figures 2A et 2B (avec chargeur couronne) (cf. exemple 3);
la figure 12 est une photographie montrant un concentré de cuivre (c'est-à-dire présentant teneur en cuivre supérieure à 80%), contenant environ 0,25 g d'aluminium et environ 0.95 g de cuivre, ce concentré étant collecté dans les bacs situés à l'extrémité inférieure du système d'électrodes du dispositif illustré sur les figures 2A et 2B (avec chargeur couronne) (cf. exemple 3);
la figure 13 est une photographie montrant un produit mixte (c'est-à-dire présentant une teneur en cuivre inférieure à 80%) comprenant environ 25% d'aluminium et 75% de cuivre, ce produit mixte étant collecté sur l'électrode extérieure du dispositif illustré sur les figures 2A et 2B (avec chargeur couronne) (cf. exemple 3) ;
Les figures 1 à 5 sont décrites plus en détail au niveau des modes de réalisation du dispositif de séparation selon l'invention qui illustrent l'invention sans en limiter la portée. Sur ces figures, les éléments identiques représentés par des références numériques identiques.
Les figures 6 à 13 sont décrites plus en détail au niveau des exemples qui suivent, mettant en œuvre les séparateurs illustrés sur les figures 6, 9 et 10.
En référence aux figures 1, 2 et 3, un dispositif de séparation électrostatique d'un matériau granulaire 1 selon l'invention comprend : • un dispositif 21 pour charger les particules 11 et 12 à séparer du matériau granulaire 1 ;
• une chambre de séparation 22 comprenant deux électrodes cylindriques 221, 222 coaxiales verticales d' axe OZ ;
• des moyens d'aspiration 2250 de type cyclone (dont les détails sont visibles sur la figure 4 uniquement) qui créent dans la chambre de séparation 22 un flux d'air vertical descendant 225,
• des moyens mécaniques de nettoyage 226 de la surface des électrodes 221, 222 (par exemple des brosses ou des racleurs) , ces moyens mécaniques de nettoyage 226 étant mobiles en rotation autour de l'axe OZ et les électrodes 221, 222 étant fixes ou inversement;
• un système collecteur 23 comprenant deux des compartiments intermédiaires 231 et 232, cylindriques et coaxiaux aux électrodes cylindriques 221, 222, et deux compartiments finaux 233 et 234, pour récupérer respectivement les particules 11 et 12) à séparer.
Dans les trois modes de réalisation illustrés sur les figures 1, 2 et 3, les aspirateurs-cyclones 2250 permettent en outre le transfert des particules 11 et 12 collectées dans les compartiments intermédiaires 231 et 232 vers les compartiments finaux 233 et 234.
Le système d'électrodes cylindriques 221, 222 coaxiales verticales d' axe Oz se décompose comme suit :
une électrode cylindrique intérieure 221 de diamètre extérieur die, et
une électrode cylindrique extérieure 222 de diamètre intérieur dei . Les électrodes cylindriques 221, 222 sont connectées à des générateurs de haute tension continue de polarités positive et négative, l'une étant reliée à une des polarités desdits générateurs et l'autre étant reliée à l'autre polarité ou à la terre, de manière à pouvoir générer un champ électrique E, qui est perpendiculaire au flux d'air vertical 225 descendant généré par les aspirateurs cyclones 2250.
La figure 1 montre plus particulièrement un premier mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention dans lequel le dispositif de charge 21 est un chargeur tribo-électrique 21 (par exemple à vibrations, à lit fluidisé ou à cylindre tournant) communiquant avec la chambre de séparation 22 via un répartiteur à cône 212. Le dispositif de séparation de la figure 1 comprend en outre, en amont du chargeur tribo-électrique 21, un doseur à vis 210 pour contrôler le débit de matériau granulaire 1 dans le chargeur 21.
La séparation du matériau granulaire 1 est réalisée comme suit à l'aide du dispositif de séparation de la figure 1, qui est configuré pour séparer un mélange granulaire de particules non-conductrices lia et 11b de différentes natures :
• deux cylindres métalliques coaxiaux 221, 222
(électrodes) fixes ou entraînés dans le même sens par des moteurs électriques (non visibles sur les figures 1 à 4), à des vitesses modérées de quelques dizaines de tours par minute ;
• les deux cylindres 221, 222 sont reliés à des générateurs de haute tension de polarités opposées (ou avec l'une des électrodes reliée à la terre) , créant ainsi une zone de champ électrique E intense ;
• le mélange granulaire 1 à séparer est alimenté d'abord, par le doseur à vis 210, dans le chargeur triboélectrique 21 ; • les particules chargées lia et 11b sont ensuite transférées en continu par un flux d'air et par la force de la pesanteur dans le champ électrique créé entre les deux électrodes cylindriques coaxiales. Attirées par les électrodes de polarités opposées, les particules lia et 11b respectivement chargées positivement négativement adhèrent à la surface de celles-ci ;
• un répartiteur à cône 212 est connecté à la sortie du chargeur triboélectrique 21 sert à introduire en continu les particules chargées lia et 11b dans l'espace entre les deux électrodes cylindriques 221, 222, où règne un champ électrique. Ce transfert est facilité par un flux d'air descendant généré par l'aspirateur-cyclone 2250 et la force de la pesanteur ;
• attirées par les électrodes 221, 222 de polarités opposées, les particules lia et 11b adhèrent à la surface de celles-ci ;
• des moyens de nettoyage 226 fixes permettent ensuite de les détacher des électrodes 221, 222 et de les récupérer dans deux compartiments 231 et 232 du système collecteur de produit 23. Si les électrodes 221, 222 sont tournantes, dans ce cas, les moyens de nettoyage sont immobiles ;
Ainsi, le nettoyage des électrodes 221, 222 et la collecte des particules lia et 11b une fois séparées sont réalisés en continu, dans une installation étanche, permettant le traitement de mélanges granulaires 1 de taille millimétrique et sous-millimétrique.
La figure 2 montre plus particulièrement un deuxième mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention dans lequel le dispositif de charge 21 est un chargeur à effet couronne situé dans la chambre de séparation 22 en amont des électrodes 221, 222. Le dispositif de séparation de la figure 2 comprend en outre, en amont de la chambre de séparation 22, un doseur à vis 210 et un répartiteur à cône 211 communiquant avec le chargeur à effet couronne 21, le doseur à vis 210 permettant de contrôler le débit de matériau granulaire 1 dans le chargeur 21.
La séparation du matériau granulaire 1 est réalisée comme suit à l'aide du dispositif de séparation de la figure 2, qui est configuré pour séparer un mélange granulaire de particules non-conductrices 11 et de particules conductrices 12 :
• deux cylindres métalliques coaxiaux 221, 222
(électrodes) fixes ou entraînés dans le même sens par des moteurs électriques (non visibles sur les figures 1 à 4), à des vitesses modérées de quelques dizaines de tours par minute ;
• les deux cylindres 221, 222 sont reliés à des générateurs de haute tension de polarités opposées (ou avec l'une des électrodes reliée à la terre) , créant ainsi une zone de champ électrique E intense ;
• le mélange granulaire 1 à séparer est alimenté d'abord, par le doseur à vis 210, puis via le répartiteur à cône 212 dans la chambre de séparation 22, dans une zone de champ électrique à décharge couronne, créée entre une série de pointes métalliques portées à tension élevée et l'électrode cylindrique extérieure 222, liée à la terre ;
» les particules non-conductrices 11, chargées par le « bombardement ionique » généré par la décharge couronne, sont attirée par l'électrode cylindrique extérieure 222, liée à la terre, restent collées à celle- ci ;
les particules conductrices 12 se chargent dans un premier temps de la même façon mais, en contact avec l'électrode 22 liée à la terre, se déchargent et se chargent tout de suite (par induction électrostatique) à une polarité opposée. Elles sont attirées ensuite par l'électrode cylindrique intérieure 221. Celle-ci est couverte d'une couche non-conductrice 2211, qui empêche le contact entre les particules 12 et l'électrode, ainsi que le déchargement voir le changement de polarité desdites particules ;
«> de même que pour le dispositif de la figure 1, un des moyens de nettoyage 226, associés à des aspirateurs de type cyclone 2250, permettent de collecter d'une façon distincte les particules attachées aux deux électrodes 221, 222.
Les figures 3A et 3B montrent plus particulièrement un troisième mode de réalisation du dispositif de séparation électrostatique selon l'invention dans lequel le dispositif de charge 21 est un chargeur à induction électrostatique situé dans la chambre de séparation 22 en amont des électrodes 221, 222. Le dispositif de séparation de la figure 3 comprend en outre, en amont de la chambre de séparation 22, un doseur à vis 210 et un répartiteur à cône 211 communiquant avec le chargeur à induction électrostatique 21, le doseur à vis 210 permettant de contrôler le débit de matériau granulaire 1 dans le chargeur 21.
La séparation du matériau granulaire 1 est réalisée comme suit à l'aide du dispositif de séparation de la figure 3, qui est configuré pour séparer un mélange granulaire de particules conductrices 12 :
• deux cylindres métalliques coaxiaux 221, 222
(électrodes) fixes ou entraînés dans le même sens par des moteurs électriques (non visibles sur les figures 1 à 4), à des vitesses modérées de quelques dizaines de tours par minute ; • les deux cylindres 221, 222 sont reliés à des générateurs de haute tension de polarités opposées (ou avec l'une des électrodes reliée à la terre) , créant ainsi une zone de champ électrique E intense ;
• le mélange granulaire 1 à séparer est alimenté d'abord, par le doseur à vis 210, puis via le répartiteur à cône 212 dans la chambre de séparation 22, dans une zone d'induction électrostatique, créée par le champ électrique E entre les électrodes cylindriques intérieure 221 et extérieure 222;
» les particules conductrices 12a et 12b se chargent dans le champ électrique E, en contact avec l'électrode extérieur du chargeur 21 par induction électrostatique. La différence des résistivités électriques superficielles des particules conductrices 12a et 12b conduit à des niveaux de charge différentes des particules qui se trouvent plus ou moins attirées par l'électrode cylindrique aboutissant ainsi à leur séparation ;
• de même que pour le dispositif de la figure 1, un des moyens de nettoyage 226, associés à des aspirateurs de type cyclone 2250, permettent de collecter d'une façon distincte les particules attachées aux deux électrodes 221, 222.
EXEMPLES
Equipements prototype du séparateur selon l'invention illustré sur la figure 6 ; il est alimenté par une goulotte oscillante de 50 mm de largeur qui permet un débit de 4 g/s. Dans le cas où l'alimentation en matière se ferait par un cône répartiteur de circonférence 500 mm, le débit serait de 40 g/s = 2400 g/min = 144 kg/h. Pour des particules de taille 0,125 mm à 0,25 mm, le débit se réduirait à moins de 38 kg/h. Ces débits sont bien évidement à mettre en rapport avec les dimensions des électrodes cylindriques, séparateur tribo-aéro-électrostatique 3 à disques électrodes illustré sur la figure 9 ;
séparateur 4 à chute libre illustré sur la figure 10.
Produits mélange de particules comprenant 50% de particules d'ABS (acrylonitrile-butadiène-styrène) et 50% de particules de PC (cf. exemple 1) ;
mélange de particules comprenant 50% de particules de PP (polypropylène) et 50% de particules de PC (polycarbonate) de 125 mih de diamètre (cf. exemple 2) ; mélange de particules comprenant 50% de particules de cuivre et 50% de particules d'aluminium, le diamètre des particules étant de l'ordre de 50 mih (cf. exemple 3) .
EXEMPLE 1
La figure 7 montre les résultats de la séparation d'un mélange composé de 50% d'ABS et 50% de PC. Le mélange a été chargé dans un système à vibration et a ensuite été introduit dans le séparateur par une goulotte oscillante. La pureté de cette séparation est proche de 100%. Dans le cas d'un mélange 40% ABS et 60% PC, le produit ABS a été pollué par des particules de PC, et la pureté est descendue à environ 95%. EXEMPLE 2
Les résultats de la séparation d'un mélange composé de 50% de PP et de 50% de PC de 125 ym sont montrés sur la figure 8. Le chargement et 1 ' introduction du mélange sont identiques à ceux décrits dans l'exemple 1. Les puretés des produits obtenus sont proches de 100%.
EXEMPLE 3
Un test de faisabilité de la séparation électrostatique des constituants d'un mélange conducteur/conducteur a été réalisé avec le dispositif de séparation électrostatique selon l'invention dans lequel le dispositif de charge 21 est un chargeur à effet couronne (illustré sur la figure 2A) . L'échantillon testé est un échantillon composé de 1,4 g de particules de cuivre, et de 1,4 g de particules d'aluminium, le diamètre des particules étant de l'ordre de 50 mih.
Les électrodes ont été alimentées à une tension de 17 kV, pour un courant de 0,006 mA.
Plus de 70% des particules d'aluminium, plus légères, ont été collectées sur l'électrode cylindrique intérieure, à une pureté proche de 100% (comme illustré sur la figure 11) . Les particules de cuivre, plus lourdes, ont été récupérées, dans les bacs situés à l'extrémité inférieure du système d'électrodes, dans un produit pesant 1,2 g et contenant aussi jusqu'à 20% d'aluminium (comme illustré sur la figure 12) .
Le reste des particules des deux métaux (environ 0.5 g) ont été retrouvées « collées » sur la surface de l'électrode cylindrique extérieure (comme illustré sur la figure 13) . EXEMPLE COMPARATIF 1
Nous avons également réalisé la séparation du mélange de 50% de PP et de 50% de PC (mélange de couleurs gris clair et gris foncé) dans un séparateur 3 connu de l'art antérieur : il s'agit d'un séparateur 3 tribo-aéro-électrostatique à disques électrodes 321, 322 . Le chargement et la séparation sont réalisés dans la chambre de séparation 32 du séparateur 3. Le mélange de particules est chargé dans un lit fluidisé et les particules chargées sont attirées par les disques électrodes 321, 322 qui les évacuent dans leur mouvement de rotation. Ce séparateur permet une séparation en un régime continu avec un débit de 10 g/s seulement, avec en outre des problèmes d'étanchéité et de récupération, principalement pour les particules fines, à la sortie des électrodes 321 et 322. Les résultats de cette séparation ainsi que les problèmes d'étanchéité et de récupération 5 sont montrés sur la figure 9.
EXEMPLE COMPARATIF 2
La figure 10 illustre les résultats de la séparation du mélange 50% ABS et 50% PC dans un séparateur 4 connu de l'état de l'art antérieur : il s'agit d'un séparateur 4 électrostatique à chute libre, à deux électrodes plaques 421, 422. Le mélange a été chargé dans un système à vibration et a ensuite été introduit dans le séparateur 4 par une goulotte oscillante. Le séparateur 4 à chute libre ne permet pas de travailler en régime continu et la séparation se dégrade dès que les électrodes 421, 422 sont couvertes de particules. LISTE DES REFERENCES
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[2] Richard, G., Salama, A., Medles, K., Zeghloul, T., Dascalescu, L., Comparative study of three high-voltage electrode configurations for the electrostatic séparation of Aluminum, Copper and PVC from granular WEEE, J. Electrostat, 88 (2017) 29-34. DOI: 10.1016/j . elstat .2016.12.022
[3] Brevet français FR3015312 du CIRAD et de l'INRA.
[4] Brevet français FR3015311 de l'INRA.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de séparation électrostatique d'un matériau granulaire (1) comprenant des particules (11, lia, 11b, 12,
12a, 12b) présentant un diamètre équivalent compris entre 50 mih et 2 mm, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
A. introduction à débit constant dudit matériau granulaire dans un dispositif (21) de charge permettant de charger lesdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) en fonction de leur nature ; puis charge desdites particules ;
B. génération d'un champ électrique E entre deux électrodes cylindriques (221, 222) coaxiales verticales d'axe (OZ) disposées dans une chambre de séparation (22), l'intensité de E variant entre 1 kV/cm et 10 kV/cm,
les deux électrodes cylindriques (221, 222) se décomposant en une électrode cylindrique intérieure (221) de diamètre extérieur die d'axe et une électrode cylindrique extérieure (222) de diamètre intérieur dei,
lesdites électrodes cylindriques (221, 222) étant connectées à un générateur de haute tension continue, l'une desdites électrodes
(221) étant reliée à la borne positive dudit générateur et l'autre desdites électrodes
(222) étant reliée à sa borne négative ou à la terre ;
de manière à créer une zone de champ électrique (224) ayant la forme d'une nappe cylindrique d'épaisseur e répondant à la formule (1) : (1) e = (dei - die) /2
C. génération, par aspiration, dans ladite zone de champ électrique (224), d'un flux d'air vertical descendant (225) perpendiculaire à la direction du champ électrique E et dont l'effet combiné à celui de la gravité permet le transfert en continu desdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) une fois chargées vers ladite zone de champ électrique (224) ;
D. déplacement desdites particules chargées (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) lorsqu'elles se trouvent dans ladite zone de champ électrique (224) vers les électrodes de polarités opposées (221, 222) pour y adhérer ;
E. détachement en continu, à l'aide de moyens mécaniques de nettoyage (226) de la surface des électrodes (221, 222), desdites particules (11, lia, 11b, 12) adhérant à la surface desdites électrodes (221, 222), lesdits moyens mécaniques de nettoyage (226) étant mobiles en rotation autour de l'axe central vertical (OZ) des électrodes et lesdites électrodes (221, 222) étant fixes, ou inversement ;
F. évacuation en continu desdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) détachées, sous l'action conjuguée de la pesanteur et dudit flux d'air (225) vertical ; puis
G. récupération desdites particules (11, lia, 11b, 12)
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel lesdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) présentent un diamètre équivalent compris entre 0,125 mm et 2 mm.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit matériau granulaire (1) comprend uniquement des particules non conductrices (lia, 11b), réparties en deux catégories différentes, la charge desdites particules (lia, 11b) est réalisée par effet triboélectrique dans un chargeur tribo-électrique (21) communiquant avec ladite chambre de séparation via un répartiteur cône (211) .
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
• ledit matériau granulaire (1) comprend un mélange de particules non conductrices (11) et de particules conductrices (12),
• la charge desdites particules (11, 12) est réalisée dans ladite chambre de séparation (22) par effet de couronne dans un chargeur à effet couronne (21) situé en amont desdites électrodes (221, 222) .
5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel :
• ledit matériau granulaire (1) comprend un mélange de particules conductrices (12a, 12b),
• la charge desdites particules (12a, 12b) est réalisée dans ladite chambre de séparation (22) par induction électrostatique générée par le champ électrique le long desdites électrodes (221, 222) .
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'intensité du champ électrique E intense est comprise entre 4 kV/cm et 5 kV/cm.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les matériaux chargés sont introduits dans la zone de champ électrique (224) sous la forme d'une nappe cylindrique d'épaisseur comprise entre 1 mm et 5 mm, selon la taille des particules.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel lesdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) à séparer présentent un diamètre compris entre 0,125 mm et 2 mm .
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, selon lequel l'étape de récupération F) desdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) est réalisée dans un système collecteur (23), lesdites particules (11, lia, 11b, 12) étant récupérées dans des compartiments intermédiaires (231, 232) du système collecteur (23), lesdits compartiments intermédiaires étant cylindriques, coaxiaux avec lesdites électrodes (221, 222) et chacun connecté à un aspirateur - cyclone (2250 ) .
10. Procédé selon la revendication 8, comprenant en outre une étape de transfert desdites particules (11, 12) des compartiments intermédiaires (231, 232) vers des compartiments terminaux (233, 234) du système collecteur (23), à travers lesdits aspirateurs-cyclones (2250).
11. Dispositif de séparation électrostatique d'un matériau granulaire (1) comprenant des particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) présentant un diamètre compris entre 125 mih et 2 mm, ledit dispositif comprenant :
• un dispositif (21) pour charger lesdites particules
(11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) à séparer ;
• une chambre de séparation (22) comprenant deux électrodes cylindriques (221, 222) coaxiales verticales d'axe (OZ) se décomposant en
une électrode cylindrique intérieure (221) de diamètre extérieur die et une électrode cylindrique extérieure (222) de diamètre intérieur dei,
lesdites électrodes cylindriques (221, 222) étant connectées à un générateur de haute tension continue, l'une desdites électrodes (221) étant reliée à la borne positive dudit générateur et l'autre desdites électrodes (222) étant reliée à sa borne négative, de manière à pouvoir générer un champ électrique E,
• des moyens de production (2250) par aspiration, dans ladite chambre de séparation (22), d'un flux d'air vertical descendant (225) perpendiculaire à la direction du champ électrique E,
• des moyens mécaniques de nettoyage (226) de la surface des électrodes (221, 222), lesdits moyens mécaniques de nettoyage (226) étant mobiles en rotation autour de l'axe (OZ) et lesdites électrodes (221, 222) étant fixes ou inversement ; et un dispositif de récupération (23) desdites particules (11, lia, 11b, 12) .
12. Dispositif selon la revendication 10, selon lequel le dispositif de charge (21) est un chargeur tribo-électrique (21) communiquant avec ladite chambre de séparation (22) via un répartiteur à cône (212) .
13. Dispositif selon la revendication 10, selon lequel le dispositif de charge (21) est un chargeur à effet couronne situé dans ladite chambre de séparation (22) en amont desdites électrodes (221, 222), l'alimentation en matière dudit dispositif de charge (21) étant réalisée au travers d'un répartiteur à cône (211) .
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, selon lequel lesdits moyens mécaniques de nettoyage (226) de la surface des électrodes sont des brosses ou des racleurs .
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, selon lequel les moyens de production (2250) de flux d'air vertical descendant (225) sont des aspirateurs de type cyclone (2250), permettant en outre la récupération desdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) dans le système collecteur (23) .
16. Dispositif selon la revendication 15, selon lequel le dispositif de récupération (23) desdites particules (11, lia, 11b, 12, 12a, 12b) est un système collecteur de produits (23) comprenant :
deux compartiments intermédiaires (231, 232), cylindriques, coaxiaux avec le système d'électrodes (221, 222) et connectés aux aspirateurs-cyclones (2250) ;
deux compartiments terminaux (233, 234), vers lesquels lesdites particules (11, 12) sont transférées depuis lesdits compartiments intermédiaires (231, 232), à travers lesdits aspirateurs-cyclones (2250).
17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, comprenant en outre, en amont dudit dispositif de charge (21) un doseur (210) de matériau granulaire (1) apte à en contrôler le débit.
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