International audienceFiltration performance of pulse-jet bag filters implemented in flue gas treatment of waste incineration plant was studied at laboratory scale in order to evaluate the influence of humidity during clogging/unclogging cycles. Several cycles of clogging/unclogging with on-line cleaning were done with submicronic particles with a nanosized fraction at the operating conditions as similar as possible to those found in flue gas treatment of waste incineration plants (150°C-3% RH) and in dry conditions (150°C-0% RH). The experimental results revealed a significant influence of humidity on the filtration performance mainly due to capillary condensation, namely faster increase of bag filter pressure drop, lower efficiency of particulate cake dislogment and better collection efficiency of particles between 110 and 300 nm.Les performances de filtration des filtres à manche mis en oeuvre dans les lignes de traitement des fumées d’incinération de déchets ont été étudiées à l’échelle du laboratoire afin d’évaluer l’influence de l’humidité. Plusieurs cycles de colmatage et décolmatage ont été réalisés à l’aide d’un aérosol représentatif des émissions d’incinération de nanodéchets, d’une part pour des conditions opératoires représentatives de celles rencontrées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération (150°C- 3% HR) et d’autre part en conditions d’air sec (150°C- 0% HR). Les résultats expérimentaux ont montré une influence significative de la présence d’humidité sur les performances de filtration principalement en raison de la condensation capillaire, à savoir une augmentation plus rapide de la perte de charge du filtre, un décolmatage moins efficace du gâteau de particules et une efficacité de collecte des particules entre 110 et 300nm plus importante

Boudhan, Rachid

Gueraoui, Kamal

Joubert, Aurélie

Le Coq, Laurence

HAL-Univ-Nantes

Influence de l'humidité sur les performances de collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche

Archive Ouverte en Sciences de l'Information et de la Communication

HAL Id: hal-01937336
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Influence de l’humidité sur les performances de collecte
de particules submicrométriques d’un filtre à manche
Rachid Boudhan, Aurélie Joubert, Kamal Gueraoui, Laurence Le Coq
To cite this version:
Rachid Boudhan, Aurélie Joubert, Kamal Gueraoui, Laurence Le Coq. Influence de l’humidité sur les
performances de collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche. Congrès Français sur
les Aérosols, Jan 2018, Paris, France. ￿10.25576/ASFERA-CFA2018-12578￿. ￿hal-01937336￿
Pour citer cet article : R. Boudhan et al. (2018), Influence de l'humidité sur les performances de 
collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche, Congrès Français sur les Aérosols 
2018, Paris 
INFLUENCE DE L'HUMIDITE SUR LES PERFORMANCES DE COLLECTE DE 
PARTICULES SUBMICROMETRIQUES D’UN FILTRE A MANCHE 
R. Boudhan*1,2, A. Joubert1, K.Gueraoui2, L. Le Coq1 
 
1IMT Atlantique, GEPEA, CNRS, UMR 6144, 4 rue A. Kastler, BP 20722, 44307, Nantes cedex 03, France. 
2Faculté des Sciences de Rabat, 4 Avenue Ibn Battouta, B.P. 1014 RP, Rabat, Maroc. 
*rachid.boudhan@imt-atlantique.fr 
 
 
TITLE 
Influence of humidity on the filtration performance of submicronized particles by bag filter 
 
ABSTRACT 
Filtration performance of pulse-jet bag filters implemented in flue gas treatment of waste incineration plant was 
studied at laboratory scale in order to evaluate the influence of humidity during clogging/unclogging cycles. 
Several cycles of clogging/unclogging with on-line cleaning were done with submicronic particles with a nanosized 
fraction at the operating conditions as similar as possible to those found in flue gas treatment of waste 
incineration plants (150°C – 3% RH) and in dry conditions (150°C - 0% RH).  
The experimental results revealed a significant influence of humidity on the filtration performance mainly due to 
capillary condensation, namely faster increase of bag filter pressure drop, lower efficiency of particulate cake 
dislogment and better collection efficiency of particles between 110 and 300 nm. 
 
RESUME 
Les performances de filtration des filtres à manche mis en œuvre dans les lignes de traitement des fumées 
d’incinération de déchets ont été étudiées à l’échelle du laboratoire afin d’évaluer l’influence de l’humidité. 
Plusieurs cycles de colmatage et décolmatage ont été réalisés à l’aide d’un aérosol représentatif des émissions 
d’incinération de nanodéchets, d’une part pour des conditions opératoires représentatives de celles rencontrées 
dans les lignes de traitement des fumées d’incinération (150°C- 3% HR) et d’autre part en conditions d’air sec 
(150°C- 0% HR).  
Les résultats expérimentaux ont montré une influence significative de la présence d’humidité sur les 
performances de filtration principalement en raison de la condensation capillaire, à savoir une augmentation plus 
rapide de la perte de charge du filtre, un décolmatage moins efficace du gâteau de particules et une efficacité de 
collecte des particules entre 110 et 300nm plus importante. 
 
KEYWORDS: bag filter, clogging/unclogging cycles, submicronic and nanosized particles, capillary 
condensation / MOTS-CLÉS : filtre à manche, cycles colmatage/décolmatage, particules submicroniques et 
nanométriques, condensation capillaire 
 
1. INTRODUCTION 
 
Il n’existe à ce jour aucune réglementation française ou européenne sur la gestion des nanomatériaux 
manufacturés, que ce soit au niveau de la fabrication, de l'usage ou de la fin de vie. De tels produits 
ou nano-déchets peuvent se retrouver en unités d'incinération d’ordures ménagères (UIOM) réservées 
aux déchets ménagers et assimilés. Les nanoparticules sont pourtant responsables de problèmes 
sanitaires et environnementaux. En effet, des études toxicologiques démontrent clairement que leur 
très petite taille est un élément clé au niveau de la toxicité, en particulier les particules non ou peu 
solubles (Ostiguy et al, 2006). C’est pourquoi une attention particulière est portée sur le traitement des 
fumées d’incinération, en particulier sur l’efficacité des filtres à manches, éléments clefs des lignes de 
traitement des fumées par voie sèche dédiés à l’abattement des particules.  
Le Bihan et al (2014) ont quantifié les performances de collecte de nanoparticules d’une manche 
filtrante de laboratoire en conditions représentatives de ligne de traitement des fumées d’incinération, 
mais des incertitudes demeurent quant à l’influence de paramètres opératoires tels que le taux 
d’humidité dans les gaz. 
Il existe des études dans la littérature sur l'influence de l'humidité de l'air sur les performances de 
filtration de médias en géométrie plane ou plissée pour des températures ambiantes. Selon les 
auteurs (Gupta et al, 1993 ; Miguel, 2003 ; Joubert et al, 2010), la présence de vapeur dans l’air 
conduirait à une diminution de la résistance du gâteau de particules à l’écoulement d’air, d’autant plus 
significative pour des particules hygroscopiques submicrométriques, et pas d’influence sur l’efficacité 
de collecte de particules nanométriques (Kim et al, 2006). Néanmoins, il n’existe à notre connaissance 
DOI : 10.25576/ASFERA-CFA2018-12578
Pour citer cet article : R. Boudhan et al. (2018), Influence de l'humidité sur les performances de 
collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche, Congrès Français sur les Aérosols 
2018, Paris 
pas d’étude réalisée sur l’influence de l’humidité sur les performances de filtres à manches en 
conditions opératoires rencontrées sur les lignes de traitement des fumées d’incinération de déchets 
(150 à 200°C et teneur en eau de 10-12%) et vis-à-vis de particules nanométriques (aérosol de 
combustion). 
Cette étude s’intéresse aux performances de filtration des filtres à manches mis en œuvre dans les 
lignes de traitement des fumées d’incinération. L’objectif est d’étudier au laboratoire l’influence des 
conditions opératoires, et plus précisément la teneur en eau dans les fumées d’incinération, sur les 
performances des filtres, afin notamment d'aider à l'élaboration de préconisations techniques.  
 
2.  MATERIEL ET METHODES 
 
L’unité pilote de filtration utilisée, décrite par Boudhan et al. (2017), permet d’étudier les performances 
de filtration d’une manche filtrante de taille réduite (hauteur 440 mm, diamètre 150 mm) au cours de 
cycles de colmatage/décolmatage par des aérosols en maîtrisant la température (jusqu’à 150°C) et 
l’humidité de l’air. Les performances du filtre à manche ont été étudiées à une vitesse de filtration 
représentative des lignes de traitement des fumées d’incinération de 1,9 cm/s durant 10 cycles 
successifs de colmatage/décolmatage pour deux conditions opératoires, à savoir (150°C - 0% HR) et 
(150°C - 3% HR) soit une teneur en eau respectivement de 0 et environ 100 g d'eau/kg d'air sec. La 
perte de charge maximale du filtre avant décolmatage a été fixée à 150 Pa pour chaque cycle. L’étude 
se concentre sur les performances de filtration au début de la durée de vie du filtre, avant stabilisation 
de la perte de charge résiduelle du filtre résultant des précédents cycles de filtration.  
La manche filtrante testée, constituée de fibres de Téflon (polytétrafluoroéthylène PTFE) a été réalisée 
à partir d’une manche industrielle lavée, en cours de vie, et fournie par l’entreprise Trédi. Les 
paramètres structuraux sont : porosité de 0,64, épaisseur de 1,21 mm et diamètre modal de fibres de 
19,5 µm.  
Un aérosol représentatif d’une fumée d’incinération a été généré en amont de la manche filtrante 
(générateur DNP-2000, Palas, électrodes de carbone). La distribution granulométrique et la 
concentration numérique de l’aérosol ont été déterminées en ajustant les caractéristiques du 
générateur afin d’être représentatif de la fumée obtenue durant l’incinération d’un déchet composé de 
noir de carbone dans un four pilote d’incinération (projet NANOFlueGas, Le Bihan et al, 2014). Les 
distributions granulométriques des particules de carbone exprimées en nombre, déterminées par 
mesures SMPS (Grimm) en amont de la manche filtrante pour les deux conditions opératoires 
étudiées (150°C - 0% HR) et (150°C - 3% HR), présentent respectivement un diamètre médian de 
mobilité électrique de 45 et 51 nm. 
3. RESULTATS ET DISCUSSIONS 
3.1  Influence de l’humidité sur l’évolution de la perte de charge  
 
Les évolutions de la perte de charge du filtre à manche en fonction du temps sont présentées sur la 
Figure 1 pendant les 10 cycles de filtration pour les 2 conditions opératoires.  
Les résultats indiquent tout d’abord que quelles que soient les conditions d’humidité, la durée de 
colmatage par cycle diminue au cours du temps et la perte de charge résiduelle de filtre (perte de 
charge résultant des cycles de filtration précédents) augmente graduellement. Cela s’explique par un 
décolmatage non complet du gâteau de particules à la surface du filtre et par conséquent une 
accumulation du gâteau résiduel au cours des cycles de filtration.  
Les résultats révèlent également que l’évolution de la perte de charge en condition humide (100 g 
d'eau/kg d'air sec) est plus rapide qu’en condition d’air sec. Cela peut s’expliquer par la formation d’un 
gâteau de particules plus résistant à l’écoulement d’air, avec donc une porosité du gâteau de 
particules qui diminuerait lorsque le colmatage se fait en présence d’humidité. En effet, la présence 
d'humidité dans l’air conduit à une condensation capillaire entre les particules qui augmente les forces 
d’adhésion entre les particules. La baisse de la porosité du gâteau de particules en présence 
d’humidité s’explique donc par la formation d’un dépôt plus compact en raison des forces capillaires, 
mais également la possible formation de ponts liquides entre les particules en conditions importantes 
d’humidité (100 g d'eau/kg d'air sec et surtout une pression de vapeur >104 Pa contre environ 103Pa à 
20°C et 50% HR) (Feng and Yu, 1998 ; Butt and Kappl, 2009). 
L’augmentation plus rapide de la perte de charge résiduelle du filtre pour les cycles de 
colmatage/décolmatage en présence d’humidité peut s’expliquer par une moins bonne efficacité de 
DOI : 10.25576/ASFERA-CFA2018-12578
Pour citer cet article : R. Boudhan et al. (2018), Influence de l'humidité sur les performances de 
collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche, Congrès Français sur les Aérosols 
2018, Paris 
détachement du gâteau de particules par rétro-soufflage en raison de l’augmentation des forces 
d’adhésion des particules due aux forces capillaires. 
Ces résultats diffèrent de ceux observés dans  la littérature mais pour des conditions opératoires 
différentes (Gupta et al, 1993; Miguel, 2003 ; Joubert et al, 2010). Cela révèle vraisemblablement 
l’importance de la teneur en eau de l’air (bien plus importante dans notre étude) sur son influence sur 
les performances de filtration, ainsi que de la taille des particules ici majoritairement nanométriques.  
 
Figure 1. Influence de l'humidité de l’air sur l’évolution de la perte de charge du filtre à manche au 
cours des cycles de colmatage/décolmatage à 150°C  
3.2 Influence de l’humidité sur l’efficacité de collecte des particules 
 
La Figure 2 présente les évolutions en conditions d’air humide (150°C - 3% HR) et sec (150°C - 0% 
HR) de l'efficacité fractionnelle de collecte des particules en fonction de leur diamètre, pour 3 valeurs 
de nombre de particules collectées durant le premier cycle de colmatage/décolmatage. 
Deux gammes de diamètre de particule peuvent être distinguées dans la Figure 2. Tout d'abord, pour 
les particules de 16 à 100 nm de diamètre, il n’y a pas de différence significative de l'efficacité de 
filtration observée pour les deux conditions d’humidité. Ces résultats sont en cohérence avec ceux de 
Kim et al (2006) obtenus avec un filtre en fibres de verre et des particules de 3 à 70 nm. 
Deuxièmement, pour les particules submicroniques entre 110 et 300 nm, une efficacité de filtration 
supérieure est rapportée pour les essais en présence d’humidité et pour les nombres de particules 
collectés égaux à 1014 et 3.5.1014. Pour cette taille de particules, la collecte se fait principalement par 
les mécanismes d'interception et d'impaction inertielle. L’influence de l’humidité sur l’efficacité de 
collecte des particules peut ainsi s'expliquer par l’effet de la condensation capillaire sur les particules 
transportées dans l'air humide, conduisant à une augmentation de leur masse volumique apparente et 
donc une augmentation de l’efficacité de collecte par le mécanisme d’impaction inertielle.  
 
 
Figure 2. Influence de l’humidité sur l'efficacité fractionnelle de collecte des particules en fonction de 
leur diamètre et pour 3 valeurs de nombre de particules collectées durant le premier cycle de 
colmatage/décolmatage 
 
10
30
50
70
90
110
130
150
0 1000 2000 3000 4000 5000
Δ
P
 [
P
a
]
Time [min]
NPs, 150°C-0% HR
NPS, 150°C-3%HR
C 10
C 10
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
10 100
Ef
fi
ci
en
ci
en
cy
 [-
]
Equivalent diameter in electrical mobility [nm]
150°C-3% RH 150°C-0% RH
#=1*10^14 part. (ΔP=50 Pa) #=1*10^14 part. (ΔP=35 Pa)
#=3.5*10^14 part. (ΔP=100 Pa) #=3.5*10^14 part. (ΔP=45 Pa)
#=7*10^14 part. (ΔP=150 Pa) #=7*10^14 part. (ΔP=60 Pa)
200 300
DOI : 10.25576/ASFERA-CFA2018-12578
Pour citer cet article : R. Boudhan et al. (2018), Influence de l'humidité sur les performances de 
collecte de particules submicrométriques d’un filtre à manche, Congrès Français sur les Aérosols 
2018, Paris 
CONCLUSIONS 
Les performances de filtration d’un filtre à manche vis-à-vis de particules submicroniques et 
nanométriques ont été évaluées à l’échelle du laboratoire durant plusieurs cycles de 
colmatage/décolmatage. Le filtre à manche opérait d’une part en conditions réalistes, représentatives 
de celles rencontrées dans les lignes de traitement des fumées d’incinération de déchets en termes 
de température (150°C), vitesse de filtration (1,9 cm.s-1) et d’humidité (3% HR) et d’autre part en 
condition d’air sec (150°C – 0% HR).  
Les principaux résultats de cette étude sont : 1) augmentation plus rapide de la perte de charge du 
filtre à manche en présence d’humidité (150°C – 3% HR) qu’en conditions d’air sec (150°C – 0% HR), 
2) influence significative de l’humidité de l’air sur la résistance à l’écoulement d’air du gâteau de 
particules due à l’augmentation des forces d’adhésion entre les particules et à la condensation 
capillaire en présence d’humidité (150°C – 3% HR soit environ 100 g d’eau par kg d’air sec), 3) 
augmentation de l’efficacité de collecte des particules de 110-300 nm en présence d’humidité 
expliquée par une augmentation de leur masse volumique apparente dans l’air humide par 
condensation capillaire.  
 
REMERCIEMENTS 
Un remerciement spécial est exprimé à l'entreprise Trédi, pour le soutien financier et les échanges 
scientifiques et techniques au cours de ce projet de recherche, ainsi qu’au programme Partenariat 
Hubert Curien «TOUBKAL» pour son soutien financier. 
 
REFERENCES 
Boudhan, R., Joubert, A., Gueraoui, K., Durécu, S. , Venditti, D. , Tran, D.T., Le Coq, L. (2017) Pulse-Jet Bag 
Filter Performances for Treatment of Submicronic and Nanosized Particles from Waste Incineration, Waste and 
Biomass Valorization. 1-7. 
Butt, H.J., Kappl, M. (2009) Normal capillary forces. Advances in Colloid and Interface Science, (146):48-60. 
Feng, C.L., Yu, A.B. (1998). Effect of Liquid Addition on the Packing of Mono-Sized Coarse Spheres, Powder 
Technol. 99(22)–28. 
Gupta, A., Novick, V. J., Biswas, P., Monson, P. R. (1993) Effect of Humidity and Particle Hygroscopicity on the 
Mass Loading Capacity of High Efficiency Particulate Air (HEPA) Filter, Aerosol Sci. Tech. 19(94)–107. 
Joubert, A., Laborde, J. C., Bouilloux, L., Callé-Chazelet, S., & Thomas, D. (2010) Influence of humidity on 
clogging of flat and pleated HEPA filters, Aerosol Science and Technology, 44(12), 1065-76. 
Kim, C., Bao, L., Okuyama, K., Shimada, M., & Niinuma, H. (2006) Filtration efficiency of a fibrous filter for 
nanoparticles. Journal of Nanoparticle Research, 8 (2), 215‑21.  
Le Bihan, O., Durécu, S., Venditti, D., Meunier, T., Joubert, A., Le Coq, L (2014). Caractérisation et réduction des 
émissions particulaires issues des déchets contenant des matériaux manufacturés. Rapport Ademe Cortea 
NANOFlueGas, 22 juillet 2014. 
Miguel, A.F. (2003) Effect of Air Humidity on the Evolution of Permeability and Performance of a Fibrous Filter 
during Loading with Hygroscopic and Non-Hygroscopic Particles. Journal of Aerosol Science, 34(6), 783-99.  
Ostiguy, C., Lapointe, G., Trottier, M., Ménard, L., Cloutier, Y. (2006). Les effets à la santé reliés aux 
nanoparticules, rapport IRSST, Montréal. 
DOI : 10.25576/ASFERA-CFA2018-12578


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