Méthodologie de minimisation de la pollution appliquée au traitement de surface

259 Pages·2017·1.87 MB·French

by  Florine Leveillard

NNT : 2011 EMSE 0598
THÈSE
présentée par
Florine LEVEILLARD
pour obtenir le grade de
Docteur de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
Spécialité : Sciences et Génie de l’Environnement
METHODOLOGIE DE MINIMISATION DE LA POLLUTION
APPLIQUEE AU TRAITEMENT DE SURFACE :
ETUDE DE L’ENTRAINEMENT COMME VECTEUR DE
POLLUTION
soutenue à Saint-Etienne, le 3 février 2011

Membres du jury

Président : Pierre BUFFIERE Professeur, INSA, Lyon
Rapporteurs : Yves PERRODIN Professeur, ENTPE, Vaulx-en-Velin
Mathias GLAUS Professeur, ETS, Montréal (Québec)
Examinateurs Jacques BOURGOIS Professeur, ENSM, Saint-Etienne
Valérie LAFOREST Maître de recherche, ENSM, Saint-Etienne
Eric PIATYSZEK Chargé de recherche, ENSM, Saint-Etienne
Invités Sébastien FRAISSE Chef d’entreprise, SFTS, Sury le Comtal
Patricia SIRE Ingénieur, CETIM, Saint-Etienne
Spécialités doctorales : Responsables :
SCIENCES ET GENIE DES MATERIAUX J. DRIVER Directeur de recherche – Centre SMS
MECANIQUE ET INGENIERIE A. VAUTRIN Professeur – Centre SMS
GENIE DES PROCEDES G. THOMAS Professeur – Centre SPIN
SCIENCES DE LA TERRE B. GUY Maître de recherche – Centre SPIN
SCIENCES ET GENIE DE L’ENVIRONNEMENT J. BOURGOIS Professeur – Centre SITE
MATHEMATIQUES APPLIQUEES E. TOUBOUL Ingénieur – Centre G2I
INFORMATIQUE O. BOISSIER Professeur – Centre G2I
IMAGE, VISION, SIGNAL JC. PINOLI Professeur – Centre CIS
GENIE INDUSTRIEL P. BURLAT Professeur – Centre G2I
MICROELECTRONIQUE Ph. COLLOT Professeur – Centre CMP

Enseignants-chercheurs et chercheurs autorisés à diriger des thèses de doctorat (titulaires d’un doctorat d’État ou d’une HDR)
AVRIL Stéphane MA Mécanique & Ingénierie CIS
BATTON-HUBERT Mireille MA Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BENABEN Patrick PR 1 Sciences & Génie des Matériaux CMP
BERNACHE-ASSOLLANT Didier PR 0 Génie des Procédés CIS
BIGOT Jean-Pierre MR Génie des Procédés SPIN
BILAL Essaïd DR Sciences de la Terre SPIN
BOISSIER Olivier PR 1 Informatique G2I
BORBELY Andras MR Sciences et Génie des Matériaux SMS
BOUCHER Xavier MA Génie Industriel G2I
BOUDAREL Marie-Reine PR 2 Génie Industriel DF
BOURGOIS Jacques PR 0 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BRODHAG Christian DR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
BURLAT Patrick PR 2 Génie industriel G2I
COLLOT Philippe PR 1 Microélectronique CMP
COURNIL Michel PR 0 Génie des Procédés SPIN
DAUZERE-PERES Stéphane PR 1 Génie industriel CMP
DARRIEULAT Michel IGM Sciences & Génie des Matériaux SMS
DECHOMETS Roland PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
DESRAYAUD Christophe MA Mécanique & Ingénierie SMS
DELAFOSSE David PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
DOLGUI Alexandre PR 1 Génie Industriel G2I
DRAPIER Sylvain PR 2 Mécanique & Ingénierie SMS
DRIVER Julian DR 0 Sciences & Génie des Matériaux SMS
FEILLET Dominique PR 2 Génie Industriel CMP
FOREST Bernard PR 1 Sciences & Génie des Matériaux CIS
FORMISYN Pascal PR 1 Sciences & Génie de l'Environnement SITE
FORTUNIER Roland PR 1 Sciences & Génie des Matériaux SMS
FRACZKIEWICZ Anna DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GARCIA Daniel MR Génie des Procédés SPIN
GIRARDOT Jean-Jacques MR Informatique G2I
GOEURIOT Dominique MR Sciences & Génie des Matériaux SMS
GRAILLOT Didier DR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
GROSSEAU Philippe MR Génie des Procédés SPIN
GRUY Frédéric MR Génie des Procédés SPIN
GUY Bernard MR Sciences de la Terre SPIN
GUYONNET René DR Génie des Procédés SPIN
HERRI Jean-Michel PR 2 Génie des Procédés SPIN
INAL Karim PR 2 Microélectronique CMP
KLÖCKER Helmut DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
LAFOREST Valérie CR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
LERICHE Rodolphe CR CNRS Mécanique et Ingénierie SMS
LI Jean-Michel EC (CCI MP) Microélectronique CMP
LONDICHE Henry MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
MALLIARAS George Grégory PR 1 Microélectronique CMP
MOLIMARD Jérôme MA Mécanique et Ingénierie SMS
MONTHEILLET Frank DR 1 CNRS Sciences & Génie des Matériaux SMS
PERIER-CAMBY Laurent PR 2 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Christophe PR 1 Génie des Procédés SPIN
PIJOLAT Michèle PR 1 Génie des Procédés SPIN
PINOLI Jean-Charles PR 0 Image, Vision, Signal CIS
STOLARZ Jacques CR Sciences & Génie des Matériaux SMS
SZAFNICKI Konrad MR Sciences & Génie de l'Environnement SITE
THOMAS Gérard PR 0 Génie des Procédés SPIN
TRIA Assia Microélectronique CMP
VALDIVIESO François MA Sciences & Génie des Matériaux SMS
VAUTRIN Alain PR 0 Mécanique & Ingénierie SMS
VIRICELLE Jean-Paul MR Génie des procédés SPIN
WOLSKI Krzysztof DR Sciences & Génie des Matériaux SMS
XIE Xiaolan PR 1 Génie industriel CIS

Glossaire : Centres :
PR 0 Professeur classe exceptionnelle SMS Sciences des Matériaux et des Structures
PR 1 Professeur 1ère classe SPIN Sciences des Processus Industriels et Naturels
PR 2 Professeur 2ème classe SITE Sciences Information et Technologies pour l’Environnement
MA(MDC) Maître assistant G2I Génie Industriel et Informatique
DR Directeur de recherche CMP Centre de Microélectronique de Provence
Ing. Ingénieur CIS Centre Ingénierie et Santé
MR(DR2) Maître de recherche
CR Chargé de recherche
EC Enseignant-chercheur
IGM Ingénieur général des mines
Dernière mise à jour le : 13 septembre 2010
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NNT : 2011 EMSE 0598
THÈSE
présentée par
Florine LEVEILLARD
pour obtenir le grade de
Docteur de l’École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne
Spécialité : Sciences et Génie de l’Environnement
METHODOLOGIE DE MINIMISATION DE LA POLLUTION
APPLIQUEE AU TRAITEMENT DE SURFACE :
ETUDE DE L’ENTRAINEMENT COMME VECTEUR DE
POLLUTION
soutenue à Saint-Etienne, le 3 février 2011

Membres du jury

Président : Pierre BUFFIERE Professeur, INSA, Lyon
Rapporteurs : Yves PERRODIN Professeur, ENTPE, Vaulx-en-Velin
Mathias GLAUS Professeur, ETS, Montréal (Québec)
Examinateurs Jacques BOURGOIS Professeur, ENSM, Saint-Etienne
Valérie LAFOREST Maître de recherche, ENSM, Saint-Etienne
Eric PIATYSZEK Chargé de recherche, ENSM, Saint-Etienne
Invités Sébastien FRAISSE Chef d’entreprise, SFTS, Sury le Comtal
Patricia SIRE Ingénieur, CETIM, Saint-Etienne

Remerciements
Ce travail de recherche a été effectué au sein du centre SITE (Sciences, Information et
Technologies pour l’Environnement) de l’Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-
Etienne, sous la direction de Jacques Bourgois, professeur, de Valérie Laforest, maître de
recherche et d’Eric Piatyszek, chargé de recherche. Je leur adresse mes sincères
remerciements pour avoir encadré cette thèse, pour leur patience et leur soutien.
Je remercie les rapporteurs de cette thèse, Yves Perrodin et Mathias Glaus pour l’intérêt
qu’ils ont porté à mon travail. Merci également à Pierre Buffiere et à Patricia Sire qui ont
accepté de juger ce travail.
Je tiens à remercier Didier Graillot, directeur du centre SITE, pour m’avoir accueillie dans
son laboratoire.
Je remercie également Jean-charles Pinoli, Alain Vautrin et Didier Bernache pour leurs
encouragements ainsi que pour avoir pris le temps de me recevoir et m’avoir permis de
terminer ce travail.
Un grand merci également à la Société Forézienne de Traitement de Surface sans qui ce
travail n’aurait pas pu voir le jour. Je remercie toute l’équipe de SFTS pour son accueil et
l’aide qu’ils m’ont apportée. Je remercie en particulier Roger et Sébastien Fraisse de m’avoir
ouvert les portes de leur usine et donner de leur temps. Je les remercie également d’avoir
participer au jury de soutenance.
Je remercie les membres du département génie biologique - Génie de l’Environnement de
l’IUT de Saint-Etienne pour m’avoir accueillie lors des phases expérimentales de ce travail. Je
remercie tout particulièrement Alain Piot pour sa gentillesse, ses précieux conseils et sa
disponibilité.
J’adresse un grand merci à l’ensemble des membres du centre SITE qui ont contribué à
rendre le cadre de travail convivial et agréable.
ii
iii
Résumé
Dans un contexte réglementaire incitant fortement à la mise en œuvre de stratégies de
réduction de la pollution à la source (ICPE, IPPC, IED), les industriels se trouvent parfois
démunis face aux différentes solutions techniques proposées. L’application de stratégies
simples de production plus propre telles que de bonnes procédures opérationnelles et de
bonnes pratiques de management permettent de répondre à ces contraintes. Le traitement de
surface par voie aqueuse est une activité grande consommatrice d’eau et de produits
chimiques et donc génératrice de rejets aqueux pollués. L’objectif de ce travail est de proposer
à ce secteur d’activité une méthodologie simple de limitation des flux de pollution ainsi que
de la consommation spécifique en eau. Cette méthodologie se base notamment sur le postulat
que l’entraînement est le vecteur principal de la pollution au sein d’une chaîne de traitement
de surface.
Ainsi, des études expérimentales ont permis d’une part de créer une méthode rapide de
calcul de l’entraînement et, d’autre part, de montrer et de quantifier l’influence de la forme et
de la rugosité des pièces traitées, du temps d’égouttage, de la tension superficielle des
solutions de traitement ou encore du type et de la durée du rinçage des pièces sur
l’entraînement aussi bien d’un point de vue qualitatif que quantitatif.
L’ensemble de ces éléments, intégrés à la méthodologie de minimisation de la pollution,
permet d’une part de réaliser un diagnostic de la chaîne mais aussi et surtout d’estimer
l’impact d’une modification de cette chaîne sur la consommation spécifique en eau, le bilan
de pollution ainsi que sur la qualité des rinçages. Ainsi, cette méthodologie peut aider à
optimiser et limiter les consommations d’eau et de réactifs non seulement sur la chaîne mais
également en station de détoxication, diminuant ainsi non seulement les impacts
environnementaux mais également les coûts de fonctionnement.

Mots clefs : production plus propre, traitement de surface, entraînement, qualité de rinçage,
bilan eau, bilan de pollution
iv
v
Abstract
Currently, via the prevention principle, environmental regulations incite industries to
implement strategies to reduce the pollution at the source (ICPE, IPPC, IED). Industries are
sometimes lost in front of various proposed technical solutions. The application of cleaner
production strategies such as good operational procedures and good practices of management
allow to answer these constraints.
The metal finishing activity uses a lot of water and chemicals and thus generates polluted
effluents. The objective of this work is to propose a simple methodology of limitation of the
pollution flows and of the water specific consumption of metal finishing workshops.
Then, experimental studies have allowed, on one hand, to create an easy method of the
drag-out calculation and, on the other hand, to show and to quantify the influence of different
parameters on the drag-out, from a qualitative and quantitative point of view. They are, for
example, the shape and the roughness of the treated pieces, the draining time, the superficial
tension of the treatment solutions but also the stirring type and duration of rinsing.
All these elements, integrated into the methodology of pollution minimization, allow to
realize a diagnosis of the process line. Moreover, it permits to estimate the impact of a
modification of this installation on the specific consumption of water, on the pollution balance
assessment and on the rinsing quality. So, this methodology can help to optimize and to limit
consumptions of water and chemicals not only on the process line but also in wastewater
treatment plant, so decreasing the environmental impacts and the running costs.

Keywords : cleaner production, metal finishing, drag-out/drag-in, rinsing quality, water
consumption, pollution balance assessment

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