Filtre à eau céramique

Low-tech Lab

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Filtre_%C3%A0_eau_c%C3%A9ramique

Dernière modification le 06/01/2021

Difficulté

Hard Difficile

Durée

3 day(s) jour(s)

Coût

20 EUR (€)

Description

Un filtre à eau céramique est un système permettant de purifier de l'eau insalubre. Ce tutoriel a pour but pour vous présenter le fonctionnement et les différentes étapes de construction d'un filtre à eau en céramique à échelle semi-industrielle.

Sommaire

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Introduction

En 1990, environ 2,3 milliards de personnes n'ont pas accès à de l'eau potable dans le monde (source: UNICEF - ONU). Aujourd'hui en 2020, 750 000 personnes boivent toujours de l'eau insalubre, en faisant la première cause de mortalité non liée à l'âge dans le monde.

Qu'est-ce qu'un filtre à eau céramique ?

Les céramiques produites localement sont utilisées pour filtrer l'eau depuis des centaines d'années. L'eau est versée dans un pot filtrant en céramique poreuse et est recueillie dans un autre récipient après être passée à travers le pot en céramique. Ce système permet également un stockage sûr jusqu'à ce que l'eau soit utilisée. Les filtres en céramique sont généralement fabriqués à partir d'argile mélangée à un matériau combustible comme de la sciure ou des balles de riz. De l'argent colloïdal est parfois ajouté au mélange d'argile avant la cuisson ou appliqué sur le pot en céramique cuit. L'argent colloïdal est un antibactérien qui contribue à l'inactivation des agents pathogènes, tout en empêchant la croissance des bactéries dans le filtre lui-même.

Comment élimine-t-il la contamination ?

Les agents pathogènes et les éléments en suspension sont éliminés de l’eau par des procédés physiques tels que le piégeage mécanique et l’adsorption. Le contrôle de qualité sur la taille des matières combustibles utilisées dans le mélange d’argile assure que la taille des pores du filtre est suffisamment petite pour empêcher les contaminants de passer par le filtre. L’argent colloïdal facilite le traitement en brisant la membrane des cellules des agents pathogènes, provoquant ainsi leur mort.

Historique

Ce filtre a été développée en 1981 par le Dr Fernando Mazariegos de l'Institut de recherche industrielle d'Amérique centrale (ICAITI) au Guatemala. L'objectif était de rendre l'eau contaminée par des bactéries, sûre pour les plus pauvres en développant un filtre peu coûteux qui pourrait être fabriqué au niveau de la communauté. Le professeur décide de léguer librement ce savoir à l'Humanité, et avec l'ONG Potters for Peace, commence à former des potiers dans le monde entier à produire ces filtres localement. Aujourd’hui 61 usines ont ouvert sur ce modèle, dans 39 pays du monde !

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Matériaux

• Sciure de bois
• Argile
• Eau propre : pour le mélange avec l'argile et pour les tests de débit
• Argent colloïdal
• Récipient avec robinet (céramique, plastique, métal)
• Sacs en plastique pour le processus de pressage
• Combustible pour le four

Outils

• Balance
• Mélangeuse : Pour mélanger l'argile, la sciure et l'eau
• Extrudeuse : Pour extruder le mélange d'argile en blocs pour le moulage
• Presse hydraulique équipée de moules mâle et femelle
• Étagères de séchage: Pour faire sécher les pots avant cuisson
• Fours : Pour faire cuire les céramiques
• Bassins + Supports : Pour faire les essais de débit

Étape 1 - Fonctionnement - Rôle des différents matériaux

• L'argile :

L'argile constitue le matériau de base de l'élément filtrant de l'eau. Un pot d'argile permet un mouvement extrêmement lent de l'eau à travers les pores naturels qui existent entre les plaquettes d'argile cuite. La taille de ces pores a été mesurée (au microscope électronique) entre 0,6 et 3,0 microns (μm).

Ils sont capables d'éliminer la plupart des bactéries, protozoaires et helminthes (Lantagne, 2001a), ainsi que la saleté ou les sédiments et la matière organique.

L'argile utilisé pour faire de la poterie classique peut convenir à la production de filtres à eau. Toutefois, la conductivité hydraulique et la taille des pores peuvent varier considérablement selon le type d'argile, potentiellement au point de ne pas convenir en ce qui concerne les débits et/ou l'élimination microbiologique (Oyanedel-Craver et Smith, 2008, in Lantagne et al, 2010, [1]). Une forte teneur en sable ou en limon dans l'argile peut réduire les réticulations de l'argile et affaiblir la structure du filtre . D'autre part, une argile trop raffinée (particules plus petites) a une plus grande capacité de rétention d'eau et est donc plus sujette au rétrécissement et à la fissuration lors de la cuisson.

Comme les caractéristiques de l'argile sont un facteur critique dans le succès ou l'échec de la production de filtres à eau en céramique, il est recommandé d'étudier minutieusement les sources et les types d'argile potentiels avant d'engager des ressources importantes. Retrouvez le document de Potters for Peace détaillant le protocole de test de l'argile dans la partie "Note de Références" [18]

• Le matériau combustible :

Des matières organiques " combustibles ", telles que de la sciure de bois ou des balles de riz moulues, sont ajoutées au mélange d'argile. Lorsqu'il est exposé aux températures élevées du four, le "matériau combustible" brûle, laissant derrière lui des cavités dans l'argile cuite. L'eau se déplace plus facilement dans les cavités que dans les pores de l'argile. Par conséquent, la présence des cavités diminue la distance que l'eau doit parcourir à travers le substrat d'argile, et augmente donc le débit global du filtre.

Il est important d'effectuer des tests avec vos matériaux. Le rapport entre l'argile et le matériau combustible est important pour établir le débit et donc l'efficacité des filtres.

• L'argent colloïdal :

L'argent colloïdal est une solution de nanoparticules d'argent en suspension et d'ions argent. Il est utilisé comme désinfectant naturel dans la médecine depuis de nombreuses années. Bien que les mécanismes exactes de destruction des bactéries ne soit pas encore tout à fait compris, il semble que l'argent colloïdal cause une rupture des parois cellulaires des bactéries puis se lie à leur protéines troublant ainsi leur fonctionnement [2] [3]. Aujourd'hui il est principalement produit par électrolyse.

L'argent appliqué à l'intérieur et à l'extérieur du filtre est absorbé dans les pores de l'argile. Les ions d'argent sont réduits en argent élémentaire et forment des colloïdes à l'intérieur des parois du filtre. L'argent agit comme un biocide contre les bactéries lorsqu'il y a un temps de contact suffisant (=pores pas trop grand).

Étape 2 - Fonctionnement - Efficacité

Toutes les valeurs d'efficacité en laboratoire et sur le terrain ont été établies par des essais indépendants. détaillés dans les liens dans la partie "Notes et Références"

Paramètres	Efficacité	Efficacité en laboratoire	Efficacité sur le terrain
Bactéries	Très efficace (> 99 %)	>99% - >99.999%4,5,6,7,8,9,10,11	96 %11
Virus	Moyennement efficace (> 80 %)	94-98%5; 77-99%7; 96%10; 68-74%4; 38-74%4,12, 13
Protozoaires	Très efficace (> 99 %)	>99% - >99.999%,7,10,12
Turbidité		83%14; 94-98%15; 99%16;98%10
Fer			> 90 %16
Couleur	Efficace (> 90 %)	96.3%9

Étape 3 - Fabrication - Résumé des étapes

Les principales étapes de fabrication d'un filtre en céramique sont listées dans l'ordre, ci-dessous :

1. Préparation des matières premières : poudre d'argile, sciure de bois/balles de riz moulues, eau
2. Mélange des matières premières en une pâte malléable : poudre d'argile, sciure de bois/balles de riz moulues, eau
3. Former des cubes d'argiles pour la presse
4. Presser les cubes d'argiles pour leur donner la forme du filtre
5. Finition de surface et marquage/numérotation de chaque filtre
6. Séchage des filtres - pour retirer l'excès d'eau initial
7. Cuisson des filtres dans un four - pour terminer la déshydratation et la vitrification
8. Tests de débit de chaque filtre - pour validation ou déclassement
9. Peinture à l'argent colloïdal sur les surfaces de chaque filtre validé et rapide contrôle de forme.
10. Empaquetage des filtres

Étape 4 - Préparation des matières premières

• Argile:En fonction de sa provenance, l'argile doit parfois être broyé, tamisé et séché avant de pour être utilisé.
• Matériau combustible : En fonction de sa nature (sciure de bois, balle de riz, etc), le matériau combustible doit être coupé, tamisé, séché et mis en sac.

Étape 5 - Mélange des matières prémières

La poudre d'argile et le matériau combustible (sciure de bois, les balles de riz moulues, etc) sont mélangées à sec, puis de l'eau est ajoutée uniformément et bien mélangée pour former une pâte modulable et homogène.

Il est prudent d'assurer un gradient de densité constant dans tout le mélange d'argile pour minimiser les défauts potentiels pendant le processus de cuisson de l'argile (élimination des poches d'air, etc.). Un mélange et une machinerie adéquats sont donc crucia

Proportion utilisée par RDIC:

30 kg de poudre d'argile + 8,9 -10 kg de balles de riz + 12,5 L d'eau

Étape 6 - Former des cubes d'argiles pour la presse

Le mélange d'argile humide peut être formé en cubes manuellement avant d'être pressé. Mais il est fortement conseillé d'utiliser une machine pour comprimer et extruder le mélange d'argile en cubes. L'extrudeuse est similaire à celles utilisées pour extruder des briques d'argile, mais l'ouverture de la sortie est plus grande pour permettre d'obtenir la taille requise du cube d'argile pour le pressage.

Les cubes d'argiles souhaités doivent peser environ 8kg.

On découpe un cube de la longueur équivalente et on le transfert vers la presse.

Étape 7 - Presser les cubes d'argiles pour leur donner la forme du filtre

L'utilisation d'une presse hydraulique réduit considérablement les besoins en main-d'œuvre du processus et augmente considérablement l'efficacité et la consistance du produit. Les filtres sont pressés entre un moule mâle et un moule femelle qui sont recouverts de sacs en plastique pour éviter qu'ils ne collent. La presse hydraulique comprend une plaque fixe dans le moule inférieur qui pousse le moule pressé vers l'extérieur lorsque le moule s'ouvre.

Cette presse fut originelement developpée et construit par les équipes de Potters for Peace :

• Les plans sont disponibles en open-source [19]
• Un document décrit la fabrication artisanale d'une presse hydraulique [17]

Étape 8 - Finition de surface et marquage/numérotation de chaque filtre

Une finition de surface minimale est nécessaire après le moulage, mais elle est effectuée pour garantir la solidité du rebord et l'uniformité de la surface. Les filtres sont étiquetés pour indiquer la date de pressage, le lot et le numéro du filtre.

• Utiliser un grattoir en plastique pour lisser les contours de la bordure.
• Marquez chaque filtre avec une date, un numéro de série et le nom du fabricant en utilisant un "tampon" métallique. Une base de données peut ensuite être utilisée pour le suivi des filtres.

Étape 9 - Séchage des filtres

Le séchage des filtres permet d'éliminer l'excès d'eau en vue de la cuisson dans le four. Si l'eau n'est pas éliminée avant la cuisson, elle se réchauffera, s'évaporera et se dilatera, provoquant la fissuration du filtre. À la fin du processus de cuisson, les éléments filtrants auront perdu plus de 3 kg d'eau par rapport à leur première pression.

Déshydratation : le séchage initial des filtres se fait sur des étagères de séchage à l'air libre. Idéalement dans un endroit chaud et doté d'une bonne aération. Après cette période de séchage initial, les filtres peuvent conserver leur forme mais ne sont pas solides et restent solubles dans l'eau.

La période de séchage est à déterminer et à adapter en fonction de l'humidité ambiante de votre région Ex: Au Cambodge, 7-15 jours pendant la saison sèche, 15-18 jours pendant la saison humide.

Étape 10 - Cuisson des filtres dans un four

Notes et références

1. Lantagne, D., Klarman, M., Mayer, A., Preston, K., Napotnik, J., Jellison, K. (2010). Effect of production variables on microbiological removal in locally-produced ceramic filters for houshold water treatment. International Journal of environment Health Research.

2. Latagne, D. (2001) Investigation of the Potters for Peace Colloidal Silver Impregnated Ceramic Filter

3. Effet de l'argent colloidal comme désinfectant: Ehdaie Beeta, Su Yi-Hsuan, Swami Nathan S., Smith James A., ; (2020) Protozoa and Virus Disinfection by Silver- and Copper-Embedded Ceramic Tablets for Water Purification

4. Morphology, composition and performance of a ceramic filter for household water treatment in Indonesia.

5. Microbiological effectiveness of locally produced ceramic filters for drinking water treatment in Cambodia.

6. Effect of production variables on microbiological removal in locally-produced ceramic filters for household water treatment..

7. Ceramic silver-impregnated pot filters for household drinking water treatment in developing countries: material characterization and performance study.

8. Evaluación del tratamiento de agua para consumo humano mediante filtros Lifestraw® y Olla Cerámica.

9. Long-term evaluation of the performance of four point-of-use water filters.

10. Removal of virus to protozoan sized particles in point-of-use ceramic water filters.

11. Local Drinking Water Filters Reduce Diarrheal Disease in Cambodia: A Randomized, Controlled Trial of the Ceramic Water Purifier.

12. Investigation of the Potters for Peace Colloidal Silver Impregnated Ceramic Filter Report 1: Intrinsic Effectiveness.

13. Virus removal efficiency of Cambodian ceramic pot water purifiers.

14. Investigation of the Potters for Peace Colloidal Silver Impregnated Ceramic Filter Report 2: Field Investigations.

15. Removal of waterborne bacteria from surface water and groundwater by cost-effective household water treatment systems (HWTS): A sustainable solution for improving water quality in rural communities of Africa.

16. Appropriate Microbial Indicator Tests for Drinking Water in Developing Countries and Assessment of Ceramic Water Filters.

17. Ebele A. Erhuanga, Isah Bolaji Kashim, Tolulope L. Akinbogun, Olusegun A. Fatuyi, Isiaka A. Amoo and Daniel J. Arotupin ; Manufacturing a Ceramic Water Filter Press for Use in Nigeria

18. Potters For Peace ; Clay Testing Protocol for Ceramic Water Filters

19. Potters for Peace ; Plans for a Filter Press

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