L'adsorption est le processus par lequel les molécules
liquides ou gazeuses se fixent ou sont piégées sur la surface d'un
solide, dans ce cas, le charbon actif. Ce processus est différent de
l'absorption où des molécules sont absorbées par un liquide ou un gaz.
L'adsorption est provoquée par les Forces de Dispersion de London, un
des nombreux types de liaison de Van der Waals. Les Forces de
dispersion de London sont des interactions de faible intensité,
sensibles à la distance. Elles sont donc limitées dans l’espace et plus
la distance entre la molécule à adsorber et la surface du charbon actif
est importante et moins cette attraction est forte.
Adsorption en phase gazeuse - C'est un phénomène de condensation où les
forces d'adsorption concentrent les molécules du fluide au sein des
pores du charbon actif. La force d’adsorption est fonction du rapport
entre la pression partielle et la pression de vapeur d'un composé donné.
Adsorption en phase liquide - Les molécules s'adsorbent dans les pores
dans un état semi-liquide. La force d’adsorption est fonction du
rapport entre la concentration et la solubilité d'un composé donné.
En théorie, tous les composés sont adsorbables. En pratique, le charbon
actif est utilisé pour l'adsorption des principaux composés organiques
et des composés inorganiques de haut poids moléculaire tels que l'iode
et le mercure.
En général, l'adsorbabilité d'un composé augmente avec:
La méthode ASTM D4607 décrit une méthode pour déterminer un
indice
d'Iode qui est la quantité d'Iode absorbée par 1 g de charbon à
l'équilibre dans une solution 0,02N d'Iode.
Il est représentatif de la surface totale des pores de diamètre
>10 Angstroms.
Les indices d'Iode des charbons actifs commerciaux sont situés entre
500 et 1500mg/g.
La capacité d'adsorption d'un composé particulier par un
charbon actif dépend de:
- la concentration de ce composé dans le fluide à épurer
- la température.
Cela est généralement traduit par une courbe donnant la concentration
sur le charbon en fonction de la concentration (pour les liquides) ou
la pression partielle (pour les gaz) du composé à extraire. Cette
courbe est déterminée expérimentalement à une température fixée, d'où
le nom d'isotherme.
Après saturation, le charbon actif peut être régénéré en vue
de sa réutilisation.
Deux procédés peuvent être employés:
La méthode dépend des propriétés du composé à désorber. On
peut
appliquer:
- une pression basse
- le balayage par un fluide chaud
- le lavage par une solution acide ou basique
- ...
Le charbon ne récupère généralement pas sa capacité initiale. Une
partie du composé adsorbé subsiste fixé sur le charbon après
régénération. Cependant le cycle peut être encore reproduit sans
dégradation ultérieure notable.
Cette méthode est facile à mettre en oeuvre sur le site d'utilisation,
et les composés désorbés peuvent avantageusement être recyclés.
Le charbon actif subit une pyrolyse à haute température
analogue à
l'activation initiale.
Tous les composés organiques sont volatilisés.
Le charbon récupère sa capacité initiale, mais cette méthode est
généralement difficile à mettre en oeuvre sur le site utilisateur.
Le charbon doit donc être déchargé et expédié dans un site spécialisé.
Les composés adsorbés ne sont généralement pas récupérables.
Les charbons actifs peuvent être mis en oeuvre:
- en lit fixe (granulés) sur lequel le fluide à traiter percole
- en dispersion (poudre) dans un liquide agité
Le fluide à traiter (liquide ou gaz) traverse le lit de
granulés de
charbon. Les composés à adsorber sont retenus sur les premières couches
de granulés non encore saturées. Un front d'adsorption progresse donc
de l'entrée vers la sortie du lit au fur et à mesure du degré de
saturation du lit. Peu avant que le lit ne soit totalement saturé, le
fluide sortant contient des concentrations croissantes en impureté.
Ceci est communément nommé le perçage du lit. La régénération du
charbon doit être entreprise.
Il est courant d'utiliser au moins deux lits de charbon actif
(l'un
en service et l'autre en régénération ou en attente) afin d'assurer un
service continu du traitement. Dans ce cas, les deux lits peuvent être
mis en service en série. Lorsque le premier perce, il est mis hors
service puis régénéré tandis que le second continue d'assurer le
traitement. Le lit régénéré est ensuite placé en seconde position et
ainsi de suite.
Cette utilisation est réservée aux liquide. Elle peut être
appliquée à la purification ou à la catalyse d'une réaction chimique.
La poudre est dispersée dans le liquide sous agitation. Différents
traitements aditionnels sont possibles. Le liquide peut être chauffé,
refroidi, un gaz peut être ajouté, ...
A la fin du traitement, le liquide est filtré pour séparer le charbon
du liquide. Le charbon peut être recyclé (support de catalyseur à
métaux précieux) ou incinéré (décoloration).
L'opération est donc discontinue.
L'équation de Ergun permet de calculer la différence de pression créée par l'écoulement à faible vitesse au travers d'un lit de particules