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Les charbons actifs


Historique

L'adsorption sur les charbons poreux a été décrite en 1550 avant Jésus-Christ sur un ancien papyrus égyptien et plus tard par Hippocrate et Pline l’Ancien, principalement pour des fins médicales. Au 18è siècle, les charbons fabriqués à partir de sang, de bois et d'animaux étaient utilisés pour la purification des liquides. Tous ces matériaux, qui peuvent être considérés comme précurseurs du charbon actif, étaient seulement disponibles en poudre. La méthode d'utilisation typique était le travail par batch, où une quantité mesurée de charbon et le liquide à traiter étaient mélangés et, après un certain temps de contact, séparés par filtration ou sédimentation.

Au début du 19è siècle, la capacité de décoloration des os calcinés a été découverte et rapidement mise en application dans l'industrie du raffinage du sucre en Angleterre. Ce produit calciné provenant de la pyrolyse d'os était disponible sous forme de grains qui permettait son utilisation en colonne, par percolation de la solution à traiter à travers le lit de ce qu’on appelait « noir animal ». Cependant, la calcination des os produit principalement du phosphate de calcium et un petit pourcentage de carbone; ce qui limita son utilisation au raffinage du sucre.

Au début du 20è siècle, les premiers procédés industriels pour fabriquer des charbons actifs aux propriétés bien définies, ont été développés. Cependant, l'activation à la vapeur (V. Ostreijko, 1900 et 1901) et les processus d'activation chimique (Bayer, 1915) ne pouvaient à cette époque produire que du charbon actif en poudre.

Pendant la Première Guerre Mondiale, l'activation à la vapeur des coquilles de noix de coco a été développée aux Etats-Unis pour une utilisation dans les masques à gaz. Ce type de charbon actif a la capacité de développer une microporosité importante qui convient particulièrement aux applications en phase gazeuse.

Après la Seconde Guerre Mondiale, on est parvenu à développer des charbons actifs agglomérés en grain à base de houille avec une structure de pores de transport et une bonne résistance mécanique. Cette combinaison a permis d’imposer le charbon actif dans les processus de décoloration continus.

Description

Le charbon actif est une forme brute de graphite. Pour le grand public, ce composé est utilisé généralement pour les mines de crayons. Il reste néanmoins différent dans la mesure où la disposition des plaques de graphite est entièrement aléatoire contrairement aux mines de crayons où les plaques de graphite sont parfaitement disposées de manière parallèle. Cette structure imparfaite est de fait très poreuse. Le charbon actif est donc composé de pores de tailles différentes : d’imperfections du domaine du visible jusqu’aux pores aux dimensions moléculaires.

Le charbon actif possède la plus grande force d'adsorption physique et le plus important volume d'adsorption de tous les matériaux naturels ou synthétiques connus.

La surface du charbon actif peut être supérieure à 1000 m²/g. Cela signifie que la surface développée par 3g de charbon actif couvre la surface d'un terrain de football.

 Le charbon actif peut être fabriqué à partir de diverses substances à teneur élevée en carbone (charbon, hydrocarbures, bois, ...). Par pyrolyse (activation) de la matière première, les composés les plus volatils sont éliminés, laissant une structure carbonée poreuse. Sa surface spécifique peut varier de 300 à 1500 m²/g.

La nature du matériau aura beaucoup d'influences sur les caractéristiques et les performances du charbon actif.

Il existe différentes formes de charbon actif:

  • Le Charbon Actif en Grain (GAC) - ce sont des particules de formes irrégulières parmi une gamme de tailles allant de 0.2 mm à 5 mm. Ce type de charbon est utilisé pour des applications en phase liquide et gazeuse.
  • Le Charbon Actif en Poudre (PAC) - pulvérisé avec une taille de moins de 0.18 mm (US Mesh 80). Ce charbon est principalement employé dans des applications en phase liquide et pour le traitement des flux gazeux. 
  • Le Charbon Actif Extrudé - de formes cylindriques avec des diamètres allant de 0.8 mm à 5 mm. Le charbon Actif extrudé est principalement utilisé pour des applications en phase gazeuse à cause de sa faible perte de charge, de sa grande résistance mécanique et de sa faible teneur en poussières. 
  • Le tissu de charbon actif- Le charbon actif est aussi disponible dans des formes spéciales telles qu'étoffes et fibres. 
  • Briquettes - les charbons actifs peuvent être agglomérés et formés en une variété de briquettes. 

Les granulés sont destinés à être utilisés en lits fixes, tandis que la poudre sera utilisée en dispersion dans un liquide. Elle sera ensuite récupérée par filtration.
Les charbons actifs peuvent être utilisés tels quels ou être imprégnés de substances particulières pour un usage spécifique.

Capacité d'adsorption

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:

  • les poids moléculaires croissants
  • le nombre plus élevé de groupes fonctionnels tels que des doubles liaisons ou des composés halogènes
  • la polarité croissante des molécules

Indice d'Iode

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.

Isotherme d'adsorption

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.

Perte de charge d'un lit fixe

Equation d'Ergun

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


Régénération

Après saturation, le charbon actif peut être régénéré en vue de sa réutilisation.
Deux procédés peuvent être employés:

La désorption

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.

La réactivation

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.

Utilisation en catalyse

La grande surface spécifique présentée par les charbons actifs fait qu'ils peuvent spontanément catalyser certaines réactions chimiques. On peut citer entre autres:
- la décomposition des chloramines
- la décomposition des peroxydes
- l'oxydation en acide sulfurique de composés souffrés
Les charbons actifs sont également utilisés comme support de métaux précieux (Platine ou Palladium) utilisés comme catalyseurs d'hydrogénation en particulier.

Utilisation en purification

Les charbons actifs sont utilisés pour extraire des traces de contaminents. On peut citer:
- extraction de traces de composés organiques affectant la couleur, l'odeur ou le gout de solutions aqueuses acides (HCl 35% ou AlCl3 27%)ou non (eau potable)
- extraction de traces de composés toxiques ou malodorants d'un event gazeux
- élimination d'impuretés colorées de produits organiques purifiés (traitement au noir animal)
- purification d'air vicié destiné à la respiration humaine (cartouche de masque à gaz)

Mise en oeuvre

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

Granulés en lit fixe

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.


La granulométrie dans le traitement de l'eau :

Les professionnels du traitement de I'eau ont coutume de mesurer la granulométrie au moyen de deux paramètres : la taille effective (TE) et le coefficient d uniformité (CU).
TE est une taille de grains, exprimée en millimètres. Elle signifie que 10% de la masse totale d'un lot de charbon actif sont constitués de grains d'une taille inférieure à TE.
Exemple : Si I' on précise dans une commande de 1000 kg de charbon actif : «TE = 0,45 mm », il y aura dans la livraison 100 kg de grains de charbon d'une taille inférieure à 0,45 mm.
Le paramètre TE est complété par le paramètre CU, qui est un indicateur destiné à évaluer la répartition de la taille des grains au sein de la livraison.
Pour calculer le CU, on part d'une valeur « x » définie ainsi : 60 % des grains ont une taille inférieure a x. En divisant x par TE, on obtient CU.
L'exemple précédent peut ainsi être complété par la demande d'un CU de 1,87. II signifie que 60 % de la livraison seront constitués de grains de charbon actif d'une taille inférieure à 0,45 x 1,87, soit 0,84 mm

La granulométrie dans les applications autres que le traitement de l'eau

La granulométrie est définie par deux paramètres :
une fourchette de taille des grains, exprimée par deux chiffres : le numéro du tamis qui retient les grains trop gros et le numéro du tamis qui élimine les grains trop petits. L'unité la plus couramment utilisée est le tamis ASTM (« mesh ASTM »), qui fait référence à des tamis ayant la forme préconisée par I' ASTM (American Society for Testing and Materials);
Ie pourcentage de tolérance accepté, qui s'exprime en pourcentage de passant et de refus aux tamis («mesh ») extrêmes.
Les meilleurs producteurs de charbons actifs sont capables de proposer des granulométries s'inscrivant dans des fourchettes très étroites.
Eventuellement, la répartition granulométrique est précisée au moyen d'une spécification complémentaire, la «fraction minimale», qui est la répartition interne. Celle-ci informe qu'une partie de la livraison doit être comprise entre deux tamis donnés. Par exemple entre 20 et 50 % d'une livraison de tamis ASTM «4 x 10» devront être compris entre les tamis 6 et 8.

Poudre en dispersion

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.


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