Guide des techniques des industries de procédé
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.
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:
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.
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.