Adsorption sur charbon actif

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.

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)