Dans notre autre article, nous avons présenté le charbon actif ; sa structure, sa composition, ses principales formes et son mode de production. Dans cet article, nous expliquons comment fonctionne le charbon actif.
Adsorption du carbone ?
Notez qu’il existe une différence importante et distincte entre l’ADsorption et l’ABsorption :
L’adsorption est causée par les forces de dispersion de London, qui sont un type de force de Van der Waals ou de force électrostatique existant entre toutes les molécules. Les forces de Van der Waals sont des forces électriques non spécifiques et relativement faibles qui attirent les molécules neutres les unes vers les autres dans les liquides, l’air et les gaz.
Les forces de dispersion de London sont des forces d’attraction à courte portée et sont donc assez sensibles à la distance entre la surface du charbon actif et la molécule adsorbée. Cependant, ces forces sont additives.
Cela signifie que la force d’adsorption au niveau du site d’adsorption est la somme de toutes les interactions entre les atomes de carbone et la molécule à adsorber. La courte portée et la nature additive de ces forces signifient que le charbon actif est considéré comme possédant les forces d’adsorption physique les plus puissantes et le volume d’adsorption le plus élevé de tous les matériaux connus.
Par conséquent, les forces d’adsorption les plus puissantes se produisent lorsque la distance entre les plaquettes de carbone et la molécule à adsorber est très réduite, ce qui donne l’énergie d’adsorption la plus forte.
L’adsorption est le dépôt de composés (adsorbats) à partir de l’eau ou d’une solution, ou la condensation de gaz sur la surface du charbon actif (ou adsorbant). Ces adsorbats subissent un changement de phase lors de l’adsorption car leur niveau d’énergie est beaucoup plus bas une fois adsorbés. L’adsorption a donc réellement lieu par des interactions énergétiques et non par un processus de tamisage moléculaire.
Cependant, le charbon actif ne gonfle pas comme une résine échangeuse d’ions ou une éponge. En effet, tout le travail se fait en profondeur à l’intérieur de la structure du carbone, où la molécule adsorbée déplace toutes les molécules d’eau retenues sur la surface interne.
Les molécules de contaminants sont efficacement maintenues en place sur la surface intérieure du carbone et éliminées grâce aux nombreuses interactions créées dans le « pore » du carbone.
Structure du charbon actif
Un lit de charbon actif se compose d’environ :
- 40 % de vides entre les particules de carbone, ce qui correspond au volume drainable si le lit de carbone est en solution.
- 20 % sont considérés comme le volume de la particule de carbone elle-même, qui comprend le squelette carboné.
- 40 % sont considérés comme le « volume poreux » global à l’intérieur de la particule de carbone, qui est le volume non drainable.
En ne prenant que le granule ou la particule de carbone individuel, celui-ci se compose ensuite d’environ :
- 35 % de volume de squelette carboné,
- 25 % de volume de « pores de transport »,
- 40 % de volume de « pores d’adsorption ».
Le volume des « pores de transport » comprend de larges pores dont la taille varie de 0,1 micron pour les plus grands à des fissures et crevasses visibles de 0,1 mm dans la particule.
Ces « pores de transport » agissent comme une voie de diffusion pour transporter le contaminant de l’extérieur de la structure carbonée vers l’intérieur de la particule et jusqu’au site d’adsorption. Ils contiennent des gradients de concentration ou de pression qui pilotent le processus de diffusion poreuse et donc le passage du contaminant vers les sites d’adsorption.
Ces pores sont beaucoup plus grands que les plus grands pores d’adsorption et ne sont pas capables d’adsorber les contaminants, même dans des conditions proches de la saturation. Par conséquent, toute solution présente dans ces pores est considérée comme potentiellement récupérable.
L’illustration ci-dessous montre un composé adsorbant (adsorbat) dans un liquide qui diffuse à travers le lit de charbon actif, à travers la particule elle-même, puis dans le site d’adsorption.
Les « pores d’adsorption » sont les pores les plus fins de la structure carbonée et les parties de la structure qui possèdent la capacité d’adsorption. Ces pores d’adsorption sont les espaces, fissures et crevasses entre les plaques de graphite où les forces intermoléculaires sont suffisantes pour que l’adsorption se produise. Les largeurs de cette structure sont de dimensions moléculaires et ne dépassent pas 10 à 50 nm.
L’adsorption ne se produit que dans les régions des pores d’adsorption et, à saturation, toutes les régions des pores d’adsorption sont alors remplies. Par conséquent, toute solution présente dans ces pores est considérée comme non récupérable.
La molécule à adsorber doit être proche d’une plaque de carbone pour être adsorbée. Dès que l’adsorbat se trouve à plus de quelques diamètres moléculaires de la surface du carbone, l’adsorption ne se produit plus.
Comment fonctionne le charbon actif ?
Le charbon actif fonctionne par un processus d’adsorption dû à sa structure poreuse, sa surface spécifique élevée et sa forte réactivité de surface.
Les facteurs clés qui affectent l’adsorption sur le charbon actif sont :
- La concentration – le taux de charge en % massique sur le carbone augmente à mesure que la concentration du contaminant à l’entrée augmente.
- La complexité structurelle – les structures les plus complexes s’adsorbent plus facilement.
- Le poids moléculaire – plus le poids moléculaire du contaminant est élevé, mieux il est adsorbé.
- La température – plus la température de l’affluent est élevée, moins le contaminant est bien adsorbé.
En phase liquide, les molécules du composé à éliminer passent du liquide en vrac à l’état adsorbé dans les pores du charbon actif, dans un état semi-liquide. Le facteur supplémentaire qui affecte l’adsorption en phase liquide est :
- La solubilité – plus la solubilité est élevée, plus l’adsorption est difficile.
Par conséquent, l’adsorbabilité d’une molécule organique augmente avec l’augmentation du poids moléculaire et la diminution de la solubilité.
La phase vapeur ou gazeuse est un processus de condensation où les forces d’adsorption condensent les molécules du composé en un liquide. Celui-ci peut ensuite être éliminé de la phase air ou gaz à l’intérieur des pores du charbon actif. Les facteurs supplémentaires qui affectent l’adsorption en phase vapeur sont :
- La pression de vapeur – les composés à faible pression de vapeur sont plus adsorbables que les composés à haute pression de vapeur.
- L’humidité relative – une humidité relative plus faible permet une meilleure adsorption.
- La polarisabilité – plus la polarité est élevée, plus l’adsorption est difficile.
Cependant, la durée de vie réelle d’un lit de charbon dépend de nombreux autres facteurs. Ceux-ci incluent le type de charbon sélectionné, le contaminant spécifique et sa concentration à éliminer, ainsi que le niveau de traitement requis pour le ou les contaminants.
De plus, les conditions globales de l’application sont importantes. Celles-ci incluent les autres composés éventuellement présents et leurs concentrations, ainsi que la conception du système installé ou prévu, y compris le temps de contact en lit vide (EBCT).
Quels composés peuvent être adsorbés sur le charbon actif ?
Tous les composés sont adsorbables dans une certaine mesure sur le charbon actif. Les composés qui s’adsorbent facilement sont les composés aromatiques et chlorés, les PFAS, les COV et les corps colorés.
En pratique, le charbon actif est principalement utilisé pour l’adsorption de composés organiques et de certains composés inorganiques lorsqu’un charbon actif imprégné est utilisé.
Selon l’application, différents types de charbon actif peuvent être requis. Il est important de sélectionner la qualité et la taille appropriées en fonction du polluant à éliminer ou du degré de pureté que vous souhaitez atteindre.
Chez Chemviron, nous avons plus de 80 ans d’expérience dans la conception, la fabrication et la mise en œuvre de solutions de charbon actif. Au cours de cette période, nous avons développé une bibliothèque de données de terrain et d’informations sur les performances.
Grâce à ces données et à nos modèles exclusifs, Chemviron est mieux à même de prédire les performances probables du charbon actif. Nous pouvons donc personnaliser des solutions de traitement plus efficaces basées sur le concept d’énergie d’adsorption, plutôt que sur les définitions désormais plus anciennes de micro-, méso- et macropores.
Consultez les sections suivantes où les composés spécifiques à éliminer sont traités plus en détail.
