Le charbon actif, parfois appelé charbon de bois activé, est utilisé commercialement comme média de purification depuis le début du XIXe siècle. Aujourd’hui, le charbon actif se présente sous diverses formes et est employé dans de nombreuses applications de traitement de l’eau potable, de l’air et de l’eau industriels, ainsi que dans les entreprises et les foyers pour éliminer les contaminants.
Le charbon actif est un matériau hautement poreux qui élimine les composés organiques des liquides et des gaz par un processus connu sous le nom d’« adsorption ». L’adsorption est le phénomène par lequel les molécules organiques présentes dans un liquide ou un gaz sont attirées et adhèrent à la surface du charbon actif, lorsque le liquide ou le gaz le traverse.
L’adsorption sur les charbons poreux a été décrite dès 1550 av. J.-C. dans un ancien papyrus égyptien, puis par Hippocrate et Pline l’Ancien, principalement à des fins médicinales. En fait, les archéologues ont découvert que la première utilisation du charbon de bois pour le traitement de l’eau remonte à environ 400 av. J.-C., principalement au sein des communautés maritimes. Les marins carbonisaient l’intérieur des barils d’eau pour purifier et conserver l’eau pendant les longs voyages en mer.
Au XVIIIe 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 des précurseurs des charbons actifs, n’étaient alors disponibles que sous forme de poudre.
Quelle est la structure du charbon actif ?
Le charbon actif est composé d’une structure aléatoire et imparfaite de plaquettes de graphite et est essentiellement une forme brute de graphite, le matériau utilisé pour les mines de crayon. Cette structure ressemble à un jeu de cartes bien usé.
Cet arrangement imparfait de plaquettes, reliées par des liaisons carbone-carbone, crée une structure hautement poreuse. Cette structure présente une large gamme de tailles de pores, allant des fissures et crevasses visibles aux pores à l’échelle moléculaire. L’image ci-dessus illustre la structure en plaques graphitiques du charbon actif à un très fort grossissement.
Cette structure en plaquettes graphitiques confère au charbon actif sa très grande surface interne. Le charbon actif peut avoir une surface spécifique supérieure à 1000 m²/g. Cela signifie que seulement 5 g de charbon actif ont une surface interne équivalente à celle d’un terrain de football. Cette surface permet au charbon actif d’adsorber divers composés organiques de l’air, des gaz et des liquides.
De quoi est fait le charbon actif ?
Le charbon actif peut être fabriqué à partir de n’importe quelle matière première contenant du carbone. Cependant, l’exigence principale pour un produit rentable est que la matière première ait une teneur élevée en carbone et soit facile à approvisionner.
Les matières premières les plus couramment utilisées sont le charbon bitumineux, le bois, les coques de noix de coco, le lignite et la tourbe. Le choix de la matière première est un paramètre important car il dictera le caractère unique du charbon actif final.
Le charbon actif hérite des propriétés de la matière première d’origine et dictera le caractère unique du produit et ses capacités d’adsorption. Il s’agit des impuretés de cendres, de la densité, de la dureté ou de la résistance à l’abrasion et de la structure des pores de transport qui affecte sa cinétique de performance.
Le choix de la matière première, sa qualité et le processus de conversion de la matière première carbonée en charbon actif, tous ont une influence significative sur les propriétés du produit final.
Par exemple, les charbons actifs à base de charbon bitumineux et de noix de coco ont des propriétés physiques et des caractéristiques différentes qui offrent des avantages de performance dans diverses applications.
Quelles sont les principales formes de charbon actif ?
Tous les charbons actifs ne sont pas identiques, c’est pourquoi le choix de la matière première, de la forme du produit et des propriétés appropriées est essentiel pour chaque application. Le charbon actif ou charbon de bois activé se présente sous de nombreuses formes différentes, principalement sous forme de produit granulaire, de produit extrudé ou de poudre.
Charbon actif granulaire (CAG)
Le charbon actif granulaire est une particule de forme irrégulière broyée à partir de sa matière première et ensuite tamisée selon des tailles de mailles spécifiques. Ces tailles varient généralement de 0,2 mm à 5 mm. Les principales tailles vont des mailles US plus grossières de 4×8, 6×12 et 8×16, aux tailles plus fines de 8×30, 12×20, 12×40, 20×50 mailles US. Ils peuvent être produits à partir de n’importe quelle matière première à base de carbone.
La capacité d’adsorption du CAG le rend idéal pour éliminer les contaminants de l’eau, de l’air, des liquides et des gaz. Généralement, les charbons actifs granulaires sont placés dans un lit filtrant dans un réservoir en acier ou en béton. Dans les applications d’eau ou de liquide, le liquide s’écoule généralement vers le bas à travers le lit de charbon par gravité. Pour les processus d’air, de vapeur ou de gaz, l’air ou le gaz s’écoule généralement vers le haut à travers le lit de charbon.
Lorsque le charbon granulaire ne peut plus adsorber de matière, il est considéré comme épuisé ou usé. Ce charbon granulaire usé a l’avantage de pouvoir être recyclé par réactivation thermique pour être réutilisé plusieurs fois et renvoyé aux clients pour réutilisation, au lieu d’être éliminé.
Pellets ou charbons actifs extrudés
Les pellets sont produits en compressant ou en extrudant le charbon actif en cylindres formés. Ils ont généralement des diamètres allant de 0,8 mm à 5 mm, avec des tailles typiques de 3 mm et 4 mm. Ils sont principalement produits à partir de charbon, mais aussi à partir de matières premières à base de noix de coco.
Le processus de production leur confère une résistance mécanique élevée, une uniformité de forme et une faible teneur en poussière, ce qui les rend plus appropriés pour l’élimination des contaminants des flux d’air et de gaz.
Les pellets sont généralement utilisés pour les applications de purification de l’air et des gaz, car les faibles pertes de charge ont tendance à être plus cruciales pour ces applications. Les charbons en pellets fonctionnent de manière similaire aux charbons actifs granulaires dans un lit filtrant où l’air ou le gaz les traverse. Les pellets peuvent également être recyclés par réactivation thermique pour être réutilisés plusieurs fois pour la même application.
Charbons actifs en poudre (CAP)
Les charbons actifs en poudre sont produits en pulvérisant une matière première de charbon actif granulaire ou à partir des fines générées lors de la production de charbon actif. Les charbons en poudre ont une taille principalement inférieure à 0,045 mm ou 45 microns (<325 US Mesh) et peuvent être produits à partir de n’importe quelle matière première à base de carbone.
L’utilisation des charbons actifs en poudre tend à différer de celle des charbons granulaires ou en pellets. Ils sont généralement appliqués dans des opérations discontinues par dosage ou ajoutés à un flux d’eau ou de gaz et sont filtrés ultérieurement après utilisation. En phase liquide, cela se fait principalement dans des opérations discontinues, où le dosage de la poudre peut être ajusté pour répondre aux exigences particulières.
Tissu de charbon actif
Le charbon actif peut également être produit sous forme de tissu ou de textile, qui peut être tissé ou tricoté. Cette forme de charbon actif possède une structure microporeuse et est composée à 100 % de charbon actif. Le tissu de carbone est généralement utilisé dans des applications plus spécialisées, telles que les applications médicales ou les vêtements spécialisés.
Charbons actifs imprégnés
Certains composés ont une faible capacité d’adsorption sur le charbon actif de base. Par conséquent, pour améliorer les performances des charbons, des solutions chimiques finement distribuées peuvent être ajoutées sélectivement à la surface du carbone pour générer des charbons actifs imprégnés.
Ils sont généralement sous forme de pellets ou de granulés et sont principalement produits à partir de charbon et de matières premières à base de noix de coco.
Les charbons imprégnés sont principalement utilisés dans les applications en phase air ou gaz et généralement pour l’élimination des contaminants dangereux. Les imprégnants chimiques incorporés dans le charbon peuvent neutraliser les contaminants adsorbés par une réaction chimique à sa surface.
Comment est fabriqué le charbon actif ?
Il existe plusieurs façons de produire du charbon actif, selon la matière première : –
- Activation chimique – généralement appliquée aux matières premières à base de bois
- Activation physique
- Méthode d’activation directe
- Agglomération ou, plus précisément, méthode de réagglomération
Pour l’activation chimique, la matière première à base de bois séchée est d’abord traitée avec un acide, généralement de l’acide phosphorique, puis activée thermiquement dans un four. Le produit résultant est ensuite lavé pour éliminer tout acide résiduel du carbone.
Chemviron produit en Europe des qualités de charbon actif chimique et physique à partir de bois de pin maritime renouvelable sous la gamme Acticarbone®.
Pour la méthode d’activation directe, tout contenu organique volatil de la matière première est éliminé lors d’une étape de cuisson ou de carbonisation pour produire un charbon. Ce charbon est ensuite activé thermiquement dans un four et tamisé pour générer le charbon actif final.
Charbons actifs réagglomérés
Les charbons actifs réagglomérés sont également produits par un processus en plusieurs étapes. Cela implique la pulvérisation initiale de la matière première, puis l’ajout de brai comme liant, pour produire des briquettes. C’est l’étape d’agglomération.
Ces briquettes sont ensuite broyées et tamisées pour obtenir des granulés adaptés aux étapes suivantes. Ces granulés sont ensuite cuits, ce qui implique une oxydation + une carbonisation. Ils sont ensuite passés dans le four d’activation à haute température, qui brûle sélectivement une partie de la structure pour générer ces charbons actifs agglomérés. Enfin, le charbon est tamisé pour produire le produit fini.
Les principales qualités de charbons actifs granulaires de Chemviron, telles que FILTRASORB®, sont produites par ce processus de réagglomération à partir de qualités sélectionnées de charbon bitumineux. Ce processus produit un charbon actif uniformément et hautement activé dans tout le granule. Ce processus d’agglomération donne des charbons actifs avec d’excellentes propriétés d’adsorption et une cinétique d’adsorption constante.
L’étape de réagglomération génère des charbons granulaires très durables. Cela signifie qu’ils sont capables de résister à l’abrasion associée aux lavages à contre-courant répétés et aux transferts hydrauliques, particulièrement liés aux applications de traitement de l’eau. La structure réagglomérée assure également un mouillage rapide et efficace du charbon actif lorsqu’il est mis dans l’eau ou en solution, tout en éliminant tout matériau flottant.
Ce processus de réagglomération garantit que ces charbons sont conçus pour de multiples réactivations où ils peuvent être recyclés pour être réutilisés tout en conservant leurs propriétés opérationnelles.
Si vous avez besoin de conseils supplémentaires sur le charbon actif ou d’un support technique pour évaluer vos options de traitement probables, veuillez nous contacter – contactez notre équipe technique.