carbone.

Tous les types de charbon ont une caractéristique en commun : leur capacité à générer un phénomène physicochimique appelé « adsorption », par lequel les atomes de la surface du matériau attirent et retiennent un certain type de molécules piégées dans des composés liquides ou gazeux.

Cependant, la capacité d’adsorption du charbon actif est beaucoup plus élevée que celle des autres types de charbon, en raison de la vaste surface qu’offre sa structure en forme de plaques graphitiques.

Pour cette raison, le charbon actif est largement utilisé dans les processus pour lesquels on souhaite éliminer des composés toxiques, des impuretés ou des éléments indésirables dans des substances liquides ou gazeuses.

Le charbon actif est couramment utilisé dans les procédés de purification où un ou plusieurs constituants d’un composé liquide ou gazeux doivent être éliminés.

Voici quelques exemples d’application du charbon actif :

• Potabilisation de l’eau: La plupart des stations de traitement d’eau potable (STEP) utilisent du charbon actif pour réduire la présence de composés organiques indésirables dans l’eau ou pour améliorer les propriétés organoleptiques de l’eau.
• Composés inacceptables dans des matières premières ou produits de haute pureté, par exemple l’acide ascorbique utilisé dans la fabrication de la vitamine C, la décoloration des sucres, des glucoses, du vin ou des jus, l’élimination du chlore, des chloramines ou de l’ozone de l’eau, etc.
• Contrôle des émissions atmosphériques dans les processus industriels: Nombreux sont les processus industriels qui génèrent l’émission de gaz polluants et qui nécessitent un traitement adéquat avant d’être rejetés dans l’atmosphère. Il existe différents moyens de traiter ces gaz, l’un d’eux étant la filtration des gaz à travers un lit de charbon actif en grains.

Le charbon actif destiné à la potabilisation de l’eau peut être utilisé sous forme de poudre (CAP), mélangée dans l’eau comme un réactif, ou employé sous forme de granulés (CAG) utilisés comme moyen de filtration à travers lequel l’eau passe.

L’avantage d’utiliser du charbon actif en grains par rapport au charbon actif en poudre, c’est que lorsque le CAG a épuisé toute sa capacité d’adsorption, il peut être soumis à un processus de régénération ou de réactivation qui restaure ses caractéristiques initiales et lui permet donc d’être réutilisé, évitant ainsi la production de déchets et réduisant les coûts.

Le principal mécanisme permettant aux polluants d’être retenus à la surface du CAG est l’adsorption physique et il est réversible. La structure graphitique du charbon actif rend ce solide résistant à des températures très élevées ainsi qu’à de brusques changements de température. Sur la base de ces propriétés, il existe des méthodes dites de réactivation ou de régénération, qui permettent d’éliminer les composés adsorbés par le CAG et de restaurer ainsi les propriétés initiales de ce dernier, en vue d’une réutilisation ultérieure. Le coût de ce processus représente généralement 60 à 70 % du prix du charbon neuf.

Le phénomène de réactivation se présente comme suit :

• Au cours d’une première étape, la température du charbon augmente, jusqu’à atteindre la température d’ébullition de l’eau. Les molécules les plus volatiles adsorbées par le charbon sont libérées et l’eau s’évapore.
• Le charbon continue à chauffer jusqu’à atteindre une température comprise entre 300 et 450 °C. Pendant ce temps, d’autres molécules organiques moins volatiles que l’eau sont désorbées.
• Les composés organiques qui n’ont pas été désorbés commencent à se décomposer. Cette décomposition est appelée pyrolyse et entraîne la formation de charbon amorphe qui se dépose sur la surface graphitique du CAG.
• Lorsque la température dépasse 500 °C environ, le charbon amorphe issu de l’étape précédente commence à réagir avec la vapeur d’eau, l’oxygène, le monoxyde et le dioxyde de carbone présents dans le flux gazeux. Cela entraîne la formation d’autres molécules de vapeur d’eau et de monoxyde et dioxyde de carbone, qui sont libérées dans le flux gazeux. Les plaques graphitiques qui forment la structure du CAG sont moins réactives que les atomes de charbon amorphe, raison pour laquelle elles ne réagissent pas ou pas de manière significative. De cette manière, la structure poreuse initiale est restaurée, ainsi que sa fonction d’adsorbant.

Pour la création du charbon actif, différentes matières premières sont utilisées, comme du bois de différentes duretés, des charbons minéraux, des coquilles ou des os végétaux, etc.

Le processus d’activation consiste à réarranger les atomes de carbone sous forme de plaques graphitiques. Ces plaques ont généralement une forme aplatie et forment des espaces entre elles lorsqu’elles sont regroupées, appelés les pores.

Ce sont précisément ces espaces ou pores qui augmentent la surface du charbon et accroissent radicalement sa capacité d’adsorption.

Il existe plusieurs types d’activation du charbon actif (thermique et chimique) qui, de même que la matière première utilisée pour la fabrication du charbon, ont un effet sur la distribution de la taille des pores ou espaces entre les plaques graphitiques du matériau.

En d’autres termes, le mode d’activation et les matières premières déterminent la taille des pores et donc le type de molécules qui pourront être adsorbées. C’est la raison pour laquelle différents types de charbon actif sont utilisés en fonction du composé que l’on souhaite éliminer.

Le charbon actif est depuis longtemps utilisé comme adsorbant dans le cadre de la potabilisation de l’eau. À l’origine, l’objectif était d’adsorber les odeurs et les goûts, ou encore d’éliminer le chlore libre résiduel, qui subsiste après l’étape de désinfection et qui donne un mauvais goût à l’eau ou affecte d’autres processus.

Aujourd’hui, le CA est utilisé non seulement dans les buts susmentionnés, mais également pour retenir les polluants organiques et synthétiques présents dans la plupart des sources d’eau potable.

Il est considéré comme la meilleure technologie disponible pour remplir cette tâche et constitue donc l’un des procédés de base de la potabilisation de l’eau, faisant partie du système de traitement dans la plupart des STEP.

Le charbon actif est l’un des composés les plus utilisés dans les processus d’adsorption ou de séparation. Son efficacité dépend en grande partie des caractéristiques du composé à retenir ou à adsorber et de son affinité avec les caractéristiques du charbon lui-même. Il est donc essentiel de sélectionner le charbon qui convient pour chaque application.

Cependant, on peut affirmer que le charbon actif est hautement efficace pour retenir les composés d’origine organique, tandis que pour les composés inorganiques, son efficacité varie en fonction des cas.

Chaque substance organique est susceptible de se transformer en charbon. Le terme de « charbon végétal » comprend le bois, les coquilles et d’autres composés d’origine végétale qui ont subi une carbonisation. Pour que le charbon végétal soit considéré comme du charbon actif, il doit subir un processus de restructuration de ses atomes qui lui confère une structure très poreuse.

Le charbon actif est un matériau totalement inoffensif et est même utilisé dans des cas d’empoisonnement grâce à sa capacité à adsorber les toxines qui pénètrent dans l’organisme.