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À chaque application, son charbon actif

La rédaction
Les filtres à charbon actif sont utilisés dans de nombreuses industries, de l'agroalimentaire à la pharmacie en passant par la chimie ou la dépollution. En faisant varier les matériaux de base et les paramètres des procédés de fabrication, on peut adapter précisément les caractéristiques du charbon actif à la nature des molécules qu'il devra piéger.

Générique, le terme charbon actif (CA) regroupe les dérivés carbonés poreux obtenus par traitement d'un carbonisat par un gaz oxydant, ou par carbonisation d'un précurseur carboné imprégné d'un agent desséchant. Les matériaux ainsi obtenus présentent une importante porosité et une aire spécifique interne élevée, utilisées pour piéger les molécules que l'on souhaite filtrer.

Désormais, la principale application des charbons actifs réside dans les processus d'adsorption des molécules en phase gazeuse ou liquide. Ce phénomène d'adsorption est dû à l'existence de forces physiques de type Van der Waals, induisant une plus forte concentration de l'adsorbat à l'interface que dans le fluide. L'adsorption peut également être causée par la formation de liaisons de type covalentes entre les sites actifs présents à la surface du charbon et l'adsorbat, ce qui s'apparente à un phénomène de chimisorption notamment par l'imprégnation des charbons actifs au moyen d'agents chimiques pour créer une liaison forte avec des molécules très volatiles.

L'efficacité d'un charbon dépend donc non seulement de la surface accessible sur laquelle a lieu l'adsorption physique, mais aussi de la présence de sites actifs privilégiant la chimisorption. Il est donc important de connaître parfaitement les paramètres texturaux d'un charbon actif, ainsi que la nature de sa chimie de surface afin d'adapter le matériau aux propriétés d'usages visées. Certaines applications avancées nécessitent l'emploi de matériaux plus sophistiqués que les classiques charbons actifs granulaires, c'est pourquoi on observe le développement d'autres formes physiques telles que les fibres et leurs dérivés : tissus et feutres.

1. ACTIVATION PHYSIQUE. Une obtention en deux étapes

Les charbons actifs sont produits à partir de précurseurs organiques riches en carbone, principalement des matériaux ligno-cellulosiques (bois, noyaux de fruits, coquilles de noix...) ou minéraux (tourbe, houille, lignite...). La préparation de charbons actifs peut être réalisée selon deux procédés distincts : l'activation physique ou thermique et l'activation chimique.

La préparation de charbons actifs par des procédés dits physiques se déroule en deux étapes : la pyrolyse, ou carbonisation du précurseur, suivie d'une gazéification contrôlée. La carbonisation induit le dégagement des espèces provenant de la dégradation et la production d'un résidu solide riche en carbone, caractérisé par une structure poreuse rudimentaire. Les paramètres de la carbonisation, comme la vitesse de chauffe, la température finale et la durée, permettent de contrôler le résultat. Pour améliorer les caractéristiques texturales du carbonisat, il est nécessaire de le soumettre ensuite à une étape d'activation. Celle-ci consiste à ouvrir la porosité initiale par gazéification contrôlée via de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone ou un mélange des deux (Fig. 1).

Le développement de la porosité d'un carbonisat donné activé est différent selon la nature du gaz oxydant. Lors de l'étape initiale de la phase d'activation, les résidus de la carbonisation sont brûlés. C'est ce qui permet l'ouverture des pores partiellement fermés par ces carbones désordonnés, et qui entraîne donc une augmentation du volume poreux. À ce stade, il y a peu de différence entre les deux agents activants, même si la mésoporosité se développe un peu plus en présence de vapeur d'eau. Lorsque le degré d'activation augmente, la différence au niveau de la porosité créée par les deux agents activants s'accentue. Il est généralement admis que le dioxyde de carbone favorise la formation d'un réseau microporeux, alors que la vapeur d'eau génère des pores plus larges. On observe ainsi le développement d'une méso et d'une macroporosité plus importante.

2. ACTIVATION CHIMIQUE. Une technique peu énergivore

Lorsqu'on recourt à l'activation chimique, le précurseur est préalablement broyé, puis imprégné avec une solution concentrée d'un agent chimique. Il est ensuite chauffé entre 400 et 800 °C, avant d'être rincé pour éliminer l'agent chimique en excès (Fig. 2).

Ce type d'activation présente plusieurs avantages. D'une part, l'activation chimique est réalisée en une seule étape et à des températures moins élevées, d'où un coût énergétique plus faible. D'autre part, le rendement en charbon actif avec l'activation chimique est plus important. De plus, les matériaux ainsi manufacturés peuvent avoir une surface spécifique élevée, une microporosité bien développée avec éventuellement une répartition de taille de pores étroite. Enfin, l'activation chimique conduit à une réduction importante du taux de matières minérales. En revanche, l'introduction d'impuretés minérales dans la porosité du charbon actif nécessite un lavage pour les extraire. Par ailleurs, un investissement important est[…]

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