Le charbon actif, aussi nommé charbon activé ou carbone activéSelon la définition de l'Office québécois de la langue française, 1987 — ., est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse.
On appelle charbon actif tout charbon ayant subi une préparation particulière et qui, de ce fait, possède à un haut degré la propriété de fixer et de retenir certaines molécules amenées à son contact. Il s'agit d'une structure amorphe composée principalement d'atomes de carbone, généralement obtenue après une étape de carbonisation d'un précurseur à haute température.
Un charbon actif présente en général une surface spécifique élevée qui lui confère un fort pouvoir adsorbant. L'adsorption est un phénomène de surface par lequel des molécules se fixent sur la surface de l'adsorbant par des liaisons faibles : forces de van der Waals, interactions électrostatiques, liaisons hydrogène.
Des preuves de l'utilisation du charbon actif remontent à l'Antiquité avec des utilisations médicinales par Hippocrate vers ou pour de la purification d'eau par les Égyptiens vers Au , le noir animal, produit à partir d'os, a été employé pour la purification de liquides par filtration et pour la décoloration, notamment pour la production de sucre blanc. L’Écossais John Stenhouse s'en servit pour les premiers masques respiratoires.. (1860, 1867).
C'est au que les procédés de production furent améliorés pour permettre une production industrielle de charbons actifs pour des applications variées : capture de polluant en phase gazeuse ou aqueuse, procédés de séparation de gaz Des procédés de traitement physique ou chimique ont été mis au point pour permettre la production de charbons actifs ayant une meilleure efficacité : le chimiste suédois von Ostreijko définit les bases de l'activation physique (vapeur d'eau, dioxyde de carbone) et chimique (chlorures métalliques) dans deux brevets datés de 1900 et 1901, et l'activation chimique par des acides (Bayer, 1905).
Fabrication
Fabrication industrielle Le charbon actif peut être produit à partir de toute matière organique végétale riche en carbone : écorce, pâte de bois, coques de noix de coco, coques de cacahuètes, noyaux d'olives, ou bien de houille, tourbe, lignite, résidus pétroliers. vignette|droite|Approvisionnement en coques de noix de coco dans un four artisanal à Bến Tre au Viêt Nam. La fabrication se décompose en deux étapes : une première étape de calcination ou carbonisation (ou pyrolyse), à forte température, des produits constituants. Une première porosité est créée par cette étape, en effet les éléments autres que le carbone laissent des pores dans la matrice carbonée lorsqu'ils se volatilisent ; une deuxième étape d'activation consiste à augmenter le pouvoir adsorbant, notamment en éliminant les goudrons qui obstruent les pores et ce, selon deux procédés distincts : l'activation physique, nouvelle combustion avec choc thermique (), effectuée dans un courant d'air et de vapeur d'eau, injectés sous pression (procédé d'oxydation contrôlée), va créer des millions d'alvéoles microscopiques sur la surface du charbon, augmentant de façon très importante sa surface et son pouvoir d'adsorption. Ce procédé donne un charbon à pores étroits, l'activation chimique, surtout par de l'acide phosphorique entre et . Ce procédé donne un charbon à pores plus larges.
Les charbons peuvent aussi être activés physiquement au , ou chimiquement par des acides de Lewis (historiquement le chlorure de zinc était très utilisé) ou de l'hydroxyde de potassium. Lorsque les charbons sont activés chimiquement, l'agent d'activation est ensuite récupéré, purifié et recyclé.
Certains procédés permettent de combiner les deux étapes.
Le diamètre des pores dépend également des pores existant dans la matière première utilisée. Les coques de noix de coco et les bois très denses donnent des micro-pores (< ), les bois moyens à blanc donnent des mésopores (entre ) ou des macropores (> ).
Le charbon actif est produit dans pratiquement tous les pays du monde où l'on trouve des ressources ligneuses (bois, coques de noix, écorces, brindilles, feuilles).
Fabrication du charbon végétal
En France, le charbon végétal se fabriquait à partir du bouleau, du chêne, du hêtre, du peuplier, du pin, du saule ou du tilleul.. Il existe une usine en France de fabrication de charbon actif à partir de bois de pin, à Parentis-en-Born (Landes).
Le charbon de peuplier, aussi connu sous le nom de « charbon de Belloc », se prépare à partir de pousses d'arbres de trois à quatre ans. Les pousses sont calcinées en vase clos. Le charbon est bouilli dans de l'acide chlorhydrique dilué à 1/. Il est ensuite lavé, séché et pulvérisé. Il se conserve à l'abri de l'air pour lui éviter d'absorber les gaz atmosphériques et l'humidité.
Fabrication du charbon animal
Le charbon animal est fabriqué à partir d'os frais d'animaux. Les arêtes de poissons sont à exclure. La graisse est extraite par ébullition ou à l'aide d'un solvant. Les os sont broyés puis carbonisés. Pendant la carbonisation il s'en dégage une huile et un gaz. Le gaz est lavé pour en retirer l'ammoniac. L'opération dure en moyenne huit heures.
Il peut être recyclé et ainsi être utilisé plusieurs années. Quand il a perdu son pouvoir adsorbant, il est traité à l'acide sulfurique pour former du superphosphate..
Propriétés
Propriétés physiques
Le charbon actif se présente essentiellement sous trois formes (les dimensions données ci-dessous sont des valeurs typiques) : grain, de taille ; extrudés (pellets) : cylindres de de diamètre et de long ; poudre : grains de dimensions inférieures à (norme européenne : < ).
Il existe aussi des tissus de charbon actif, fabriqués à partir de tissus en fils polymères, ainsi que des feutres, pour des applications très ciblées (médecine, armée).
Les charbons actifs sont extrêmement poreux (50 à 70 % en volume). La porosité dépend du matériau d'origine : les coques de noix de coco produisent des micropores, tandis que le bois produit des méso/macropores. La surface développée par toutes les parois internes des pores conduit à des valeurs énormes : un gramme de charbon actif a une surface spécifique comprise entre , typiquement . Les surfaces spécifiques sont mesurées grâce à l'isotherme BET (théorie Brunauer, Emmett et Teller).
Le charbon actif est hydrophobe : il adsorbe peu de vapeur d'eau à faible humidité relative. Toutefois, compte-tenu du très faible rayon de pore, il peut capter de la vapeur d'eau par condensation de Kelvin (suivant l'équation de Kelvin), lorsque l'humidité relative est supérieure à environ 50 %. D'autres vapeurs peuvent aussi se condenser. Les pores du charbon se remplissent alors du constituant à l'état liquide, ce qui explique les très fortes capacités d'adsorption. Par exemple, un charbon peut fixer jusqu'à 50 % en masse de toluène présent à l'état de vapeur dans de l'air ( de toluène par kg de charbon).
L'adsorption des gaz nécessite des pores de , alors que des pores de suffisent pour l'adsorption des liquides.
Propriétés chimiques
Les propriétés chimiques du charbon actif dépendent de l'état de surface, dépendant lui-même de l'origine du matériau de base (noix de coco, pin, houille) et des traitements physiques et chimiques.
Rôle du calcium
Les ions calcium libérés de la surface d'un charbon activé lors d'un processus de traitement de l'eau jouent un grand rôle dans la bonne fixation de micropolluants organiques anioniques. On a par exemple montré que des taux micromolaires d'ion calcium accroissent fortement l'adsorption du dodécylsulfate de sodium (SDS) sur un charbon actif débarrassé de la plus grande partie de ses ions métalliques de surface grâce à un rinçage par de l'acide chlorhydrique. Ce calcium ajouté permet de neutraliser les charges négatives des groupes fonctionnels de surface du charbon, mais aussi les charges négatives issues du SDS déjà adsorbé, ce qui augmente la fixation supplémentaire de SDS. Les traitements subis par le charbon activé avant l'adsorption de micropolluants peuvent fortement modifier la capacité d'adsorption du charbon. Le fait d'ajouter des ions calcium dans l'eau à filtrer améliore les rendements de l'adsorption de micropolluants anioniques sur le charbon actif.. Toutefois, un tel ajout n'est pas économiquement rentable.
Propriétés électriques
Conductivité
Étant constitué de carbone, le charbon actif conduit l'électricité dans une certaine mesure. Cette propriété a été utilisée pour chauffer un lit de grains de charbon actif par effet Joule en vue de le régénérer (désorber des molécules fixées). Deux électrodes métalliques sont disposées aux extrémités d'un lit généralement cylindrique et une tension est appliquée (il peut aussi être chauffé par induction électromagnétique). Le comportement semi-conducteur du charbon est mis en évidence car la courbe de température est négative, c’est-à-dire que la résistivité diminue quand la température augmente contrairement aux conducteurs, métalliques par exemple. Lorsqu'on applique une tension constante, la température du lit augmente, sa résistance diminue et par conséquent l'intensité augmente et aussi la puissance appliquée . Ceci conduit à un emballement du système. Il faut donc réguler la tension. Ce procédé de désorption électrothermique n'a pas connu de développement industriel significatif, les procédés traditionnels, air chaud et vapeur d'eau surchauffée, étant performants et peu coûteux.
Capacité
Lorsqu'un solide est mis au contact d'une solution saline, il se développe à l'interface une répartition de charges appelée double couche électrochimique. Celle-ci se comporte comme un condensateur dont les valeurs de capacités sont faibles, de l'ordre de quelques microfarads par centimètre-carré. Dans le cas du charbon actif, compte tenu de ses surfaces spécifiques élevées, les valeurs de capacités spécifiques sont également très élevées. Par exemple, pour une interface à , et un charbon de , la capacité est de . On parle de supercondensateurs. Cette propriété est mise à profit notamment dans de nombreux systèmes de stockage d'électricité (véhicule, montre…) et de systèmes réactifs pour démarrages de fortes puissances.
La double couche influe également sur les propriétés d'adsorption de la surface. Ainsi l'isotherme d'adsorption d'un corps peut dépendre du potentiel électrique appliqué. Ce phénomène est connu sous le nom d'électrosorption.
Mise en œuvre industrielle du charbon actif
Formes du charbon - Poudre : utilisées en dispersion. Granulométries typiques : 15-20, 50-100 microns.
- Pellets (cylindres) : obtenus par agglomération de la poudre puis extrusion. Ils sont utilisés en colonne. Granulométries typiques : 6x16, 8x30, 12x40 mm.
- Grains : 1,2 mm 1,8 mm 3 mm. Utilisés en colonnes.
- Tissus: obtenus par calcination de tissus polymère puis activation. Quelques rares applications.
Contacteurs Les contacteurs sont souvent appelés improprement filtres. En effet, un filtre sert à retenir des particules, alors que les contacteurs à charbon actif retiennent des molécules.
Le contacteur, comme son nom l'indique, sert à mettre en contact le plus efficace possible le liquide ou le gaz à traiter.
Dans la plupart des applications, le charbon est disposé dans une colonne cylindrique dont le diamètre peut varier de quelques cm à 2-3 m et la hauteur de 1 à 3 m typiquement. Pour le traitement des COV à fort débit, le charbon est disposé en une couche parallélépipédique qui permet une grande surface offerte au flux avec une chaudronnerie plus simple qu’une colonne. Dans ces applications, le charbon est sous forme de pellets (ou quelques fois en grains) pour ne pas créer trop de perte de charge. Le charbon en colonne est soit régénéré in situ, le plus souvent par désorption à la vapeur pour certains COV, soit réactivé ex situ.