L'utilisation industrielle du charbon actif

III.4. Caractéristiques du charbon actif

? Volume poreux et taille des pores

Un solide poreux peut être défini à partir du volume de substance adsorbée, nécessaire pour saturer tous les pores ouverts d'un gramme de solide, habituellement exprimé en (cm³.g^-

¹).

Selon la classification IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), les tailles de pores sont réparties en 3 groupes, (figure III.2) [8] :

y' Les micropores : si le diamètre est inférieur à 2 nanomètres (? 2 nm),

y' Les mésopores : si le diamètre est compris entre 2,5 nanomètres et 50 nanomètres, y' Les macropores : si le diamètre excède 50 nanomètres (? 50 nm). [6]

Figure III.2 : Structure des pores du charbon actif [9].

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Charbon actif

? Surface spécifique

La surface spécifique d'un adsorbant est une surface par unité de masse. Elle est généralement exprimée en m².g^-1. Son estimation est conventionnellement fondée sur des mesures de la capacité d'adsorption de l'adsorbant en question, correspondant à un adsorbat donné [10].

Pour les charbons actifs, cette surface varie entre 100 et 2000 m².g^-1.

Le tableau ci-dessous résume quelques surfaces spécifiques de certains adsorbants

Tableau III. 2 : Surfaces spécifiques de quelques matériaux adsorbants [9]

Matériaux adsorbants	Surfaces spécifiques (m^2.g^-1)
Alumine activée	200-400
Tamis moléculaires carbonés	300-600
Adsorbants à base de polymère	100-700
Zéolites	500-800
Gel de silice	600-800
Charbons actifs	400-2000

Il est nécessaire de distinguer la surface interne de la surface externe d'un adsorbant. La première est la surface microporeuse représentée par les parois des micropores ; elle peut atteindre plusieurs mètres carrés par gramme.

La deuxième est la surface non microporeuse qui comprend les parois des mésopores et des macropores, ainsi que la surface des feuillets aromatiques [10], comme représenté sur la figure III.3.

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Figure III.3 : Représentation de la surface interne et externe d'un matériau

poreux (adsorbant) [10].

? Densité apparente

Elle rend compte de la masse de matériau contenue dans un volume donné, comprenant le volume d'air interstitiel. Une valeur élevée de densité apparente indique une meilleure qualité de charbon actif. Elle est exprimée en kg. m^-3.

? Granulométrie

Elle conditionne la vitesse d'adsorption, plus le grain est petit, plus le transfert vers le centre est rapide [8].

III.5. Préparation du charbon actif

En général, le charbon est un matériau carboné poreux, il peut être préparé à partir de plusieurs types de matières premières telles l'anthracite, les schistes bitumineux, le bois, la lignine, la coque de noix de coco, la coque d'amande, le grignon et les noyaux d'olives, la pulpe de pomme, les pépins d'oranges, les noyaux de dattes, les grains de café, les noyaux d'abricots, les polymères et les déchets carbonés [9].

Le tableau suivant montre les différentes matières premières pour préparer le charbon actif.

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Charbon actif

Tableau III. 3 : Différentes matières premières pour préparer le charbon actif.

Matières premières		Forme	Pourcentage en Carbone
Lignite			Environ 70% de carbone
Charbon bitumineux
Anthracite			Environ 95% de carbone
Les noyaux de dattes
Les noyaux des olives

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III.5.1. Activation des charbons actifs

Les charbons actifs sont produits à partir de deux méthodes d'élaboration différentes : l'activation physique (deux traitements thermiques successifs : la carbonisation et l'activation) et l'activation chimique (un seul traitement thermique suivi de la mise en contact avec un agent activant).

a. Activation physique : elle se déroule en deux étapes :

V' La carbonisation de la matière première : elle permet l'élimination des atomes autres que le carbone (N, H, O, S) contenus dans la matière première pour donner un matériau carboné avec une structure poreuse rudimentaire appelée carbonisât.

Cette étape du procédé est réalisée dans une atmosphère inerte à des températures inférieures à 1 000°C (comprises entre 600°C et 900°C en fonction de la matière première). Elle fournit des matériaux ayant une structure poreuse limitée (surface spécifique comprise entre 10 m2. g^-1 et 100 m². g^-1), qui est ensuite développée durant le processus d'activation.

V' L'activation physique : est une oxydation ménagée du carbonisât réalisée à haute température (entre 700°C et 1 000°C) par un gaz oxydant pendant un temps donné en fonction de la porosité désirée. Les gaz les plus utilisés sont la vapeur d'eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2).

b. Activation chimique

L'activation chimique est généralement réalisée en plusieurs étapes mais elle ne comporte qu'un seul traitement thermique.

Dans un premier temps, il s'agit de mettre en contact l'agent activant et la matière première, les agents oxydants les plus utilisés sont l'acide phosphorique (H3PO4), la potasse (KOH) et le chlorure de zinc (ZnCl2).

Les mélanges solides obtenus subissent un traitement thermique, sous un flux de gaz inerte (généralement l'azote) à des températures comprises entre 500°C et 900 °C.

Les conditions du traitement thermique dépendent du précurseur et de l'agent activant utilisé. Le CA est ensuite lavé (par exemple à l'acide nitrique HNO3) puis rincé à l'eau distillée jusqu'à l'obtention d'un filtrat neutre [11].

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