Le charbon actif (CA) est un matériau hautement carboné, à forte porosité et forte capacité de sorption, produit à partir de bois, de coques de noix de coco, de charbon, de cônes, etc. Le CA est un adsorbant fréquemment utilisé dans diverses industries pour éliminer de nombreux polluants de l'eau et de l'air. Synthétisé à partir de produits agricoles et de déchets, le CA s'est avéré une excellente alternative aux sources traditionnelles non renouvelables et coûteuses. La préparation du CA repose sur deux procédés de base : la carbonisation et l'activation. Dans le premier procédé, les précurseurs sont soumis à des températures élevées, comprises entre 400 et 850 °C, afin d'éliminer tous les composants volatils. La température élevée élimine tous les composants non carbonés du précurseur, tels que l'hydrogène, l'oxygène et l'azote, sous forme de gaz et de goudrons. Ce procédé produit du charbon à forte teneur en carbone, mais à faible surface spécifique et porosité. La deuxième étape consiste à activer le charbon précédemment synthétisé. L'augmentation de la taille des pores au cours du processus d'activation peut être classée en trois catégories : l'ouverture de pores auparavant inaccessibles, le développement de nouveaux pores par activation sélective et l'élargissement des pores existants.
Habituellement, deux approches, physique et chimique, sont utilisées pour l'activation afin d'obtenir la surface spécifique et la porosité souhaitées. L'activation physique implique l'activation du charbon carbonisé à l'aide de gaz oxydants tels que l'air, le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau à haute température (entre 650 et 900 °C). Le dioxyde de carbone est généralement privilégié en raison de sa pureté, de sa facilité de manipulation et de son processus d'activation contrôlable autour de 800 °C. L'activation au dioxyde de carbone permet d'obtenir une grande uniformité des pores par rapport à la vapeur. Cependant, pour l'activation physique, la vapeur est largement préférée au dioxyde de carbone, car elle permet de produire du charbon actif à surface spécifique relativement élevée. Grâce à la plus petite taille des molécules d'eau, sa diffusion au sein de la structure du charbon est efficace. L'activation par la vapeur d'eau s'est avérée environ deux à trois fois supérieure à celle du dioxyde de carbone à taux de conversion égal.
Cependant, l'approche chimique implique le mélange d'un précurseur avec des agents activateurs (NaOH, KOH et FeCl3, etc.). Ces agents activateurs agissent à la fois comme oxydants et comme déshydratants. Dans cette approche, la carbonisation et l'activation sont réalisées simultanément à une température comparativement plus basse (300-500 °C) que dans l'approche physique. Par conséquent, la décomposition pyrolytique est réalisée, ce qui entraîne l'expansion d'une structure poreuse améliorée et un rendement élevé en carbone. Les principaux avantages de l'approche chimique par rapport à l'approche physique sont la basse température requise, la microporosité élevée des structures, la grande surface spécifique et le temps de réaction réduit.
Français La supériorité de la méthode d'activation chimique peut être expliquée sur la base d'un modèle proposé par Kim et ses collègues [1] selon lequel divers microdomaines sphériques responsables de la formation de micropores se trouvent dans l'AC. D'autre part, des mésopores sont développés dans les régions intermicrodomaines. Expérimentalement, ils ont formé du charbon actif à partir de résine à base de phénol par activation chimique (en utilisant KOH) et physique (en utilisant de la vapeur) (Figure 1). Les résultats ont montré que l'AC synthétisé par activation KOH possédait une surface spécifique élevée de 2878 m2/g contre 2213 m2/g par activation à la vapeur. De plus, d'autres facteurs tels que la taille des pores, la surface spécifique, le volume des micropores et la largeur moyenne des pores se sont tous avérés meilleurs dans les conditions activées par KOH que par activation à la vapeur.
Différences entre le CA préparé à partir de l'activation à la vapeur (C6S9) et de l'activation au KOH (C6K9), respectivement, expliquées en termes de modèle de microstructure.
Selon la granulométrie et le mode de préparation, on distingue trois types de CA : le CA en poudre, le CA en granulés et le CA en billes. Le CA en poudre est formé de granulés fins de 1 mm, dont le diamètre moyen est compris entre 0,15 et 0,25 mm. Le CA en granulés est comparativement plus gros et présente une surface externe plus petite. Il est utilisé pour diverses applications en phase liquide et gazeuse, selon ses dimensions. Troisième catégorie : le CA en billes est généralement synthétisé à partir de brai de pétrole, dont le diamètre varie de 0,35 à 0,8 mm. Il est reconnu pour sa résistance mécanique élevée et sa faible teneur en poussières. Grâce à sa structure sphérique, il est largement utilisé dans les applications en lit fluidisé, comme la filtration de l'eau.
Date de publication : 18 juin 2022