Le charbon actif, une matière première naturelle
La matière naturelle charbon actif est raffinée par CARBONIT grâce à un procédé unique et internationalement breveté. Toutes les matières premières traitées par CARBONIT sont contrôlées pour les résidus et surveillées par le LGA. Elles répondent à des normes européennes strictes pour les filtres à eau. La technologie la plus moderne assure une performance incomparable. Les filtres à eau CARBONIT combinent une finesse de filtration exceptionnelle allant jusqu'à 0,45 µm avec la forte capacité d'adsorption du charbon actif. Comme de l'eau de source directement du robinet. Plus besoin de porter des caisses d'eau lourdes.
Le charbon actif est un matériau basé sur des matières premières naturelles, qui, grâce à sa structure poreuse et à sa très grande surface interne, lie des composés chimiques et des molécules. Le charbon actif est traditionnellement utilisé dans de nombreux procédés de l'industrie chimique. En raison de sa forte propriété adsorptive, il est principalement utilisé pour le nettoyage des gaz d'échappement, de l'eau potable et des eaux usées ainsi que dans la technologie alimentaire, la pharmacie et la chimie.
Les matières premières pour la fabrication du charbon actif sont des matières carbonées telles que le bois, la tourbe, la lignite, le charbon, les noyaux de fruits ou les coques de noix de coco. Mais d'autres matériaux carbonés, comme les déchets plastiques ou les produits pétroliers, peuvent également être transformés en charbon actif en raison de leur forte teneur en carbone. Ces matériaux carbonés sont obtenus de manière similaire à la fabrication du charbon de bois et ensuite, comme le nom l'indique, activés. Ce processus d'activation augmente la propriété adsorptive du charbon et améliore la performance de nettoyage par rapport au charbon de bois traditionnel.
Le charbon actif est constitué d'un réseau cristallin irrégulièrement disposé d'atomes de carbone. Ces plans de réseau déplacés de manière aléatoire conduisent à une structure très poreuse et donc à une grande surface interne. La surface peut atteindre, pour le charbon actif commercial, entre 500 et 1500 mètres carrés par gramme.
Pour comparaison : 4 à 5 grammes de charbon actif contiennent la surface d'un terrain de football complet. La surface interne du charbon actif est caractérisée par le système de pores, on distingue simplement des pores de différentes tailles ou diamètres. On différencie ainsi les macropores (les pores d'alimentation vers l'intérieur du grain) et les pores d'adsorption (c'est-à-dire les pores où a lieu la véritable fixation des molécules à la surface interne).
La structure du système de pores influence le transport de la substance adsorptive du bord du grain vers l'intérieur du grain ainsi que la propriété d'adsorption de la substance respective à la surface.
Propriétés de surface du charbon actif
Outre la structure des pores, la propriété chimique de la surface a une autre influence décisive sur la capacité d'adsorption du charbon actif. Face à la multitude d'impuretés pouvant se trouver dans l'eau ou l'air, la performance de nettoyage du charbon actif est en pratique orientée vers des groupes spécifiques de substances. Une sélection de substances problématiques, comme elles peuvent apparaître dans le cadre du traitement de l'eau potable, est mentionnée ci-après :
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Substances odorantes et gustatives,
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Couleurs,
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Hydrocarbures minéraux,
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Hydrocarbures organiques halogénés,
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Hydrocarbures organiques,
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Chlore, dioxyde de chlore, ozone, permanganate,
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Métaux lourds,
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Ammonium, nitrate,
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Substances pharmaceutiques actives.
Comme chacune de ces substances présente un comportement d'adsorption et une capacité de liaison différents en raison de leur composition chimique, les propriétés physiques telles que la taille des grains et des pores sont combinées avec les propriétés chimiques de la surface. Cela conduit finalement à une performance de nettoyage optimale dans chaque cas d'application.
Adsorption
L'adsorption désigne un processus par lequel des substances se fixent à une surface (fig. B). Deux types d'adsorption sont connus. D'une part, on parle d'adsorption physique, principalement causée par les forces de van der Waals. La force de van der Waals est une force d'attraction assez faible, mais suffisante pour retenir des molécules ou des atomes à une surface en raison de leur charge (adsorber). Cette force est réversible, c'est-à-dire que si une force plus forte apparaît, par exemple le mouvement moléculaire brownien lors d'une augmentation de la température, la substance adsorbée peut être à nouveau dissoute. C'est différent pour l'adsorption chimique, également appelée chimisorption. Ici, comme pour toutes les réactions chimiques, une énergie d'activation doit être surmontée pour que la substance perturbatrice (adsorptif) forme une liaison chimique avec la surface du charbon actif (adsorbant). La chimisorption est plus forte dans sa liaison que l'adsorption physique. Fondamentalement, il peut aussi y avoir une désorption (dissolution) des substances si les forces de liaison d'autres groupes de substances sont plus fortes. Lorsque la capacité (capacité d'absorption des polluants) d'un filtre à charbon actif est épuisée, on parle alors d'un filtre chargé. Cependant, les filtres chargés ne doivent pas nécessairement être jetés. Souvent, le charbon actif contenu dans le filtre peut être régénéré en éliminant les substances adsorbées de la surface du charbon actif. Ce processus de désorption (c'est-à-dire le processus inverse de l'adsorption) peut être provoqué, par exemple, par une réduction de pression ou une augmentation de température. Après plusieurs désorptions ou lors de l'adsorption de substances difficiles à désorber, le charbon actif chargé doit cependant être complètement réactivé. Le charbon actif chargé subit alors un nouveau processus d'activation – bien que plus court – dans le but de ramener la surface interne à son niveau d'origine. Une autre possibilité de régénérer le charbon actif chargé est l'extraction. Les substances adsorbées sont alors éliminées de la surface du charbon à l'aide d'un solvant organique. Mais aussi des micro-organismes peuvent régénérer le charbon actif (macroporeux) en décomposant biologiquement des composés organiques facilement désorbables. En particulier dans les applications industrielles, des charbons actifs régénérés sont utilisés, par exemple dans les imprimeries, la technologie alimentaire, le traitement de l'eau potable et le traitement des eaux usées. La désorption permet souvent de récupérer des substances précieuses, comme le prouve la récupération adsorptive du toluène dans les imprimeries, où le toluène récupéré des gaz d'échappement est réintroduit dans le processus d'impression.
Procédés de fabrication
Le charbon actif peut être fabriqué à partir de presque tous les matériaux contenant du carbone. Ces matières premières peuvent être sous forme non carbonisée ou sous forme de charbons et coke. Le principe de base de l'activation consiste à décomposer sélectivement une partie du carbone dans des conditions appropriées. Cette décomposition sélective entraîne la formation de nombreux pores, fissures et fentes par l'échappement de substances volatiles, dans lesquels l'adsorption des substances peut avoir lieu. Deux méthodes sont distinguées pour la fabrication du charbon actif : l'activation chimique et l'activation gazeuse. Lors de l'activation chimique, des matières premières non carbonisées comme la tourbe ou la sciure sont mélangées avec un agent déshydratant (extrait d'eau), par exemple du chlorure de zinc ou de l'acide phosphorique, puis activées à des températures de 400 à 600 °C. Cela produit principalement des charbons actifs à pores grossiers, qui peuvent être utilisés, par exemple, pour la décoloration de liquides.
La deuxième variante est l'activation gazeuse. Elle utilise généralement des produits naturels déjà carbonisés comme le charbon de bois, le coke de tourbe, le coke de coque de noix de coco, le charbon de pierre ou la lignite. Ceux-ci possèdent déjà avant l'activation quelques petits pores et donc une première surface d'adsorption, bien que peu développée. Le processus d'activation augmente considérablement le nombre de pores et donc la taille de la surface. L'activation est réalisée à des températures de 700 à 1000 °C en utilisant de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone. La vapeur d'eau et le dioxyde de carbone provoquent une oxydation partielle, en particulier du carbone non cristallin. Des produits goudronneux qui bouchent les micropores sont expulsés et la structure carbonée est largement dégagée. À l'intérieur de la matière première, les pores souhaités pour un charbon actif à pores fins sont alors formés. Comme l'activation nécessite une température élevée, l'industrie utilise des fours rotatifs, à plateaux ou à puits. Ici, les charbons actifs et leur distribution de pores peuvent être adaptés sur mesure aux différents cas d'application.
Le charbon actif est commercialisé sous forme de poudre, de grains ou de charbon formé. Lors de la fabrication de charbon formé, par exemple pour les filtres à eau (filtres à bloc de charbon actif), le semi-produit carbonisé est pulvérisé, activé, puis mélangé avec un liant et extrudé ou fritté selon les besoins. Le charbon en grains de quelques millimètres existe sous forme de particules cassées ou de pastilles en forme de bâtonnets. Le charbon en grains est utilisé dans des réservoirs adsorbeurs à travers lesquels le flux de gaz ou de liquide à purifier est dirigé. Le charbon actif cassé et à arêtes vives est préféré pour le traitement de l'eau. Grâce à sa construction compacte, un filtre à bloc de charbon actif remplace des charges volumineuses en poudre de charbon. La capacité d'adsorption des substances indésirables est également nettement augmentée et la tendance à libérer des substances une fois adsorbées (effet chromatographique) est moindre. Les filtres à bloc à pores fins et à haute finesse de filtration offrent, en plus de l'adsorption chimico-physique, une bonne filtration mécanique contre les particules et les micro-organismes.
Traitement de l'eau potable
L'eau potable est généralement prélevée dans des nappes phréatiques, mais aussi dans des régions pauvres en eau souterraine, par exemple à partir du filtrat de rive des rivières. Une grande partie des composés et substances perturbatrices que l'homme rejette dans la nature est biologiquement dégradée par les bactéries du sol lors de l'infiltration. Néanmoins, des dépassements des limites légales se produisent régulièrement, ce qui oblige à traiter l'eau avant son injection dans le réseau d'eau potable. Les filtres utilisés à cet effet sont appelés filtres à couche unique ou multicouches.
Les filtres à couche unique sont entièrement constitués d'un seul matériau filtrant, tandis que les filtres multicouches sont composés d'une combinaison de différents matériaux filtrants. Les filtres multicouches comportent généralement une couche (par exemple du sable) pour retenir les particules grossières et une couche de charbon actif. Comme les fournisseurs ne garantissent la qualité de l'eau potable que jusqu'au raccordement au domicile, les filtres à eau potable sont de plus en plus utilisés dans le secteur privé.
Ces filtres ont pour tâche d'éliminer les particules, bactéries, substances odorantes et gustatives ainsi que les métaux lourds éventuellement introduits par le réseau de canalisations. Il peut aussi arriver que des polluants ne soient pas complètement retenus dans l'usine de traitement de l'eau. Il peut s'agir de pesticides, de résidus médicamenteux ou même de substances hormonales qui pénètrent dans la nappe phréatique par des apports diffus et traversent l'usine de traitement sans obstacle. Des installations domestiques inappropriées ou obsolètes peuvent libérer des métaux lourds dans l'eau potable. Si le choix des matériaux de canalisation ne tient pas suffisamment compte de la qualité locale de l'eau potable, des ions métalliques lourds peuvent être dissous. Il s'agit d'ions des éléments cuivre, nickel, zinc et plomb. Dans tous ces cas, il est conseillé d'installer un filtre à charbon actif directement avant le point de prélèvement de l'eau potable, qui peut éliminer ces métaux lourds, résidus médicamenteux et pesticides de l'eau potable (fig. F). Les minéraux, sels et oligo-éléments essentiels à l'organisme humain ne sont pas affectés. En raison de leur petite taille et de leur bonne mobilité, ils traversent le filtre et restent donc disponibles après la filtration.
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