Le charbon actif est obtenu par pyrolyse de différents composés organiques : bois, coques de fruits (noix de coco), noyaux de fruits, bambous, os, charbon, lignite, tourbe et résidus pétroliers.

Le matériau est calciné en absence d’oxygène pour obtenir un solide amorphe riche en carbone. La structure et la nature chimique d’un charbon actif évoluent tout au long des processus de fabrication. Sa structure est formée de feuillets de carbone arrangés de manière irrégulière laissant des interstices entre eux. Ainsi, le matériau ne possède qu’une porosité rudimentaire dite primaire (pores trop petits ou en nombre restreint) et ne peut être employé comme adsorbant sans un traitement complémentaire. En conséquence, le pouvoir adsorbant du charbon est créé ou augmenté en éliminant par un procédé d’activation les goudrons et autres matières carbonées désorganisées issues de la décomposition du composé organique qui obstruent les pores.
La structure interne du composé activé est constituée d’un assemblage aléatoire de « cristallites » polyaromatiques appelés Unités Structurales de Base (USB). Comme l’ordre dans lequel les feuillets sont empilés est moins parfait que dans le cas du graphite, on parle d’une structure turbostratique que l’on retrouve dans les noirs de carbone.
L’espace libre entre ces feuillets constitue la microporosité du matériau.

Représentations d’un modèle d’USB (à gauche) et d’une microstructure de charbon actif (à droite).

Schéma de droite selon Stoeckli, « Microporous carbons and their characterization : the present state of the art », Carbon 28-1, 1990, p 1-6.

Dans le cas de la production de charbon actif à partir de houille bitumineuse, la matière première est pulvérisée puis agglomérée et broyée. Une étape de cuisson précède l’activation.

Il existe deux procédés d’activation, l’activation physique et l’activation chimique :

* Le matériau brut est carbonisé à une température d’environ 600°C pendant 6 à 8 heures. L’activation physique consiste en une oxydation du carbonisat obtenu à haute température (750-1000°C) par un agent gazeux faiblement oxydant pendant 24 à 72 heures. Les gaz principalement utilisés, seuls ou en mélange, sont l’air, la vapeur d’eau ainsi que le dioxyde de carbone. Le carbone est consommé par la réaction :

C + H₂O -> CO + H₂

2 CO + O₂ -> 2 CO₂

2 H₂ + O₂ -> 2 H₂O

La réaction progresse plus facilement suivant les directions où le carbone est moins dense : elle crée ainsi des tunnels, développant la microporosité. Ce procédé est donc limité par le transport du gaz oxydant au sein du matériau, ce qui peut conduire à une inhomogénéité de la porosité. Le contrôle de la température est un paramètre important : en dessous de 800°C, la vitesse de réaction est trop lente et économiquement inintéressante. Au-delà de 1000°C, la réaction érode le matériau dont la taille réduit considérablement tandis que l’intérieur du carbonisat reste inactivé. De plus, la maîtrise du procédé doit être complète pour créer une taille des pores bien définie, uniforme et adaptée aux applications visées. Généralement, les charbons actifs produits par cette activation physique présentent une structure poreuse fine.

En ce qui concerne le procédé chimique, la carbonisation et l’activation sont réalisées simultanément entre 400 et 600°C en présence de catalyseurs d’oxydation : acide phosphorique, acide sulfurique, sulfure de potassium, chlorure de zinc (interdit pour les applications agroalimentaires), sels de cuivre, potasse... Ces agents chimiques favorisent la déshydratation. Le matériau brut est imprégné de ces agents mis sous forme de pâte puis ce mélange est chauffé. La réorganisation structurale permet de développer une microporosité et une mésoporosité par élargissement du diamètre des pores. La taille des pores dans le charbon actif final est déterminée par le degré d’imprégnation : plus celui-ci est élevé, plus le diamètre des pores est grand. Généralement, les charbons actifs produits par cette activation chimique présentent une structure poreuse ouverte (les pores débouchent à la surface du grain), idéale pour l’adsorption de grosses molécules.

Le degré d’activation (ou taux d’activation) est un facteur important. Il est souvent appelé « burn-off » et caractérise la qualité de la porosité. En effet, la réaction d’activation produit un matériau poreux de masse inférieure à sa masse initiale. Le degré d’activation ou le burn-off augmente avec la durée de l’activation.
Burn-off (%) = ((masse initiale) – (masse finale)) x 100 /(masse initiale)

La fabrication des charbons actifs s’achève par un lavage à l’eau pure ou des acides minéraux pour éliminer les cendres. Ensuite ont lieu des opérations de granulations, de tamisage et de conditionnement. Leurs caractéristiques et performances sont déterminées ou vérifiées par des tests en laboratoire.

Producteurs :
Il existe plus de 100 sociétés fabricant du charbon actif, dont une trentaine de producteurs principaux. Citons Norit, Calgon Carbon Corp (Chemviron Carbon en Europe), CECA, PICA, DESOTEC, Carbo-Tech, Jacobi Carbons…