Le carbone sous toutes ses formes Charbon actif
Propriétés
Un charbon actif est un matériau poreux, c’est-à -dire qu’il possède des cavités ou des canaux, appelés pores, dont les parois sont responsables d’une augmentation de l’aire spécifique.
Un pore est par définition une cavité plus profonde que large qui existe dans un grain de matière.
L’étendue de l’interface existant entre un solide poreux et une phase fluide doit tenir compte de l’aire latérale de tous les pores appelée surface interne par opposition à la surface externe qui est l’enveloppe des particules. La somme de la surface externe et de la surface interne est la surface totale.
Plusieurs paramètres permettent de caractériser un charbon actif.
Le volume poreux et la taille des pores : Un solide poreux peut être défini à partir du volume de substance adsorbée, supposée liquide, nécessaire pour saturer tous les pores ouverts d’un gramme de ce solide. Un pore ouvert débouche à la surface du grain et est donc accessible au fluide. Ce volume poreux est donc uniquement caractéristique de la porosité ouverte. Il est habituellement exprimé en centimètres cube par gramme d’adsorbant.
Selon la classification IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), les tailles de pores sont réparties en 3 groupes :
(a) les pores de largeur excédant 50 nm appelés macropores,
(b) les pores de largeur comprise entre 2 et 50 nm appelés mésopores,
(c) les pores de largeur inférieure à 2 nm appelés micropores (ou nanopores).
Les macropores permettent au fluide d’accéder à la surface interne du charbon actif, les mésopores favorisent le transport de ce fluide et les micropores sont les sites de l’adsorption. La présence de macropores crée une résistance au transfert de matière, généralement facteur limitant dans le cas des adsorbants en grain.
Le degré d’activation (ou burn-off) est un facteur important. Des burn-off inférieurs à 50 % sont synonymes de production de micro- et méso- pores tandis qu’un degré d’activation supérieur conduit à la formation de macropores au détriment d’une microporosité.
Le volume poreux et la taille des pores sont déterminés par manométrie d’adsorption-désorption d’azote à 77 K (-196°C) et par porosimétrie au mercure. Il est important de connaître la distribution de taille des pores, c’est-à -dire leur répartition en fonction de leur largeur, pour établir les applications possibles du matériau.
La surface spécifique : Par définition, la surface spécifique d’un adsorbant est une surface par unité de masse, généralement exprimée en m2.g-1, représentant l’aire disponible pour adsorber une monocouche de molécules. Pour un charbon actif, cette aire spécifique est comprise entre 500 et 1500 m2.g-1. Ce sont essentiellement les micro- et méso- pores qui créent de la surface. Plus la surface d’adsorption est grande, plus la quantité de matière adsorbée est importante.
Ce paramètre est obtenu en appliquant la théorie de Brunauer, Emmet et Teller, dite méthode BET, à partir des mesures effectuées par manométrie d’adsorption-désorption d’azote ou de dioxyde de carbone.
La surface externe : Il est important de bien différencier l’adsorption due à la microporosité (surface interne) de celle obtenue sur la surface externe. La surface externe est non microporeuse et comprend les mésopores, les macropores et la surface des feuillets aromatiques. Il est donc intéressant de comparer la valeur de la surface spécifique BET à celle de l’aire externe. En effet, une adsorption multicouche peut se produire sur la surface externe du matériau poreux. En général, la surface externe varie entre 10 et 200 m2.g-1 pour un charbon actif.
La méthode t de Lippens et de Boer permet de déterminer cette aire spécifique externe.
Les caractéristiques physiques : Les caractéristiques physiques du grain de charbon actif permettent de déterminer les conditions d’utilisation du charbon actif.
Ainsi, la granulométrie conditionne la vitesse d’adsorption (plus le grain est petit, plus le transfert vers le centre est rapide) et la perte de charge à travers le lit.
La dureté du matériau exprime la résistance du charbon actif à l’abrasion, au tassement, à l’attrition et aux vibrations. C’est un facteur important dans le design du système de traitement et sa durée de vie puisqu’il permet d’évaluer la formation de fines (poussières) nuisibles au fonctionnement des installations (colmatage du lit, dépôt dans les vannes et tuyaux…). Il dépend de la matière première et du niveau d’activation.
La masse volumique est aussi un paramètre à prendre en compte lors du remplissage des installations et de la manipulation.
Le taux de cendre est aussi à déterminer. Il s’agit de la partie inorganique, inerte, amorphe et inutilisable présente dans le charbon actif. Souvent, les cendres sont constituées de sels de calcium et d’oxydes métalliques. Plus le taux de cendres est bas, meilleur est le charbon actif. Ce taux augmente généralement avec l’étape de régénération.
Les fonctions de surface Les propriétés acido-basiques de surface du charbon actif sont très importantes et semblent même prévaloir sur les caractéristiques de sa porosité dans le cas de l’adsorption de composés organiques en phase aqueuse. La chimie de surface du charbon résulte de l’existence d’hétéroatomes tels que l’oxygène, l’azote, l’hydrogène, le chlore, le soufre et le phosphore. Ces hétéroatomes forment des groupes organiques fonctionnels (fonctions pendantes), tels que les cétones, les éthers, les amines et les phosphates situés sur les pourtours des cristallites de charbon. Leur teneur dépend de l’origine du charbon et de sa méthode d’activation, et détermine l’acidité ou la basicité du matériau : leur présence a un effet non négligeable sur l’adsorption de molécules polaires. En outre, ces radicaux peuvent affecter les capacités catalytiques du matériau et gêner physiquement l’adsorption de molécules non polaires.
La méthode de dosage de Boehm, la spectroscopie infrarouge et la spectroscopie photoélectronique XPS sont utilisées afin de connaître les fonctions de surface pendantes en présence.
