Charbon actif en poudre (CAP) : Le charbon actif est pulvérisé en fines particules de taille comprise entre 1 et 100 µm. Il est généralement issu du procédé de fabrication chimique et est fréquemment utilisé pour le traitement d’effluents liquides. La mise en Å“uvre du charbon actif en poudre est simple et nécessite des coûts d’investissement assez faibles. Le CAP est introduit directement sous forme de suspension dans l’effluent à traiter. Le CAP est ajouté continuellement avec l’eau à traiter avec des agents floculants. Il est recommandé d’utiliser des clarificateurs pour augmenter le temps de contact entre le charbon et l’eau. Il est aussi utilisé lors du traitement des fumées et des gaz, avec ou sans chaux.

Avantages : Le charbon actif en poudre est 2 à 3 fois moins cher que le charbon en grain. Des quantités supplémentaires peuvent être rajoutées en cas de pollution accidentelle ou temporaire et compléter une chaîne d’affinage plus élaborée placée en aval. L’adsorption est rapide dans la mesure où une grande partie de la surface de contact est directement disponible. Lors d’un traitement de l’eau par ozonation, la dose d’ozone nécessaire est alors réduite. La principale conséquence est que la diminution du nombre de sous-produits d’ozonation.

Inconvénients : Son utilisation en continu et à des taux importants (> 20 g.m^-3) peut entraîner des coûts d’exploitation élevés. De plus, dans le cas du traitement des eaux, le charbon actif en poudre est éliminé dans les décanteurs avec le floc et les autres matières en suspension : par conséquent, il ne peut pas être récupéré et réutilisé après régénération. On parle de traitement en charbon perdu. Certains dispositifs utilisent un filtre-presse qui permet de palier à ce problème.

Charbon actif en grain (CAG) : Le charbon actif en grain ou en granulé CAG est formé de particules de 0,5 à 10 mm. Les caractéristiques physiques des granulés de charbon actifs varient considérablement selon les produits. Les granulés utilisés pour le traitement des gaz proviennent essentiellement d’une activation physique.

La mise en œuvre utilisée est sous forme de lits ou de colonnes ou de cartouches parcourus par le fluide à traiter. Ses propriétés filtrantes (type filtres à sable) et adsorbantes sont mises à profit aussi bien pour des applications en phase liquide qu’en phase gazeuse.

Charbon actif extrudé : Il est fabriqué différemment des charbons actifs en grain ou en poudre, c’est-à-dire que la matière première carbonée est finement broyée puis soumise à une oxydation partielle sous air. Un liant est ajouté à cette poudre afin d’obtenir une pâte qui par un dispositif d’extrusion produit des extrudés cylindriques de diamètre et longueur déterminés (0,8 à 5 mm de diamètre jusqu’à 10 mm de longueur). Ces extrudés sont ensuite carbonisés à 900°C dans un four rotatif puis activés sous flux gazeux. Ces matériaux sont surtout employés pour les applications en phase gazeuse.

Tissus ou feutres de carbone activé : De nouveaux matériaux adsorbants d’une présentation originale, à savoir des tissus ou des feutres de carbone activé, ont fait leur apparition récemment. En outre, les tissus de carbone activé sont des adsorbants récents qui présentent un potentiel intéressant pour l’élimination de polluants en phase aqueuse et gazeuse (cinétiques d’adsorption 2 à 20 fois plus rapides que celles d’un charbon actif en grains pour l’élimination de micropolluants organiques ; capacités d’adsorption élevées). L’un des avantages des fibres de carbone activé par rapport aux grains de charbon actif est l’accès direct des molécules adsorbables aux micropores exposés ouvertement sur leur surface.

Par exemple, ils sont utilisés sous forme de cylindre de feutre plissé pour protéger des ambiances spécifiques (voiture, habitation) de nuisances olfactives externes. Des essais ont prouvé l’efficacité de l’adsorption sur tissu de charbon actif pour la récupération ou la concentration de composés polymérisables tel que le styrène. La mise en Å“uvre de ce matériau sous forme de tissu permet d’utiliser sa conductibilité pour une désorption par effet Joule : la mise sous tension du tissu génère un courant électrique qui chauffe les toiles de charbon actif. La désorption se fait sous flux d’air ou de gaz inerte suivant la nature du composé à désorber. Les fibres de carbone activé sont réalisées à partir de précurseurs fibreux naturels (coton, cellulose) ou synthétiques (brai, viscose, polyacrylonitrile, polyacrylamide, polyacrylamine). Elles sont obtenues par carbonisation et activation de ces substances carbonées. A ces étapes, on peut rajouter une imprégnation pré- ou post- activation de la fibre par différents agents chimiques. Des phases de pré- ou post- oxydation visant à améliorer les propriétés catalytiques et d’adsorption peuvent s’ajouter au mode de synthèse. Les fibres peuvent ensuite être tissées pour former des feutres, des toiles, des tissus…

Charbons actifs imprégnés : Le charbon actif peut également être imprégné d’un réactif afin d’optimiser ses capacités d’adsorption pour certaines molécules. Ainsi, la suppression de certaines impuretés d’un gaz est facilitée grâce à ce type de matériau, alors qu’elle aurait été impossible sur un adsorbant carboné classique. Les propriétés d’oxydation catalytique de composés organiques ou inorganiques des charbons actifs sont amplifiées par imprégnation d’iodure de potassium (élimination de sulfure d’hydrogène, mercaptans), de soufre (élimination du mercure), d’acide phosphorique (élimination d’ammoniac)… Les applications des charbons actifs imprégnés portent sur la purification de gaz, la protection civile et militaire contre les gaz nocifs, la catalyse… L’utilisation de charbon actif imprégné met en Å“uvre un procédé de transfert de la molécule à éliminer et une réaction chimique.

Ces charbons actifs imprégnés sont fabriqués de plusieurs façons. Le matériau carboné (poudre, grains, extrudés) peut être trempé ou pulvérisé d’une solution de sels ou d’agents chimiques appropriés dans un four rotatif ou un lit fluidisé. Il est ensuite séché. Pour certains cas, comme les charbons actifs imprégnés d’hydroxydes, de carbonates, de chromates ou de nitrates, le matériau doit être soumis à un traitement thermique (150 à 200°C) afin de décomposer les anions. Les principaux paramètres à maîtriser sont l’homogénéité de la distribution des réactifs chimiques sur la surface interne du charbon actif et l’accès libre aux pores.

Exemples d’applications de charbons actifs imprégnés en fonction des agents chimiques utilisés.

L’imprégnation de ces matériaux poreux permet d’agir d’une manière différente sur les composés à traiter. En effet, il peut se produire une conversion du gaz en un autre composé plus facilement adsorbable ou qui n’est plus dangereux. Une combinaison chimique avec le gaz est aussi possible. Enfin, le produit peut réagir avec l’air (oxydation) ou avec lui-même (polymérisation) pour créer un composé plus aisément adsorbable ou moins dangereux.