Épuration de l'air
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L'air est un mélange gazeux inodore
L'équilibre de la vie humaine sur notre planète a toujours permis de contrôler les causes naturelles de pollution. Le développement de l'activité humaine s'est accompagné d'une pollution atmosphérique permanente avec des conséquences désastreuses pour l'homme dans un futur proche. Contrôler les émissions de gaz représente une prise de responsabilité et la société doit être sensibilisée sur la nécessité d'en éviter ou d'en limiter la dégradation. Ce n'est qu'en respectant les limites de concentration des polluants que l'on pourra garantir la bonne qualité de l'air et donc la protection de la santé publique.
L'emploi des charbons actifs pour rétablir un équilibre rompu
La technologie de l'adsorption se base sur la propriété du charbon actif de traiter la plupart des Substances Organiques Volatiles (S.O.V). Le charbon actif est utilisé depuis plusieurs années dans le secteur industriel, pour l'amélioration de la qualité de l'air, dans les applications suivantes:
- Élimination/récupération des solvants ou des mélanges de solvants
- Épuration de l'air rejeté par les processus industriels
- Séparation de mélanges de gaz
- Purification de gaz naturels et de gaz de synthèse
- Déshuilage de l'air comprimé
- Désodorisation de l'air résiduaire et des gaz de purge
- Élimination des substances nocives des systèmes de conditionnement de l'air.
L'efficacité du charbon actif dépend de multiples facteurs, comme la température, l'humidité relative, le temps de contact, la vitesse et la distribution de l'air à travers le lit de charbon, la nature et la concentration des substances contaminantes.
Le tableau ci-dessous facilitera l'identification du degré de capacité d'adsorption des différentes substances chimiques sur nos qualités de charbon actif dans la ligne d'air.
La numérotation de 1 à 4 indiquée à côté de chaque substance, a la signification suivante:
1=excellente adsorption, de l'ordre de 30% en poids
2=bonne adsorption, de l'ordre de 15% en poids
3=faible adsorption, normalement inférieure à 5% en poids
4=la substance n'est pas adsorbée en mesure appréciable.
Liste de la capacité d'adsorption de certaines substances en phase gazeuse sur le charbon actif:
| 2-chloroéthanol | 1 | Chloroforme | 1 | Iode | 1 |
| Acide acrylique | 1 | Chloropicrine | 1 | Iodoforme | 1 |
| Acide acétique | 1 | Chlorure d'éthyle | 2 | Isoprène | 2 |
| Acide bromhydrique | 3 | Chlorure de butyle | 1 | Kérosène | 1 |
| Acide butyrique | 1 | Chlorure de méthyle | 3 | Menthol | 1 |
| Acide caprylique | 1 | Chlorure de méthylène | 1 | Mercaptans | 1 |
| Acide chlorhydrique | 3 | Chlorure de propyle | 1 | Monoxyde de carbone | 4 |
| Acide cyanhydrique | 3 | Chlorure de vinyle | 2 | Méthane | 4 |
| Acide fluorhydrique | 3 | Crotonaldéhyde | 1 | Méthyl butyl cétone | 1 |
| Acide formique | 2 | Créosol | 1 | Méthylchloroforme | 1 |
| Acide iodhydrique | 3 | Créosote | 1 | Méthylcyclohexane | 1 |
| Acide lactique | 1 | Cyclohexane | 1 | Méthylcyclohexanone | 1 |
| Acide nitrique | 2 | Cyclohexanol | 1 | Méthylisobutylcétone | 1 |
| Acide palmitique | 1 | Cyclohexanone | 1 | Méthylmercaptan | 1 |
| Acide propionique | 1 | Cyclohexène | 1 | Méthyléthylcétone | 1 |
| Acide sulfurique | 1 | Dichloro-nitro-éthane | 1 | Naphtaline | 1 |
| Acide urique | 1 | Dichlorobenzène | 1 | Nicotine | 1 |
| Acide valérique | 1 | Dichlorodifluorométhane | 2 | Nitrobenzènes | 1 |
| Acroléine | 2 | Dichloromonofluorométhane | 2 | Nitroglycérine | 1 |
| Acrylate d'éthyle | 1 | Dichloropropane | 1 | Nitrométhane | 1 |
| Acrylate de méthyle | 1 | Dichlorotétrafluoroéthane | 2 | Nitropropane | 1 |
| Acrylonitrile | 1 | Dichloroéthane | 1 | Nitrotoluène | 1 |
| Acétaldéhyde | 3 | Dichloroéthylène | 1 | Nitroéthane | 1 |
| Acétate d'amyle | 1 | Diméthylaniline | 1 | Nonane | 1 |
| Acétate d'isopropyle | 1 | Dioxane | 1 | Octane | 1 |
| Acétate d'éther monoéthylique de l'éthylène-glycol | 1 | Dioxyde d'azote | 3 | Odeur de poisson | 1 |
| Acétate d'éther monoéthylique de l'éthylène-glycol | 1 | Dipropylcétone | 1 | Odeurs animales | 2 |
| Acétate d'éthyle | 1 | Diéthylamine | 2 | Odeurs de cuisine | 1 |
| Acétate de butyle | 1 | Diéthylcétone | 1 | Odeurs de décomposition | 1 |
| Acétate de méthyle | 2 | Décane | 1 | Odeurs de médicaments | 1 |
| Acétate de propyle | 1 | Déodorants | 1 | Odeurs de peinture | 1 |
| Acétylène | 4 | Désinfectants | 1 | Oxyde d'éthylène | 1 |
| Adhésifs | 1 | Détergents | 1 | Oxyde de méthyle | 2 |
| Alcool amylique | 1 | Encens | 1 | Ozone | 1 |
| Alcool butylique | 1 | Essence | 1 | Parfums | 1 |
| Alcool isopropylique | 1 | Eucalyptol | 1 | Pentane | 1 |
| Alcool méthylique | 2 | Éthane | 4 | Pentanone | 2 |
| Alcool propylique | 1 | Éther | 2 | Pentène | 1 |
| Aliments aromatiques | 1 | Éther amylique | 1 | Perchloroéthylène | 2 |
| Amines | 3 | Éther butylique | 1 | Phosgène | 2 |
| Ammoniac | 3 | Éther d'éthyle dichloré | 1 | Phénol | 1 |
| Anesthésiques | 2 | Éther isopropylique | 1 | Propane | 1 |
| Anhydride acétique | 1 | Éther monobutylique de l'éthylène-glycol | 1 | Propylmercaptan | 3 |
| Anhydride carbonique | 4 | Éther monométhylique de l'éthylène-glycol | 1 | Propylène | 3 |
| Anhydride sulfureux | 3 | Éther monoéthylique de l'éthylène-glycol | 1 | Putrescine | 1 |
| Anhydride sulfurique | 3 | Éther méthylique | 2 | Pyridine | 1 |
| Aniline | 1 | Éther propylique | 1 | Résines | 1 |
| Antiseptiques | 1 | Éther éthylique | 2 | Styrène | 3 |
| Bactéries | 2 | Éthylamine | 2 | Sulfate de diméthyle | 1 |
| Benzène | 1 | Éthylbenzène | 1 | Sulfure d'hydrogène | 3 |
| Brome | 1 | Éthylmercaptan | 1 | Sulfure de carbone | 1 |
| Bromure d'éthyle | 2 | Éthylène | 4 | Toluidine | 1 |
| Bromure de méthyle | 2 | Formaldéhyde | 3 | Toluène | 1 |
| Butadiène | 2 | Fréon | 2 | Trichlorofluorométhane | 2 |
| Butane | 3 | Fumée de cigarette | 1 | Trichloromonofluorométhane | 2 |
| Butanone | 3 | Gaz corrosifs | 3 | Trichloroéthylène | 1 |
| Butylène | 3 | Heptane | 1 | Tétrachloroéthane | 1 |
| Butyraldéhyde | 2 | Heptène | 1 | Tétrachloroéthylène | 1 |
| Butène | 3 | Hexane | 2 | Tétrachlorure de carbone | 1 |
| Camphre | 1 | Hexylène | 2 | Urée | 1 |
| Carburants liquides | 1 | Huiles essentielles | 1 | Valéraldéhyde | 1 |
| Chlore | 3 | Huiles lubrifiantes et graisses | 1 | Virus | 1 |
| Chloro-nitropropane | 1 | Hydrogène | 4 | Xilène | 2 |
| Chlorobenzène | 1 | Hydrogène sulfuré | 3 | ||
| Chlorobutadiène | 1 | Indole | 1 | ||
Purification des fumées
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Purification des fumées d'incinération
Le charbon actif en poudre est employé pour éliminer les Dioxines, Furanes et Mercure des fumées d'incinération.
Le degré d'adsorption de ces polluants dépend:
- de la matière première pour réaliser le charbon actif
- du degré d'activation du charbon actif
- de certains paramètres physiques du charbon actif
- du système d'utilisation du charbon actif dans l'installation
Les charbons actifs employés dans cette application peuvent être soit d'origine végétale (noix de coco, bois, etc.) soit d'origine minérale (lignite, houille, tourbe, anthracite, etc.).
Le degré d'activation, évalué analytiquement comme la "Surface Active" et "l'Indice d'Iode" sont certainement très importants, car en effet, plus ces valeurs sont élevées, plus la capacité d'adsorption d'un charbon actif sera élevée. Toutefois, il faut aussi considérer que souvent, à cause du temps de contact très court que l'on obtient dans cette application entre les fumées et le charbon actif en poudre, les "Surfaces Activées" élevées (> 600-700 m²/g) ne sont pas entièrement utilisées.
Il ne faut pas non plus sous-évaluer les paramètres physiques comme la répartition granulométrique et le contenu en cendres. Entre ces deux paramètres, la répartition granulométrique est sûrement le plus important, car la capture des Dioxines, des Furanes et du Mercure a lieu par adsorption cinétique, c'est-à-dire que les fumées passent à travers un nuage de poussière de charbon actif injecté dans un réacteur ou dans le conduit de transport des fumées. Bien sûr, plus la poussière de charbon actif est fine et plus le nuage reste compact et en suspension, plus augmente la possibilité de contact avec les particules polluantes. Il est donc conseillé d'utiliser des charbons actifs en poudre ayant une granulométrie moyenne de 20-25 micron et une granulométrie maximum d'environ 100-150 micron.
Des cendres élevées (> 10%) sont déconseillées car elles comportent une réduction de la "Surface Active". S'il est élevé, ce paramètre identifie des charbons actifs régénérés, qui outre à un rendement inférieur, peuvent contenir un taux élevé de substances volatiles (> 5-6%), et donc augmenter la possibilité d'auto-inflammation aux températures élevées (> 150°C). Le dosage moyen d'un charbon actif en poudre peut varier entre 50 et 200 mg/Nm³ de fumées produites ; le bon dosage dépend non seulement de la typologie du charbon actif utilisé mais aussi du système de dosage et surtout des concentrations de polluants en entrée qui devraient toujours être surveillées avant de procéder au choix du charbon actif à utiliser. Enfin, un paramètre dont il faut tenir compte pour le stockage d'un charbon actif en poudre à l'intérieur de silos est la Classe d'explosivité en ST1 selon la méthode VDI2263, qui devrait toujours être déclarée par le producteur/vendeur.
Traitement des eaux
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Le processus d'adsorption trouve de nombreuses applications dans le traitement des eaux et le charbon actif est l'adsorbant le plus couramment utilisé pour l'élimination de nombreux contaminants organiques. La technologie pour son utilisation s'est largement développée au cours des dernières années et essentiellement pour:
Le traitement de potabilisation
- La déchloration
- L'élimination de saveurs et odeurs désagréables
- Adsorber les pesticides et triazines
- L'abattement des hydrocarbures chlorés
- L'adsorption des tensio-actifs
- Affronter des situations de pollution accidentelle
Le traitement des eaux usées
- L'élimination des composés toxiques
- Abaisser la D.C.O. au niveau réglementaire
- Abattre les couleurs et odeurs
- Éviter la formation de mousses
- Favoriser le conditionnement des boues dans les installations de traitement biologique
- Les traitements de déchloration et de déozonisation
- La filtration des eaux de piscines et d'aquariums
En considération d'exigences combinées, dans lesquelles les quantités peuvent varier sensiblement, il est nécessaire d'établir un diagnostic précis pour connaître ce que l'on peut raisonnablement obtenir du charbon actif et par quelle voie on peut parvenir à l'objectif désiré.
Il est bon d'attirer l'attention sur la structure poreuse, car il faut préciser qu'il n'existe aucun charbon actif qui serait constitué exclusivement d'une structure poreuse déterminée. Les différentes matières premières et leur activation thermique ou chimique peuvent seulement orienter la structure poreuse vers la prédominance d'une configuration de porosité plutôt qu'une autre. Les macro, méso et micropores sont présents dans le même charbon et provoquent un phénomène de criblage moléculaire qui peut orienter, non seulement le choix du type de charbon actif, mais aussi le type de processus, en fonction du phénomène de compétitivité existant entre les différentes molécules à adsorber.
Les algues microscopiques et les acides humiques impliquent de préférence les macropores et une fraction des mésopores.
Les substances colorantes et les tanins sont surtout adsorbés par les mésopores.
Pour les détergents, les chlorophénols, les hydrocarbures halogénés, les triazines, etc., la microporosité est déterminante.
Décoloration des liquides alimentaires
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Les aliments et la santé sont depuis toujours au centre des projets de l'homme pour améliorer la qualité de la vie
La décoloration concerne presque exclusivement les industries chimico-pharmaceutiques et agroalimentaires.
Le charbon actif décolorant peut être utilisé dans les applications industrielles suivantes:
- décoloration du vin
- décoloration des jus de fruit
- décoloration et purification du glucose
- décoloration et purification des huiles et graisses
- décoloration et purification de produits chimico-pharmaceutiques
Le charbon actif représente une possibilité pour garantir l'obtention de produits finaux de qualité constante, purs et de haute performance. Ces dernières années, la technologie des charbons actifs a consenti de nombreux progrès, orientés dans deux directions : l'amélioration de la qualité et des technologies d'utilisation plus rationnelles quant à la qualité du charbon.
Il faut rappeler l'importance du choix du degré d'activation du charbon actif, car ce dernier peut avoir un poids non négligeable dans l'économie de dosage, ceci également en raison des coûts dus à la manipulation, à la filtration et à l'élimination de la boue résiduaire.
Lorsque l'on doit utiliser un charbon actif, avant encore d'en évaluer les propriétés adsorbantes, il faut veiller à ce qu'il ne puisse véhiculer des impuretés susceptibles d'interférer avec les produits à traiter.
Ceci concerne les impuretés organiques et minérales qui sont souvent contenues dans les charbons actifs: les premières sont pratiquement nulles, en raison des températures atteintes dans les processus d'activation physique ou chimique; les secondes, dont l'analyse peut montrer la présence, sont essentiellement dues à la matière première utilisée.
Les charbons actifs pour garantir la qualité et la constance du produit final
Détermination du pouvoir décolorant des charbons actifs. Parmi la multitude des méthodes d'essai existantes, nous voulons mettre en relief:
L'indice bleu de méthylène
établit la quantité de solution de bleu de méthylène à 0,15% qui est décolorée par 100 mg de charbon actif (substance sèche) en 5 minutes.
L'indice de mélasse
cet essai est adopté par les producteurs de charbon actif comme méthode standard pour la détermination du pouvoir décolorant.
Principe
La décoloration par des charbons actifs d'une solution de mélasse standardisée donne lieu à une comparaison colorimétrique par rapport à la décoloration d'un charbon standard (mesures d'extinction photoélectrique). Cette méthode permet d'établir le pouvoir décolorant de différents charbons actifs en établissant au cas par cas, dans des conditions qui reflètent la pratique, les quantités qui donnent un même degré de décoloration.
Exécution
Différentes quantités de charbon actif - par exemple 100, 300, 500, 700 mg - sont placées dans des éprouvettes et mélangées à 100 ml de la solution à traiter qui est portée normalement à la température de 80 °C, ou à la température d'exercice réelle. Pour chaque qualité de charbon actif, on prépare environ 1 litre de cette solution et 1 échantillon sans charbon actif lequel, en tant que solution de référence (à savoir l'"échantillon zéro"), est soumis à une séquence d'essais identique, pour les mesures optiques successives. Il est opportun de s'orienter préliminairement, avec des essais préliminaires analogues, sur l'ordre de grandeur du besoin en charbon actif nécessaire pour la réalisation des essais.
Décoloration
Les échantillons sont traités au bain-marie auxdites températures et agités à de courts intervalles. Après environ 30 minutes, l'équilibre de l'adsorption se sera stabilisé.
Filtration
Successivement, on effectue la filtration du charbon actif. Le liquide initial est repassé dans le filtre jusqu'à ce que le filtrat devienne limpide; à l'occurrence, on ajoute des adjuvants de filtration, par exemple de la farine fossile. Le filtrat limpide est refroidi jusqu'à la température ambiante.
Colorimétrie
La comparaison colorimétrique entre la solution de référence et les échantillons plus ou moins décolorés donne une série de mesures.
Le rapport de quantité entre deux charbons actifs permet une comparaison fondée du rapport prix/efficacité, et donc une évaluation de l'économicité des différents types de charbon actif.
Décoloration et purification des huiles et graisses
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Décoloration et purification d'huiles et graisses à l'aide de terres décolorantes activées et de charbon actif
Les huiles et les graisses végétales contiennent des couleurs et des impuretés dérivant des caroténoïdes, de la chlorophylle, de l'oxydation, etc., qui doivent être éliminés pour obtenir l'excellente qualité du produit final. La terre décolorante activée élimine les couleurs non désirées et les autres impuretés telles que savons, phospholipides, traces d'oxydation des métaux, ceci en améliorant l'aspect et la saveur du produit final. Le charbon actif a au contraire une double fonction : outre à éliminer une partie des couleurs non désirées, il est capable d'adsorber les Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques (IPA).
Carbonitalia commercialise les terres décolorantes activées dans la zone méditerranéenne. La terre décolorante activée est obtenue à partir de la Bentonite et de la Montmorillonite. Carbonitalia garantit une attention particulière pendant le processus de production de manière à assurer un produit final de qualité constante. Ceci comprend le processus d'activation par acide sulfurique, ainsi que les lavage, séchage et contrôle de la granulométrie. Les terres activées produites ont une importante Surface Active et une porosité élevée pour obtenir une bonne décoloration et une bonne vitesse de filtration pour la plupart des huiles et graisses.
Les terres décolorantes Carbonitalia ont été développées de manière à fournir au client de hautes performances, et donc un dosage plus bas. Carbonitalia propose une grande variété de terres décolorantes sur le marché avec différentes activités et répartitions granulométriques pour répondre aux différents systèmes de filtration et minimiser la rétention d'huile dans les terres résiduaires.
Carbonitalia fournit également des terres activées de différents degrés d'acidité, de manière à obtenir une plus faible acidité résiduelle du produit final, lorsque les acides gras libres doivent être réduits, et une plus haute acidité résiduelle pour les applications exigeant des propriétés catalytiques fournies par la surface acide.
La terre décolorante peut être fournie dans différents types d'emballages: sacs sur palette, big-bags sur palette ou en vrac sur camions citernes.
Dans l'établissement Carbonitalia à La Spezia, la terre décolorante peut être mélangée à du charbon actif en poudre de haute activité, spécialement étudié pour éliminer les Hydrocarbures Polycycliques Aromatiques des huiles alimentaires. La terre décolorante et le charbon actif peuvent être mélangés selon différents pourcentages, comme exigé par le client, en obtenant un produit final homogène.
Catalyse et chimisorption
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Le charbon actif catalyse directement certaines réactions. En effet, pour cette utilisation, la porosité et la surface spécifique sont des facteurs essentiels qui peuvent être sélectionnés en fonction de la réaction à catalyser. On peut également adapter le charbon actif, en poudre ou en grains, au type de réacteur où aura lieu la catalyse, selon le système d'emploi prévu (lit fixe, mobile, fluide).
Le pouvoir catalytique s'exerce dans un grand nombre de réactions d'isomérisation, de polymérisation, d'oxydation et d'halogénation. Le charbon actif est également utilisé comme support de catalyse en raison de sa grande surface. Son inertie chimique et sa résistance aux températures élevées augmentent ultérieurement l'intérêt pour cet emploi particulier.
Imprégné de métaux, d'oxydes ou de différents sels métalliques, il devient un catalyseur qui ne s'agglomère pas et qui s'oppose à une volatilisation trop rapide de l'imprégnant. Dans certains cas, il agit comme promoteur, en augmentant la vitesse de réaction, et permet de travailler, si nécessaire, à des températures inférieures.
Le développement des processus catalytiques dans l'industrie chimique accroît l'intérêt des charbons actifs dans ce domaine d'application.
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