Matériaux filtrants

Charbons Actifs

À première vue, les charbons actifs semblent tous pareils. Ils dérivent tous du même élément, le carbone, et il sont tous utilisés pour leur capacité d'absorption et d'élimination de substances indésirables contenues dans les gaz et les liquides. En réalité, certains charbons actifs exercent une meilleure action que d'autres, en fonction du type d'application. La raison peut être due à de multiples facteurs, mais la compétence technique des personnes impliquées dans l'optimisation d'un processus joue assurément un rôle déterminant.

Notre principal objectif a toujours été celui de trouver, parmi les différentes catégories de charbons, la qualité la plus adaptée pour chaque application spécifique, ceci en expérimentant les produits en poudre ou en grains, activés physiquement ou chimiquement, et en en vérifiant l'effet sur le résultat final. L'expérience que nous avons acquise, en aidant nos clients à trouver les meilleures solutions, a été elle aussi déterminante. Nous pouvons affirmer de posséder des capacités indiscutables pour résoudre tout problème d'adsorption.

Plus la capacité d'adsorption est forte, meilleure est la qualité du produit

• Macropores: de diamètre supérieur à 500 Angstroms. Ils représentent généralement la surface inutilisable et interviennent peu sur les phénomènes d'adsorption.
• Mésopores: également appelés pores de transition, leur diamètre est compris entre 30 et 500 Angstroms. Ils constituent les principales voies d'accès et ont un rôle déterminant dans la cinétique d'adsorption.
• Micropores: de diamètre compris entre 5 et 30 Angstroms. Ils constituent la partie active, c'est-à-dire l'essentiel de la surface spécifique.

L'adsorption, phénomène par lequel les molécules d'une phase fluide (liquide ou gazeuse) sont fixées à la surface d'un solide, est la conséquence de forces d'attraction. Les forces qui provoquent la fixation des molécules sur la surface du charbon sont relativement faibles. Ces forces sont du type "liaisons de Van Der Waals" et créent, après un temps déterminé, un état d'équilibre qui dépend de la température et de la composition des molécules dans la phase fluide. Partant, on peut définir "isotherme d'adsorption" la courbe qui représente, à température constante, la quantité de substances adsorbées sur le charbon en fonction de la concentration des molécules libres présentes dans le fluide qui est au contact du matériau adsorbant.

Charbons activés physiquement

L'activation physique est généralement utilisée pour l'activation du charbon minéral, du bois et de la coque des noix de coco, lesquels sont tout d'abord carbonisés. L'activation est effectuée à environ 800°C - 1000°C sous une atmosphère contrôlée et en présence de vapeur. Ceci permet de brûler le gaz qui se libère sans brûler le charbon.

On obtient des charbons actifs, principalement à mésopores et micropores, parfaits pour l'élimination des polluants, soit en phase liquide que gazeuse.

Charbons activés chimiquement

L'activation chimique est un processus mono-stade qui donne lieu à une décomposition thermique de la matière première sans pré-carbonisation Elle est réalisée à des températures de 500-600°C, en présence d'un agent déshydratant et oxydant comme l'acide phosphorique ou le chlorure de zinc.

Le diamètre moyen des pores des charbons activés chimiquement est supérieur à celui des charbons activés physiquement, une caractéristique fondamentale dans les processus de décoloration où les molécules à adsorber sont de grosse taille.

Contrôle de la qualité des charbons

Les charbons actifs sont des produits complexes et il n'est pas facile d'en définir simplement l'ensemble des propriétés. Les déterminations analytiques sont divisées en trois groupes:

Caractéristiques morphologiques

Granulométrie: mesure de la dimension des grains et de leur répartition granulométrique, à travers des méthodes classiques de criblage par voie humide ou mécanique, ou par des méthodes modernes au laser.

Masse volumétrique: mesure de la masse d'une unité de volume en conditions standard. Elle ne dépend pas uniquement de la qualité du charbon : elle varie en fonction de la granulométrie, de la structuration et de la compacité des grains.

Porosité: mesure de la surface spécifique du charbon et de la répartition des pores en fonction de leur diamètre.

Caractéristiques chimico-physiques

Humidité: mesure de la perte de poids par séchage dans une étuve lorsque l'eau est le seul composé volatil présent. En cas contraire, on utilise une méthode par distillation au xylène.

Cendres: mesure des substances résiduelles inorganiques après calcination du charbon (cendres totales) et mesure de celles qui sont solubilisées par des traitements acides (cendres solubles).

PH: mesure du pH de l'eau traitée avec le charbon en conditions standard. Il dépend du système d'activation et de la nature chimique des radicaux existant sur sa surface.

Les propriétés adsorbantes sont représentées par des indices qui expriment le pouvoir adsorbant des charbons vis-à-vis de molécules de différentes tailles. Il existe une corrélation entre ces indices et la structure poreuse du charbon.

Indice de Mélasse: représente le contenu en mésopores de la structure du charbon. En effet, la coloration de la mélasse dérive de molécules de taille variant de 30 à 100 Angstroms environ. Le résultat de cette mesure est utilisé dans différentes applications typiques des charbons actifs, en particulier dans les processus de décoloration des produits de base de l'industrie chimico-pharmaceutique.

Indice d'Iode: indice de microporosité. Taille variant entre 5 et 15 Angstroms. La molécule d'iode étant de petite taille, elle est accessible à toute la porosité du charbon. Ce test donne ainsi une indication de la surface spécifique totale du charbon à condition qu'aucun corps susceptible de réagir avec l'iode ne soit présent.

L'ensemble des déterminations analytiques sont des indications fragmentaires qu'il faut interpréter avec précaution. Seule l'isotherme d'adsorption montre la qualité d'un charbon actif dans une application spécifique.

Isotherme d'adsorption

Il existe un bon nombre de lois empiriques qui permettent de représenter le phénomène de l'adsorption. Dans le cas d'adsorption en phase liquide, le rapport entre quantités adsorbées et doses de charbon utilisé est défini par l'isotherme de Freundlich, qui sur un diagramme à échelle logarithmique représente l'équation d'une droite dont la pente est 1/n.

Terres décolorantes

Comme leur nom l'indique, les terres décolorantes sont principalement utilisées pour l'élimination de substances chromophores ; toutefois, ceci n'exclut pas leur emploi dans d'autres applications, là où les caractéristiques de ce média filtrant sont optimales pour la résolution de certains problèmes, comme par exemple pour la purification des graisses animales.

Les terres décolorantes, comme les charbons actifs, sont divisées en:

• terres décolorantes activées chimiquement
• terres décolorantes activées physiquement

en fonction du processus d'activation auxquelles elles sont soumises.

Les terres décolorantes activées chimiquement présentent d'habitude un pH moyen de 2-3, tandis que les terres activées physiquement ont un pH nettement plus alcalin, normalement supérieur à 7.

L'attapulgite, la montmorillonite, la sépiolite et la clinoptilolite sont les substances les plus courantes dont sont constituées les terres décolorantes, individuellement ou en combinaison entre elles; les argiles de départ contiennent surtout de la silice et de l'alumine et peuvent présenter des traces de fer, magnésium, calcium et potassium. Les dépôts d'argile ont un aspect similaire à celui du sol et peuvent avoir des gradations de couleur allant du cuir au marron clair jusqu'au jaune ou au blanc pur.

Méthodes d'activation

Malgré leurs caractéristiques adsorbantes déjà très bonnes, ces argiles subissent des traitements particuliers pour augmenter ces caractéristiques de base.

Activation chimique

Le processus d'activation par acide sulfurique ou par acide chlorhydrique permet l'élimination de plusieurs ions, en libérant les sites actifs d'adsorption des impuretés ; les différents types d'ions (Ca, Mg, Fe, K) sont dispersés de manière homogène dans la matrice argileuse Si-Al.

Les terres activées par acide sont en mesure d'éliminer la chlorophylle, les caroténoïdes et d'autres composés comme le phosphore ou les composés issus de l'oxydation des huiles alimentaires et minérales et des graisses.

Activation physique

Le processus d'activation physique a lieu en plaçant l'argile dans un four rotatif à des températures élevées allant jusqu'à environ 600°C de manière à libérer la structure poreuse, déjà intrinsèque, du matériau. L'attapulgite et la sépiolite sont les argiles les plus indiquées pour ce type de processus.

La terre activée physiquement est elle aussi en mesure d'éliminer la chlorophylle, les caroténoïdes et d'autres composés comme le phosphore ou les composés issus de l'oxydation des huiles alimentaires et minérales et des graisses.

Granulométrie

Un paramètre fondamental des terres décolorantes, tant acides que basiques, est la répartition granulométrique. En effet, outre à devoir posséder une haute capacité d'élimination des substances chromophores (chlorophylle, caroténoïdes, etc.), elles doivent posséder une granulométrie telle à ne pas être un paramètre limitant pendant le processus de filtration.

Des broyages particuliers permettent d'obtenir différentes répartitions granulométriques selon les besoins du marché: en effet, il existe des terres décolorantes qui permettent de travailler à une vitesse de filtration supérieure.

Terres diatomées

Les terres diatomées, également connues comme farines fossiles, sont un dérivé de la fossilisation des restes de diatomées, une espèce de protistes caractérisés par un exosquelette composé de silice qui vivent dans les lacs salés ou dans les océans.

On trouve surtout des dépôts de diatomées fossilisées dans d'anciens lacs salés, aujourd'hui asséchés, présents notamment dans les zones géographiques d'où sont extraites les matières premières utilisées pour la production des farines fossiles.

Les terres diatomées sont parfaites pour être employées comme adjuvants de filtration pour l'élimination de la composante solide en suspension dans les liquides. Leur grande versatilité en permet l'emploi dans de multiples applications qui vont de la purification et du traitement des eaux à la filtration de liquides alimentaires, jusqu'aux applications dans l'industrie chimique et pharmaceutique.

Elles sont divisées en trois familles, selon le degré d'usinage nécessaire à leur production:

• Naturelles (de couleur ocre) parfaites pour être employées dans l'industrie zootechnique et pour la filtration de liquides alimentaires (Bière, Vin, Huile, Sucres, etc.);
• Calcinées (de couleur rose) largement utilisées pour la filtration de liquides alimentaires (Bière, Vin, Huile, Sucres, etc.), pour les produits de l'industrie chimique (acides citriques, phosphoriques, etc.), et de l'industrie des huiles minérales (lubrifiants et additifs);
• Calcinées sous flux (de couleur blanche) employées pour la filtration de liquides alimentaires (Bière, Vin, Huile, Sucres, etc.), pour les produits de l'industrie chimique (acides citriques, phosphoriques, etc.), de l'industrie des huiles minérales (lubrifiants et additifs), pharmaceutique (alginates, antibiotiques) et médicale (sang et plasma).