Charbon actif

• Utilisations industrielles : purification, décoloration, désodorisation, dépollution.
  
• Freins à l'utilisation : trop de matières organiques
  
• Coût du charbon actif : 600 à 800 € le m3, ou 50 à 80 % de ce prix pour du régénéré.
  
• Le filtre à charbon actif clôt le processus du traitement de l'eau, en éliminant : pesticides, solvants, benzènes, hydrocarbures, acétones, et autres hydrocarbonés, aussi bien que les métaux.
  
• C'est un procédé d'autant plus intéressant qu'il ne génère pas de sous-produits; par contre il faut veiller éviter sa saturation qui engendrerait le relâchement d'éléments polluants. Les matières organiques sont facteur de saturation, donc à éliminer préalablement par une clarification.
  
• Le charbon actif est produit à partir matières carbonées d'origine végétale ayant subi un traitement thermique appelé "activation".
  • Toutes les matières carbonées peuvent être utilisées, mais différents critères économiques réduisent le choix aux : bitume, tourbe, houille de bois, coque de noix de coco.
  • Un traitement à très haute température lui donne une structure hexagonale, analogue à celle du graphite, permettant l'adsorption des micro-éléments sur les surfaces externe et interne du charbon.
    
• Exemples de charbons et d'utilisations (DESOTEC)
  • GRANULÉ
    Lixiviats DCO, élimination de la couleur et du goût, assainissement de sol, l'eau potable, l'eau de process, déchloration, déozonisation, purification d'aliments, de produits chimiques, de boissons ...
  • EXTRUDÉ
    Purification de l'air, élimination des COV, BTEX, halogènes, solvants, désodorisation, air-conditioning, masques à gaz, récupération de solvants, filtres à cigarettes (goudron, phénols), stockage de fruits (contrôle niveau CO2 ), élimination huiles de gaz, nettoyage du gaz de process (N2, élimination de CO dans le H2, alcool de CO2, sulphure organique de CH4 etc ...).
  • IMPREGNÉ
    Dans le domaine du traitement de l'air ou de gaz, le charbon peut être imprégné par des produits chimiques afin d'améliorer la capacité d'élimination des contaminents.
  • EN POUDRE
    Amélioration du biofloc, incinération (dioxines, mercure, …), catalyseurs, purification des aliments, produits chimiques.
• L'adsorption provient de l'existence, à la surface du solide, de forces non compensées de nature électrostatique (forces de Van der Waals). Il y a partage d'électrons entre les molécules adsorbantes et à adsorber; action rapide et non sélective n'entraînant pas de modifications des cellules adsorbées; processus réversible.
  Parfois, possibilité de forces compensées de nature chimique, mais avec adsorption sélective et irréversible.
  Fonctionne quelle que soit la concentration de polluant. Mais, efficacité optimale quand le produit adsorbable n'est présent qu'à l'état de traces dans un autre produit. Et comme le phénomène est d'autant plus fort que le nombre de molécules à échanger est important, l'intérêt du traitement est surtout pour les molécules grosses et rares, notamment les COV.
  Nota : à ne pas confondre avec l'absorption, qui est le remplissage par capillarité d'un corps poreux.

Pour produire du charbon actif, deux procédés :

• Physique : carbonisation, puis activation (à 800-1000 °C sous atmosphère contrôlée, en présence de dioxyde de carbone et de vapeur d'eau). Rendement 10 à 15 %.
• Chimique, surtout à partir de bois : déshydratation par un agent chimique, carbonisation et activation (à 400-600 °C) simultanées. Rendement 40 %.

Critères de choix du charbon actif :

• Le rapport entre la masse d'adsorbant et la masse adsorbée d'un même composé peut varier de 0,5 à 1,5 (de 1 à 3) selon le charbon utilisé.
• Porosité
  Le diamètre des pores varie en fonction du matériau de base et de la durée du processus d'activation : microspores (Ø < 20 A), mesospores (20-500), macrospores (Ú 500).
  Plus la porosité augmente, plus la densité diminue.
• Dureté et résistance à l'abrasion
  L'abrasion se produit lors du maniement du charbon ou à l'occasion de variations de pression dans les filtres. Elle provoque un effritement des grains, un tassement dans le filtre.
  Dans un processus bien contrôlé, le charbon à base de coques de noix de coco est le plus résistant. En phase liquide, les charbons à base de bois peuvent être aussi résistants.
• Densité
  Les charbons les moins denses sont à base de bois.
• Degré d'activation
  Plus un charbon est activé (temps d'activation), plus il développe une surface spécifique et plus sa capacité d'adsorption est élevée : plus activé en profondeur, plus il a de pores.
• Imprégnation
  L'imprégnation des charbons avec des métaux ou des sels minéraux permet d'obtenir une forte sélectivité, et de doubler l'adsorption physique par une adsorption chimique.
• Poudres, granulés, billes
  Les granulés, pouvant être régénérés, sont utilisés dans des filtres. Les billes peuvent également être régénérais. La poudre peut être récupérée par filtration ou décantation.
• Granulométrie
  Définir la granulométrie en fonction du filtre, de la perte de charge maximale admissible et du temps de contact nécessaire.
• Impuretés
  Les charbons peuvent contenir des impuretés qu'il est possible d'éliminer : cendres, humidité, matières volatiles.

Maintenance, régénération :

• Régulièrement, le carbone (en filtres) est nettoyé par rétrolavage, pour éviter la saturation d'adsorption.
  
• Pour un nettoyage en profondeur, notamment dans le cas de charbon chargé en COV, utiliser la vapeur. Les COV évaporés sont récupérés par condensation. Technique onéreuse.
  
• Les charbons chargés en hydrocarbures peuvent être régénérés thermiquement, à 800-900°C, par des sociétés spécialisées, quand la législation l'autorise, les hydrocarbures étant brûlés. Dans le cas de traitement d'eau, on procède à un lavage à l'eau ou à l'acide, puis à une désorption à chaud.
  Un charbon régénéré est mélangé à du charbon neuf à 10-20 %, procédé du "make-up", afin que ses caractéristiques soient proches de ce qu'elles étaient auparavant. Le nombre de régénérations doit être limité à moins de 5, car le process lui fait perdre de la qualité, il devient notamment friable

Evaporation

Consiste à amener l'eau à ébullition, généralement sous pression. Elle s'évapore et se condense sur les parois de refroiduissement (condensat) tandis que les polluants, dont la température d'ébullition est supérieure, se concentrent (concentrat).
Technique dérivée de l'agro-alimentaire où on transforme par évaporation le lait en poudre.

Divers process.

• Evaporation atmosphérique, par combustion immergée
• Evaporateur à plaques, à flot tombant, à circulation forcée.
• Evaporateur à multiples effets, à thermocompression, sous vide à ruissellement, à compression mécanique de vapeur.
• Evaporateur à flot tombant :
  L'eau se vaporise lors de sa descente le long des parois de tubes verticaux chauffants.
  Evaporateur à multiples effets : la vapeur produite est réutilisée dans le système suivant.
  Compression mécanique de vapeur :
  La vapeur est recomprimée par un compresseur, ce qui élève sa température et permet de la réutiliser dans le système.
• Evaporation sous vide :
  Utilisée pour des effluents que ne s'évaporent qu'à des températures élevées, d'où la nécessité de travailler sous vide pour réduire le point d'ébullition. Le coût des installations est de plusieurs MF.

Filtre à bandes

Pour déshydrater les boues d'épuration, pour filtrer les eaux d'usinages, ...

Récupération électrolytique

Pour récupérer des métaux précieux contenus dans des boues

Stripping

Aération forcée des composés organiques transformés en molécules volatiles dans une tour d'aération, ou une cuve d'aération. L'air chargé est ensuite filtré.

Traitement à la chaux

Utilisé pour réduire la concentration de fluor. Le fluor chargé négativement réagit avec le calcium chargé positivement. Ils forment du fluorure de calcium qui précipite et que l'on peut décanter ou filtrer.