Filtration des API dans l'industrie pharmaceutique, élimination des fumées industrielles et filtration des odeurs, purification de l'eau, mais aussi désodorisation et décoloration en agro-alimentaire … Les applications des cartouches filtrantes et modules lenticulaires au charbon actif sont nombreuses.
Le charbon actif, qu'est-ce que c'est ?
Le charbon actif, aussi appelé charbon activé, est constitué essentiellement de matière carbonée à structure poreuse. Il est produit industriellement à partir de matière organique végétale riche en carbone : écorce, pâte de bois, coques de noix de coco ou cacahuètes, noyaux d'olives, ou bien de houille, tourbe, lignite ou encore résidus pétroliers.
Sa fabrication se réalise en deux étapes :
Une phase de pyrolyse, c'est-à-dire de calcination des produits constituants, à forte température. En se volatilisant, les composés autres que le carbone présents dans le matériau laissent des zones vides, qui sont autant de pores dans la matrice carbonée résiduelle.
Une seconde étape d'activation, qui consiste à augmenter le pouvoir adsorbant, en éliminant les goudrons résiduels qui bouchent les pores, grâce à deux procédés d'activation distincts :
- une activation dite « physique », qui est en fait une nouvelle combustion avec choc thermique (900 à 1000 °C), réalisée dans un courant d'air et de vapeur d'eau, injectés sous pression (procédé d'oxydation contrôlée). Cette dernière crée des millions d'alvéoles microscopiques sur la surface du charbon, augmentant ainsi notablement sa surface et son pouvoir d'adsorption. Ce procédé donne un charbon à pores étroits.
- une activation dite « chimique », avec de l'acide phosphorique entre 400 et 500 °C. Ce procédé fabrique un charbon à pores plus larges que le précédent.
Le volume poreux total des charbons actifs est de 0,5 à 1 cm 3/g, soit 50 à 70% en volume.
Conseil de l'expert :
Si le diamètre des pores est fonction du procédé d'activation mis en oeuvre, il dépend également de la taille des pores existant dans la matière première utilisée. Les coques de noix de coco et les bois très denses donnent ainsi des micro-pores (< 2 nm), les bois moyens à blanc des mésopores (entre 2 et 50 nm) ou des macropores (> 50 nm).
Des propriétés adsorbantes remarquables
Le charbon actif est capable de retenir très efficacement les impuretés (notamment les molécules colorées ou odorantes) présentes dans les gaz ou les liquides. Sa grande surface active lui confère en effet un très fort pouvoir adsorbant. Le charbon actif peut être utilisé pour enlever nombre de composants, comme les phénols, les hydrocarbures saturés, les pesticides, les métaux lourds, les agents tensio-actifs...
Le principe de l'adsorption repose sur l'accumulation à la surface ou à l'intérieur du charbon (dans les pores) des molécules contenues dans le fluide à traiter. Ceci est possible grâce aux interactions physico-chimiques entre la surface du charbon et les impuretés à adsorber. Les molécules qui le traversent s'y fixent par des liaisons dites « faibles » (forces de Van der Waals, liaisons hydrogène).
Le traitement au charbon actif est donc efficace pour enlever la matière organique, particulièrement quand sa charge moléculaire est importante et sa polarité faible.
Un charbon actif se caractérise par :
- Sa surface spécifique, qui correspond à la surface des pores, essentiellement celles des micro et mésopores. Le volume poreux étant important, cette dernière est considérable : de 500 à 1500 m²/g. La capacité d’adsorption est proportionnelle à cette surface.
- La taille de ses grains : Cette dernière conditionne la vitesse d'adsorption du matériau (plus le grain est petit, plus le transfert des impuretés vers son centre est rapide) et la perte de charge du fluide qui traverse le charbon actif
- Sa résistance au tassement, à la friction et aux vibrations, qui surviennent notamment pendant la phase de lavage du filtre au charbon actif.
- Sa densité : Plus le charbon est activé, plus il est léger. Sa densité reflète donc son niveau d’activation et conditionne son efficacité à filtrer les impuretés.
- Sa teneur en cendres : Plus elle et faible, plus le charbon sera efficace.
- Son indice d’iode : La performance du charbon actif est en effet quantifiée par sa capacité d'adsorption de l'iode, utilisé comme substance de référence. L'indice d'iode indique l'aire de surface disponible, en m2/g de charbon vierge. Il est utilisé comme paramètre pour contrôler la qualité du charbon produit ou réactivé.
Conseil de l'expert :
L'indice d'iode fournit une indication intéressante sur la qualité du charbon étudié. Il doit néanmoins être nuancé, car il ne reflète pas strictement la capacité du charbon à adsorber d'autres substances.
Si le niveau d'adsorption dépend des caractéristiques du charbon, il varie également avec la concentration et la polarité des polluants à traiter et la température.
Du charbon actif pour quels usages ?
Les filtres à charbon actif sont utilisés pour purifier des gaz et capter des odeurs, des fumées, les composés organiques volatils (COV), des petites particules, certaines bactéries et des éléments allergènes. Ils sont mis en place dans certaines installations de ventilation en circuit fermé.
Ils sont également très utilisés dans les systèmes de filtration des liquides et de purification de l’eau : ils permettent d’améliorer le goût de l’eau, de neutraliser les mauvaises odeurs, de diminuer considérablement le taux de chlore et de retenir les divers éléments chimiques potentiellement dangereux pour la santé humaine (plomb, pesticides …).
En pétrochimie, le charbon actif est utilisé pour la purification de produits (chimiques, organiques et minéraux…), la désulfuration du gaz naturel et des hydrocarbures.
Dans l'industrie pharmaceutique, des filtres en charbon actif sont mis en oeuvre dans les chaînes de production des API. Ils permettent de purifier et décolorer les produits synthétisés en éliminant les impuretés colorées produites dans le réacteur au cours de la synthèse des principes actifs pharmaceutiques.
Pour en savoir plus sur la filtration des API au charbon actif
Dans le secteur agro-alimentaire, le charbon actif a de multiples applications :
- Décoloration et purification des sirops de sucre et de glucose, des acides (citrique, tartrique et lactique), des huiles de table, des arômes alimentaires ...
- Correction de la teinte et du goût des distillats
- Ajustement de la couleur dans la préparation des jus de fruits, de la bière et des autres alcools
- Décoloration et désodorisation de la gélatine
Des filtres à charbon actif sont également mis en oeuvre pour arrondir la saveur et réduire l’astringence de certaines boissons.
Pour les applications de décoloration, la taille des particules de charbon actif conditionne le temps de décoloration.
La température et le pH auxquels s'opère la décoloration doivent également être ajustés en fonction de la nature du produit à traiter. L'effet de décoloration du charbon actif est généralement maximal dans l'eau, et les solvants polaires. Il est revanche beaucoup plus faible dans les solvants non polaires.
Conseil de l'expert :
Sur certaines chaînes de production, attention également à la température des solutions à filtrer. Pour être efficace, la filtration au charbon actif ne doit être réalisée qu'après dissolution complète des matériaux solides à purifier. Des impuretés colorées, dissoutes dans le solvant lorsqu'il est chaud, peuvent précipiter à plus basse température et se retrouver piégées dans le matériau, rendant impossible sa décoloration.
Retrouver notre cas client d'utilisation de filtre au charbon en agroalimentaire
Module lenticulaires et cartouches : des formes adaptées aux usages industriels
Si le charbon actif peut être ajouté directement dans un réacteur avant d'être filtré, il est également largement utilisé comme média (sous forme de fibres ou de granules) dans de nombreux systèmes de filtration. On l'utilise alors dans des cartouches filtrantes, des modules lenticulaires ou des plaques filtrantes.
Recourir à ce type de conditionnements plutôt que du charbon actif libre présente de nombreux avantages dont celui de s’affranchir d’une étape fastidieuse de filtration (pour la récupération du charbon actif après adsorption). Ces alternatives permettent d'éviter la manipulation de charbon pulvérulent et la filtration qui suit pour le récupérer au sein du réacteur. Plus compacts, propres et aisés à manipuler que du charbon libre, ces dispositifs sont aussi plus économiques.
Les modules lenticulaires et plaques au charbon actif sont composés de fibres de cellulose et de charbon actif en poudre. Ils comportent également des agents de résistance à l'humidité, comme du polyamidoamine. Il assurent une filtration en profondeur.
Pour en savoir plus sur les plaques filtrantes
Pour en savoir plus sur les modules lenticulaires
Conseil de l'expert :
Pour une bonne efficacité de filtration, il est recommandé de choisir des modules à haute teneur en charbon actif, de l'ordre de 60 %.
