Les filtres au charbon actif : purifier par adsorption

Filtration des API dans l'industrie pharmaceutique, élimination par filtration des fumées et filtration des odeurs, purification de l'eau … Les applications des filtres à charbon actif sont nombreuses. Comment prépare-t-on le charbon actif ?  Comment les filtres à charbon actif fonctionnent-ils ? Quels sont les facteurs qui conditionnent l’efficacité de ces filtres ? Notre article pour tout savoir sur le fonctionnement et l'utilisation des filtres à charbon actif.

Le charbon actif, c'est quoi ?

Le charbon actif est un matériau constitué essentiellement de matière carbonée, à structure poreuse. Il est produit en 2 étapes :

• Une carbonisation à haute température (pyrolyse) de matière organique végétale riche en atomes de carbone, comme du bois, des écorces, des coques de noix de coco, des noyaux, de la lignite, de la houille… A l'issue de cette étape, on obtient un matériau amorphe et poreux : les éléments autres que le carbone ont laissé des pores dans la matrice carbonée en se volatilisant.
• Une activation, qui permet d'augmenter son pouvoir absorbant, en éliminant les goudrons qui obstruent les pores.

L'activation peut être réalisée par voie physique. Dans ce cas, on fait subir au matériau une nouvelle combustion, à des températures de l'ordre de 1000 °C, dans un courant d'air et de vapeur d'eau, injectés sous pression (c'est ce qu'on appelle une oxydation contrôlée). Cette opération va créer des millions d'alvéoles microscopiques sur la surface du charbon, en augmentant considérablement sa surface et donc son pouvoir d'adsorption.

L'activation peut également être obtenue par réaction chimique avec de l'acide phosphorique, à température plus basse (400 à 500 °C). A la fin de ce processus, la surface du charbon actif peut atteindre de 400 à 2 000 m²/g.

Le charbon actif, comment ça marche ?

Le charbon actif ainsi fabriqué est capable de retenir très efficacement des gaz ou des liquides. Sa grande surface active lui confère en effet un très fort pouvoir adsorbant. Les molécules qui le traversent se fixent sur cette surface par des liaisons dites « faibles » (forces de Van der Waals,  liaisons hydrogène). 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...

Du charbon actif, oui mais sous quelle forme ?

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 ou des modules lenticulaires, en mode simple passage ou recirculation. Recourir à ce type de conditionnements plutôt que du charbon actif libre présente de nombreux avantages dont celui de s’affranchir d’une étape de filtration (pour la récupération du charbon actif après adsorption), toujours fastidieuse.

Plus compacts, propres et aisés à manipuler que du charbon pulvérulent, ces dispositifs sont aussi plus économiques. Ces éléments filtrants sont munis d'embouts par double joints toriques, qui garantissent une totale étanchéité. Ils sont fabriqués à partir de charbons actifs de haute pureté, comme le Norit grade SX Ultra. De qualité pharmaceutique, ce charbon actif satisfait en outre aux exigences du Food Chemical Codex, ce qui permet par exemple de l'utiliser pour la filtration des API.

Les retours d’expérience confirment que cette solution de traitement est plus compacte, plus propre, plus facile à manipuler et au final plus rentable que le recours à du charbon libre.

Efficaces, les filtres à charbon ?

De nombreux facteurs conditionnent l’efficacité du filtre à charbon actif :

• le matériau initial utilisé pour fabriquer le charbon actif ;
• la dimension et la densité des particules de charbon actif, le filtre étant moins efficace quand le charbon est sous forme de poudre ;
• la surface d’échange entre le charbon et le flux de gaz ou de liquide ;
• le nombre et l'efficacité des pré-filtres mise en place en amont, dans la chaîne de filtration. Ces filtres permettent de limiter l'encrassement du filtre à charbon, mais leur présence ne doit pas trop réduire le débit du fluide ;
• le débit de fluide à travers le filtre ;
• l'état du filtre, et notamment le degré de saturation par adsorption. Si le filtre est saturé, il risque de relarguer des molécules dans le fluide, au lieu de le purifier ;
• le degré d'humidité, en cas de filtration de gaz. En cas de forte humidité, le filtre à charbon actif aura tendance à adsorber en premier les molécules d'eau présentes ;
• la nature chimique des molécules à piéger, qui conditionne la solidité des liaisons qui s'établissent avec le charbon.

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 utilisés dans les système 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 …). Des filtres en charbon actif sont également 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 l'utilisation des filtres à charbon actif dans la production des API