Le charbon est la mati\u00e8re premi\u00e8re la plus abondante et la plus largement utilis\u00e9e pour la production de charbon actif \u00e0 l'\u00e9chelle mondiale ; il repr\u00e9sente environ 40 % de la production mondiale et constitue la pierre angulaire des syst\u00e8mes de traitement des eaux municipales, de gestion des eaux us\u00e9es industrielles et de contr\u00f4le de la pollution atmosph\u00e9rique sur tous les continents. Le march\u00e9 mondial du charbon actif \u00e0 base de charbon \u00e9tait \u00e9valu\u00e9 \u00e0 4,60 milliards de dollars en 2024 et devrait atteindre 7,26 milliards de dollars d\u2019ici 2033, avec un taux de croissance annuel compos\u00e9 de 5,2 %. Si les charbons issus de la coque de noix de coco, du bois et du bambou occupent chacun des niches sp\u00e9cifiques, le charbon actif \u00e0 base de charbon reste le leader en termes de volume gr\u00e2ce \u00e0 une combinaison in\u00e9gal\u00e9e de performances polyvalentes, d\u2019un approvisionnement fiable \u00e0 tr\u00e8s grande \u00e9chelle et du prix le plus comp\u00e9titif parmi tous les principaux types de charbon actif.<\/p>\n\n\n\n
Le r\u00f4le central de ce mat\u00e9riau dans les infrastructures modernes n\u2019est pas toujours visible, mais il est omnipr\u00e9sent. Chaque verre d\u2019eau du robinet, de Shanghai \u00e0 Chicago, passe par des r\u00e9acteurs \u00e0 charbon actif granulaire d\u00e9riv\u00e9 du charbon de houille qui \u00e9liminent les compos\u00e9s responsables du go\u00fbt et de l\u2019odeur, les pr\u00e9curseurs de sous-produits de d\u00e9sinfection et, de plus en plus, les substances perfluoroalkyl\u00e9es et polyfluoroalkyl\u00e9es, ces micropolluants persistants d\u00e9sormais soumis \u00e0 des limites r\u00e9glementaires strictes. Chaque installation industrielle rejetant des eaux us\u00e9es trait\u00e9es s'appuie sur l'adsorption sur charbon comme \u00e9tape finale de purification. Les r\u00e9serves g\u00e9ologiques abondantes de charbon, concentr\u00e9es dans des r\u00e9gions mini\u00e8res bien caract\u00e9ris\u00e9es en Chine, aux \u00c9tats-Unis et dans d\u2019autres grands pays producteurs de charbon, garantissent une s\u00e9curit\u00e9 d\u2019approvisionnement qui fait du charbon le choix par d\u00e9faut pour les applications de purification \u00e0 haut d\u00e9bit et critiques, o\u00f9 des millions de tonnes m\u00e9triques d\u2019adsorbant sont consomm\u00e9es chaque ann\u00e9e.<\/p>\n\n\n\n
Le charbon actif \u00e0 base de charbon est un adsorbant carbon\u00e9 hautement poreux fabriqu\u00e9 \u00e0 partir de charbon bitumineux ou d'anthracite selon un proc\u00e9d\u00e9 thermochimique en deux \u00e9tapes consistant en une carbonisation \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 600 et 900 \u00b0C dans un environnement exempt d'oxyg\u00e8ne afin d'\u00e9liminer les compos\u00e9s volatils et de former un squelette carbon\u00e9 pr\u00e9sentant une porosit\u00e9 rudimentaire, suivie d\u2019une activation physique \u00e0 l\u2019aide de vapeur \u00e0 haute temp\u00e9rature (entre 900 et 1 100 \u00b0C) qui grave s\u00e9lectivement la matrice de carbone afin de d\u00e9velopper un r\u00e9seau poreux interne \u00e9tendu, pr\u00e9sentant des surfaces sp\u00e9cifiques BET comprises entre 800 et 1 200 m\u00b2\/g, des indices d\u2019iode compris entre 800 et 1 100 mg\/g, une duret\u00e9 m\u00e9canique de 80 \u00e0 95 %, une teneur en cendres de 8 \u00e0 18 %, ou de 1 \u00e0 8 % pour les qualit\u00e9s lav\u00e9es \u00e0 l\u2019acide, et une r\u00e9partition \u00e9quilibr\u00e9e entre micropores, m\u00e9sopores et macropores qui offre une capacit\u00e9 d\u2019adsorption \u00e0 large spectre, couvrant les mol\u00e9cules de contaminants de petite \u00e0 grande taille, tant en phase liquide qu\u2019en phase gazeuse.<\/strong><\/p>\n\n\n\n L'article suivant passe en revue toutes les dimensions majeures du charbon actif \u00e0 base de charbon : son processus de fabrication, du charbon brut au produit fini ; ses propri\u00e9t\u00e9s physiques et chimiques qui d\u00e9terminent ses performances sur le terrain ; ses applications dominantes et \u00e9mergentes dans divers secteurs industriels ; sa position concurrentielle par rapport \u00e0 d'autres types de charbon ; et les forces du march\u00e9 qui fa\u00e7onnent son avenir. Chaque section peut \u00eatre lue ind\u00e9pendamment, tout en constituant un ouvrage de r\u00e9f\u00e9rence technique et commercial complet.<\/p>\n\n\n\n Le charbon actif \u00e0 base de charbon est produit par un proc\u00e9d\u00e9 d\u2019activation physique qui commence par la s\u00e9lection et la pr\u00e9paration de charbon bitumineux ou d\u2019anthracite de haute qualit\u00e9, lequel est broy\u00e9, broy\u00e9, puis \u00e9ventuellement transform\u00e9 en briquettes ou en granul\u00e9s extrud\u00e9s \u00e0 l\u2019aide d\u2019un liant, avant d\u2019\u00eatre carbonis\u00e9 dans un four rotatif \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 600 et 900 \u00b0C, dans une atmosph\u00e8re pauvre en oxyg\u00e8ne qui permet d\u2019\u00e9liminer les compos\u00e9s organiques volatils, les goudrons, et l\u2019humidit\u00e9, tout en formant un charbon riche en carbone dot\u00e9 d\u2019un r\u00e9seau poreux embryonnaire, et aboutissant \u00e0 l\u2019activation \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 900 et 1 100 \u00b0C, o\u00f9 de la vapeur surchauff\u00e9e satur\u00e9e est introduite comme agent d\u2019activation, gaz\u00e9ifiant de mani\u00e8re s\u00e9lective les atomes de carbone afin de graver et d\u2019\u00e9largir la structure poreuse interne pour former un r\u00e9seau pleinement d\u00e9velopp\u00e9 de micropores, m\u00e9sopores et macropores. L\u2019ensemble du proc\u00e9d\u00e9 est plus respectueux de l\u2019environnement que les m\u00e9thodes d\u2019activation chimique, car il n\u2019utilise aucun r\u00e9actif corrosif et ne g\u00e9n\u00e8re aucun flux de d\u00e9chets chimiques dangereux.<\/strong><\/p>\n\n\n\n La qualit\u00e9 du charbon de d\u00e9part d\u00e9termine, dans une large mesure, celle du charbon actif fini. Le charbon bitumineux est la mati\u00e8re premi\u00e8re principale ; il est appr\u00e9ci\u00e9 pour sa teneur mod\u00e9r\u00e9e en mati\u00e8res volatiles (20 \u00e0 35 %), sa forte teneur en carbone fixe (45 \u00e0 70 %) et sa structure carbon\u00e9e qui r\u00e9agit bien \u00e0 l'activation \u00e0 la vapeur. Les principaux centres de production des provinces chinoises du Shanxi et du Ningxia extraient du charbon bitumineux sp\u00e9cialement s\u00e9lectionn\u00e9 pour la fabrication de charbon actif. L\u2019anthracite, charbon de la plus haute qualit\u00e9 dont la teneur en carbone fixe d\u00e9passe 86 %, est utilis\u00e9 pour des applications sp\u00e9cialis\u00e9es n\u00e9cessitant une microporosit\u00e9 extr\u00eame et une duret\u00e9 m\u00e9canique \u00e9lev\u00e9e ; cependant, sa faible teneur en mati\u00e8res volatiles le rend plus difficile \u00e0 activer, ce qui n\u00e9cessite des temp\u00e9ratures plus \u00e9lev\u00e9es et des temps d\u2019activation plus longs, augmentant ainsi les co\u00fbts de production.<\/p>\n\n\n\n Le charbon brut subit une s\u00e9rie d'\u00e9tapes de pr\u00e9paration avant la carbonisation<\/a>. Il est broy\u00e9 jusqu\u2019\u00e0 obtenir une granulom\u00e9trie contr\u00f4l\u00e9e, class\u00e9 par tamisage et, dans de nombreuses cha\u00eenes de production, pulv\u00e9ris\u00e9 en une poudre fine puis m\u00e9lang\u00e9 \u00e0 un liant tel que le brai de houille ou l\u2019asphalte de p\u00e9trole. Le m\u00e9lange est malax\u00e9 puis extrud\u00e9 \u00e0 travers des fili\u00e8res pour former des granul\u00e9s cylindriques, ou press\u00e9 en briquettes. Cette \u00e9tape de mise en forme est essentielle pour produire du charbon actif granulaire et extrud\u00e9 dot\u00e9 de la r\u00e9sistance m\u00e9canique n\u00e9cessaire pour supporter le lavage \u00e0 contre-courant dans les syst\u00e8mes de traitement de l\u2019eau et la manutention dans les proc\u00e9d\u00e9s industriels. Les granul\u00e9s form\u00e9s sont durcis et s\u00e9ch\u00e9s avant d\u2019entrer dans le four de carbonisation.<\/p>\n\n\n\n La carbonisation transforme le charbon brut ou les granul\u00e9s de charbon li\u00e9s par un liant en un charbon de bois riche en carbone. Le mat\u00e9riau est introduit dans un four rotatif et chauff\u00e9 \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 600 et 900 \u00b0C dans une atmosph\u00e8re pauvre en oxyg\u00e8ne, g\u00e9n\u00e9ralement maintenue en r\u00e9gulant l\u2019apport d\u2019air dans le four et en tirant parti de la combustion des gaz volatils lib\u00e9r\u00e9s par le charbon. Au cours de cette phase de pyrolyse, les compos\u00e9s volatils, notamment le m\u00e9thane, l\u2019hydrog\u00e8ne, le monoxyde de carbone, les goudrons et les huiles l\u00e9g\u00e8res, sont \u00e9limin\u00e9s, ce qui augmente la teneur en carbone fixe et cr\u00e9e un r\u00e9seau poreux rudimentaire dans le r\u00e9sidu solide. La temp\u00e9rature de carbonisation, la vitesse de chauffage et le temps de s\u00e9jour sont contr\u00f4l\u00e9s avec pr\u00e9cision afin de produire un char pr\u00e9sentant un \u00e9quilibre optimal entre r\u00e9activit\u00e9 et int\u00e9grit\u00e9 structurelle pour l\u2019\u00e9tape d\u2019activation suivante.<\/p>\n\n\n\n Le four de carbonisation fonctionne dans des conditions rigoureusement contr\u00f4l\u00e9es. La temp\u00e9rature de sortie du mat\u00e9riau est maintenue entre 350 et 400 \u00b0C, et le charbon de bois est refroidi \u00e0 une temp\u00e9rature inf\u00e9rieure \u00e0 50 \u00b0C avant d'entrer dans le syst\u00e8me d'activation. La temp\u00e9rature interne du four est maintenue en dessous de 650 \u00b0C dans la zone de carbonisation, et les gaz de combustion sortent \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 800 et 950 \u00b0C ; ils passent ensuite par des d\u00e9poussi\u00e9reurs \u00e0 cyclone, des filtres \u00e0 manches et des syst\u00e8mes de lavage par pulv\u00e9risation avant d'\u00eatre rejet\u00e9s dans l'atmosph\u00e8re, conform\u00e9ment \u00e0 la r\u00e9glementation en mati\u00e8re d'\u00e9missions.<\/p>\n\n\n\n L'activation est l'\u00e9tape d\u00e9terminante du proc\u00e9d\u00e9 qui permet d'obtenir la grande surface sp\u00e9cifique interne responsable de l'adsorption. Dans la production de charbon actif \u00e0 partir de charbon min\u00e9ral, l'activation physique \u00e0 la vapeur est de loin la m\u00e9thode commerciale dominante. Le charbon carbonis\u00e9 est achemin\u00e9 vers un four rotatif d'activation distinct fonctionnant \u00e0 une temp\u00e9rature comprise entre 900 et 1 100 \u00b0C. De la vapeur surchauff\u00e9e satur\u00e9e, \u00e0 une pression d'environ 8 kilogrammes et \u00e0 un d\u00e9bit de 1,5 \u00e0 2,2 tonnes m\u00e9triques par heure, est inject\u00e9e dans le four. Les mol\u00e9cules de vapeur r\u00e9agissent de mani\u00e8re s\u00e9lective avec les atomes de carbone situ\u00e9s \u00e0 des emplacements \u00e9nerg\u00e9tiquement favorables \u00e0 la surface du charbon carbonis\u00e9, creusant ainsi des micropores de moins de 2 nanom\u00e8tres de diam\u00e8tre dans la matrice de carbone et \u00e9largissant les m\u00e9sopores existants de 2 \u00e0 50 nanom\u00e8tres.<\/p>\n\n\n\n La r\u00e9action entre la vapeur et le carbone est endothermique ; la chaleur est fournie par la paroi du four et par la combustion contr\u00f4l\u00e9e d\u2019une partie du carbone et des gaz d\u00e9gag\u00e9s. Le contr\u00f4le pr\u00e9cis du d\u00e9bit de vapeur, de la temp\u00e9rature et du temps de s\u00e9jour d\u00e9termine le degr\u00e9 de calcination, qui varie g\u00e9n\u00e9ralement entre 30 et 60 %, et d\u00e9finit la distribution granulom\u00e9trique des pores obtenue. Des niveaux de combustion plus \u00e9lev\u00e9s permettent g\u00e9n\u00e9ralement d\u2019obtenir une plus grande surface sp\u00e9cifique, mais un rendement plus faible et une duret\u00e9 m\u00e9canique r\u00e9duite. Les param\u00e8tres d\u2019activation sont adapt\u00e9s \u00e0 l\u2019application vis\u00e9e : davantage de micropores pour la purification de l\u2019eau potable, davantage de m\u00e9sopores pour la d\u00e9coloration des eaux us\u00e9es industrielles, et des distributions de pores optimis\u00e9es pour les applications en phase gazeuse.<\/p>\n\n\n\n Le proc\u00e9d\u00e9 d\u2019activation physique \u00e0 la vapeur est consid\u00e9r\u00e9 comme plus respectueux de l\u2019environnement que les alternatives d\u2019activation chimique. Il n\u2019utilise ni acides ni alcalis corrosifs, ne g\u00e9n\u00e8re aucun d\u00e9chet chimique dangereux, et les gaz r\u00e9siduaires, compos\u00e9s principalement de monoxyde de carbone et d\u2019hydrog\u00e8ne, sont br\u00fbl\u00e9s dans un br\u00fbleur secondaire afin de fournir de la chaleur au proc\u00e9d\u00e9, ce qui am\u00e9liore le rendement \u00e9nerg\u00e9tique. Le charbon actif sortant du four est refroidi, tamis\u00e9 pour obtenir la distribution granulom\u00e9trique souhait\u00e9e, puis conditionn\u00e9 en vue de son exp\u00e9dition.<\/p>\n\n\n\n Si l\u2019activation \u00e0 la vapeur domine la production commerciale, l\u2019activation chimique \u00e0 l\u2019aide de r\u00e9actifs tels que l\u2019hydroxyde de potassium ou le chlorure de zinc peut \u00e9galement \u00eatre appliqu\u00e9e au charbon, bien que cette m\u00e9thode soit moins courante. L\u2019activation chimique permet d\u2019obtenir des charbons pr\u00e9sentant une surface sp\u00e9cifique extr\u00eamement \u00e9lev\u00e9e, sup\u00e9rieure \u00e0 2 000 m\u00b2\/g, destin\u00e9s \u00e0 la recherche et \u00e0 des applications sp\u00e9cialis\u00e9es ; toutefois, son co\u00fbt, la corrosion des \u00e9quipements et les exigences en mati\u00e8re de traitement des d\u00e9chets limitent son utilisation commerciale. Une approche hybride physico-chimique est parfois utilis\u00e9e : le charbon est pr\u00e9impr\u00e9gn\u00e9 d\u2019une petite quantit\u00e9 de catalyseur ou d\u2019agent chimique avant l\u2019activation \u00e0 la vapeur, ce qui favorise le d\u00e9veloppement de pores dans des plages de tailles sp\u00e9cifiques.<\/p>\n\n\n\n Le charbon actif \u00e0 base de charbon se caract\u00e9rise par une structure poreuse \u00e9quilibr\u00e9e \u00e0 plusieurs \u00e9chelles, comprenant des micropores inf\u00e9rieurs \u00e0 2 nanom\u00e8tres, des m\u00e9sopores de 2 \u00e0 50 nanom\u00e8tres, et des macropores sup\u00e9rieurs \u00e0 50 nanom\u00e8tres, ce qui lui conf\u00e8re un profil d\u2019adsorption polyvalent capable de capturer des contaminants allant des petites mol\u00e9cules de chlore et de COV aux colorants de taille moyenne et aux compos\u00e9s organiques dissous, avec des surfaces sp\u00e9cifiques BET de qualit\u00e9 commerciale comprises entre 800 et 1 200 m\u00b2\/g, des indices d\u2019iode compris entre 800 et 1 100 mg\/g pour les grades granulaires et pouvant atteindre 1 200 mg\/g pour les grades en granul\u00e9s extrud\u00e9s, une activit\u00e9 vis-\u00e0-vis du t\u00e9trachlorure de carbone comprise entre 50 et 85 %, une duret\u00e9 m\u00e9canique comprise entre 80 et 95 %, ce qui le rend adapt\u00e9 aux lavages \u00e0 contre-courant r\u00e9p\u00e9t\u00e9s et \u00e0 la manipulation dans les syst\u00e8mes industriels, une teneur en cendres comprise entre 8 et 18 % pour les grades standard, pouvant \u00eatre r\u00e9duite \u00e0 1 \u00e0 8 % par lavage acide, une densit\u00e9 apparente comprise entre 0,45 et 0,58 g\/mL, et une excellente stabilit\u00e9 thermique sur une large plage de temp\u00e9ratures de fonctionnement.<\/strong><\/p>\n\n\n\n L'architecture poreuse du charbon actif d\u00e9riv\u00e9 du charbon de houille constitue sa caract\u00e9ristique technique d\u00e9terminante et le fondement de sa r\u00e9putation de charbon actif le plus polyvalent parmi tous les types existants. Contrairement au charbon de coque de noix de coco, qui est en grande majorit\u00e9 microporeux (avec plus de 85 % de son volume poreux constitu\u00e9 de pores inf\u00e9rieurs \u00e0 2 nanom\u00e8tres), et contrairement au charbon de bois, qui est principalement macroporeux et m\u00e9soporeux, le charbon de houille r\u00e9partit son volume poreux sur l'ensemble du spectre des tailles de pores. Cette r\u00e9partition \u00e9quilibr\u00e9e r\u00e9sulte de la nature h\u00e9t\u00e9rog\u00e8ne du charbon lui-m\u00eame, qui contient des zones pr\u00e9sentant des densit\u00e9s, des teneurs en mati\u00e8res volatiles et des inclusions min\u00e9rales diff\u00e9rentes, qui r\u00e9agissent diff\u00e9remment \u00e0 l\u2019activation \u00e0 la vapeur.<\/p>\n\n\n\nComment fabrique-t-on le charbon actif \u00e0 base de charbon ?<\/h2>\n\n\n\n
S\u00e9lection et pr\u00e9paration des mati\u00e8res premi\u00e8res<\/h3>\n\n\n\n
\u00c9tape de carbonisation<\/h3>\n\n\n\n
Activation physique \u00e0 la vapeur<\/h3>\n\n\n\n
Autres m\u00e9thodes d'activation<\/h3>\n\n\n\n
Propri\u00e9t\u00e9s physiques et chimiques<\/h2>\n\n\n\n
La structure poreuse et son importance industrielle<\/h3>\n\n\n\n