Charbon actif pour une purification complète de l'air et de l'eau

Fonctionnement du charbon actif : la science de l'adsorption

La science de l'adsorption dans le charbon actif pour la purification de l'air et de l'eau

Le charbon actif est très efficace pour purifier à la fois l'air et l'eau, car il utilise un phénomène appelé adsorption. Cela se produit lorsque les substances nuisibles s'attachent aux minuscules pores présents dans la structure du carbone. À ne pas confondre avec l'absorption, où les substances pénètrent réellement dans le matériau, l'adsorption retient les polluants directement à la surface du charbon actif. La surface totale peut devenir impressionnante, atteignant parfois plus de 1000 mètres carrés pour un seul gramme de carbone. Pour vous donner une idée, environ 3 à 4 grammes suffiraient pour couvrir autant d'espace qu'un terrain de football entier ! Grâce à cette vaste surface, le charbon actif capture efficacement toutes sortes de substances nocives telles que les COV, les résidus de chlore provenant du traitement de l'eau et les odeurs désagréables.

Physisorption vs. Chimisorption : Mécanismes d'élimination des contaminants

Les contaminants s'attachent selon deux mécanismes principaux :

• Physisorption : Résultant de faibles forces de Van der Waals, ce processus réversible attire les molécules non polaires telles que le benzène ou le méthane. Il prédomine dans des applications telles que le contrôle des odeurs.
• Chémisorption : Implique une liaison covalente forte avec des composés polaires comme le chlore ou le sulfure d'hydrogène. Cette réaction irréversible modifie chimiquement les polluants et joue un rôle essentiel dans la désinfection lors du traitement de l'eau.

Rôle de la structure des pores et de la surface spécifique dans l'efficacité de la filtration

L'efficacité du charbon actif dépend de sa hiérarchie des pores , qui détermine quels types de contaminants il peut capturer :

Une analyse des matériaux effectuée en 2023 a révélé que le carbone à base de charbon contient 20 % de micropores de plus que les variantes à base de noix de coco, ce qui améliore l'adsorption en phase gazeuse dans les filtres à air. Toutefois, les macropores sont essentiels pour maintenir les débits et minimiser les chutes de pression dans les systèmes liquides.

Procédé d'activation et sources des matériaux : coquille de coco contre carbone à base de charbon

Lorsqu'elle est activée par la vapeur, la carbonisation d'enveloppe de coco crée ces micropores qui filtrent très efficacement les vapeurs. Le charbon actif à base de charbon tend cependant à suivre une voie différente. La plupart du temps, on le traite à l'acide phosphorique, ce qui lui confère des pores plus gros, plus adaptés à l'épuration des liquides. Le charbon de coco obtient généralement de meilleurs résultats aux tests à l'iode, ce qui montre qu'il dispose d'une plus grande surface spécifique, mais lorsque l'humidité s'installe dans les grands systèmes industriels de lavage, le charbon actif résiste mieux. Le choix du matériau approprié dépend vraiment du type de contaminants présents, qu'ils soient en suspension dans l'air ou mélangés à l'eau, ainsi que du niveau d'humidité ambiant pendant le fonctionnement.

Types et formes du charbon actif pour les systèmes de purification

Charbon actif en grains (GAC) et Charbon actif en poudre (PAC) dans le traitement de l'eau

Les municipalités et les industries dépendent fortement du charbon actif en grains (GAC) et du charbon actif en poudre (PAC) pour le traitement des eaux. La forme en grains présente généralement des particules dont la taille varie entre 0,2 et 5 mm, ce qui permet des périodes de contact plus longues avec les contaminants. Cela rend le GAC particulièrement efficace pour retenir les molécules de chlore, les pesticides et les composés organiques volatils lorsque l'eau circule en continu à travers les systèmes de traitement. En revanche, le PAC se présente sous forme de particules beaucoup plus fines, inférieures à 0,18 mm, ce qui le rend rapide d'action lors de traitements par lots, notamment lorsque les opérateurs doivent éliminer des substances tenaces comme les colorants et les résidus de médicaments présents dans les flux d'eaux usées. Les deux types peuvent être produits à partir de coques de noix de coco ou de charbon minéral, bien que de nombreux professionnels affirment que le GAC à base de noix de coco offre globalement de meilleures performances, grâce à sa structure microporeuse améliorée qui piège plus efficacement les composés organiques indésirables.

Filtres à bloc de carbone : Efficacité élevée dans les applications en point d'utilisation

Les filtres à bloc de carbone fonctionnent en comprimant du carbone actif granulé pour former un bloc solide. Cela permet à la fois un filtrage physique jusqu'à des particules très petites (inférieures à 1 micromètre) et une adsorption chimique. L'empaquetage serré fait que l'eau reste en contact avec le matériau carboné environ 40 % plus longtemps que lorsqu'on utilise du GAC (carbone actif en vrac) lâche. Cette exposition supplémentaire permet d'éliminer plus efficacement des substances nocives comme le plomb, le mercure, ainsi que ces nouveaux polluants difficiles à traiter dont on entend souvent parler, tels que les produits chimiques PFAS. Selon des études de marché de l'année dernière, la plupart des systèmes de filtration sous évier utilisent effectivement ce type de filtre. Environ les deux tiers d'entre eux s'appuient sur des blocs de carbone, car ils occupent moins de place tout en répondant aux normes strictes de l'organisme NSF pour l'élimination de plus de soixante impuretés différentes présentes dans l'eau du robinet.

Fibre de carbone activé (ACF) et carbone catalytique dans la filtration d'air avancée

La fibre de carbone activé, ou ACF pour abréviation, possède cette structure poreuse tridimensionnelle incroyable qui lui permet d'absorber les substances environ deux fois plus rapidement que le carbone actif granulaire traditionnel. C'est pourquoi de nombreux systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (HVAC) ainsi que des purificateurs d'air industriels passent désormais à ce matériau. Ce qui est vraiment remarquable, c'est la grande souplesse de mise en forme de l'ACF. On a pu constater son efficacité dans les masques respiratoires, et même dans les systèmes de support de vie sophistiqués utilisés dans l'exploration spatiale. Des tests ont démontré qu'elle était capable d'éliminer presque totalement les composés organiques volatils présents dans l'air, environ 99,7 %, même lorsque l'air circule à des vitesses extrêmes, comme 15 mètres par seconde. Sans oublier le carbone catalytique, qui pousse plus loin les performances. Lorsque des métaux comme le cuivre ou le fer sont ajoutés au mélange, il ne se contente pas d'absorber les gaz nocifs, mais il les décompose réellement par des réactions chimiques. Cela signifie que des substances dangereuses comme le sulfure d'hydrogène et l'ozone sont détruites définitivement, au lieu de rester emprisonnées en attendant de se répandre à nouveau dans l'environnement.

Choisir la bonne forme : GAC, PAC, Blocs ou Fibres en fonction de l'application

Choisissez du GAC pour les systèmes liquides à haut débit, des blocs de carbone pour l'eau potable en point d'utilisation, et de la CTF pour la filtration d'air à réponse rapide. Pour les émissions complexes, associez du carbone catalytique à une oxydation UV afin d'améliorer la dégradation des gaz récalcitrants.

Contaminants éliminés et limites de performance

Élimination efficace du chlore, des COV, des pesticides et des odeurs dans l'eau et l'air

Le charbon actif fait un travail assez correct pour éliminer plus de 90 % de ces composés organiques volatils irritants, des résidus de chlore issus des processus de traitement ainsi que des traces de pesticides, grâce à un procédé appelé adsorption. Les minuscules pores du charbon actif capturent des substances telles que le benzène et le chloroforme avec un taux de réussite allant de 85 à 95 %, selon des tests effectués sur des systèmes certifiés. En ce qui concerne la lutte contre les mauvaises odeurs, ce matériau est très efficace contre les composés soufrés responsables des odeurs d'œuf pourri et d'autres odeurs terreuses, en retenant des particules jusqu'à une demi-micron. Cela rend le charbon actif très utile non seulement pour purifier l'eau, mais aussi pour améliorer la qualité de l'air intérieur dans les lieux fréquentés par les personnes.

Efficacité contre les polluants industriels et les résidus de médicaments

Les filtres à charbon actif peuvent éliminer environ 60 à 80 pour cent des métaux lourds tels que le plomb et le mercure grâce à un procédé appelé physisorption. Toutefois, lorsqu'il s'agit de médicaments, la situation devient un peu plus complexe. Les médicaments apolaires auxquels on pense habituellement, comme les antidépresseurs, s'attachent assez bien aux surfaces du carbone, avec des taux d'élimination atteignant environ 70 à 85 pour cent. Cependant, les composés hydrophiles comme la métformine ne se lient pas facilement et nécessitent souvent des traitements spéciaux ou des combinaisons de différents matériaux carbonés pour être efficaces. Concernant les solvants industriels, notamment des substances comme l'éthylène trichloré, le carbone fait un travail remarquable en éliminant jusqu'à 90 pour cent de ces contaminants, surtout lorsque l'eau circule lentement à travers le système, avec un débit inférieur à 1,5 gallon par minute.

Ce que le charbon actif n'élimine pas : les bactéries, les nitrates, le fluorure et les minéraux dissous

Les principales limites comprennent :

• Contaminants biologiques : Aucun effet sur les bactéries, les virus ou les protozoaires (par exemple, E. coli )
• Inorganiques : Ne peut pas éliminer les nitrates, le fluorure ou les ions responsables de la dureté (calcium/magnésium)
• Solides dissous : Inefficace contre les sels, les sulfates ou les solides dissous totaux (TDS)

Compléter par des technologies de filtration adaptées

Pour combler ces lacunes, associer le charbon actif à :

1. Purification UV : Détruit 99,9 % des microorganismes dans les systèmes certifiés NSF/ANSI 55
2. Osmose inverse : Élimine 94 à 97 % des nitrates, fluorures et solides dissous
3. Résines échangeuses d'ions : Cible les métaux lourds et la dureté de l'eau
   Les systèmes intégrés exploitent les avantages du carbone tout en compensant ses faiblesses, permettant ainsi une réduction globale des contaminants.

Applications dans les systèmes de purification de l'eau et de l'air

La polyvalence du carbone actif le rend indispensable dans les systèmes de purification résidentiels, municipaux et industriels. Sa capacité à adsorber les contaminants organiques garantit une eau propre et un air respirable dans des environnements variés, grâce à des configurations adaptées.

Systèmes d'eau individuels et d'entrée utilisant du carbone actif

Les filtres installés sous les éviers et ceux présents dans les carafes utilisent du carbone actif pour éliminer le chlore, les COV (composés organiques volatils) et les substances responsables d'un mauvais goût dans l'eau du robinet. Pour les foyers souhaitant un traitement complet, les systèmes pour toute la maison traitent toute l'eau entrant dans le logement. Certaines études indiquent qu'ils peuvent réduire les niveaux de pesticides et d'herbicides jusqu'à 95 % dans l'ensemble du domicile. En ce qui concerne les lieux nécessitant un bon débit d'eau, les filtres à bloc de carbone s'avèrent généralement les plus efficaces. Ils combinent des méthodes de filtrage mécanique et d'adsorption chimique, retenant des particules aussi petites que 0,5 micron. De nombreux propriétaires trouvent que cette approche combinée leur permet d'obtenir une eau plus propre sans nuire à la pression ou au débit.

Intégration dans les filtres domestiques, le traitement municipal et les procédés industriels

Les usines de traitement de l'eau des villes dépendent des lits de charbon actif granulaire pour traiter d'importantes quantités d'eau chaque jour, généralement dans le cadre d'approches plus larges de traitement. De nombreuses opérations industrielles font également appel à ces systèmes à charbon lorsqu'elles doivent répondre à des exigences de traitement des eaux usées. Les raffineries associent couramment la filtration au charbon actif à des méthodes de traitement à l'ozone pour éliminer les résidus pétroliers tenaces. Pendant ce temps, les usines de fabrication de semi-conducteurs ont besoin d'une eau extrêmement pure pour leurs processus, et filtrent donc l'eau à l'aide de systèmes spéciaux de charbon catalytique, permettant ainsi à leur équipement coûteux de fonctionner sans problème et d'éviter les problèmes d'encrassement.

Purification de l'air : systèmes CVC, respirateurs et scrubbers commerciaux

De nombreux systèmes de chauffage et de climatisation modernes incluent des filtres à charbon actif qui aident à éliminer des substances nocives telles que le formaldéhyde et les oxydes d'azote de l'air intérieur. Des études montrent que ces filtres fonctionnent particulièrement bien dans des lieux comme les écoles et les hôpitaux lorsqu'ils sont combinés à la technologie UV, réduisant les germes en suspension dans l'air de quelque 60 à peut-être même 80 pour cent selon certains rapports. Les travailleurs de certains secteurs portent des respirateurs équipés de couches en charbon pour se protéger contre les vapeurs dangereuses de solvants. Par ailleurs, de grandes usines installent souvent des laveurs à base de charbon pour capturer le mercure émis par les incinérateurs d'ordures, ce qui aide à empêcher les substances toxiques de se répandre dans l'environnement.

Optimisation des performances : facteurs clés et bonnes pratiques

Temps de contact, débit et durée de vie des filtres dans les systèmes d'eau

Les meilleurs résultats se produisent lorsque l'eau reste en contact avec le charbon actif pendant environ 2 à 5 minutes, ce qui laisse suffisamment de temps pour éliminer la majeure partie du chlore et ces composés organiques volatils (COV) irritants. Si l'eau circule trop rapidement, par exemple à plus de 1,5 gallon par minute, les choses se dégradent rapidement. L'association Water Quality Association a constaté dans son rapport de 2023 que, à ces vitesses plus élevées, l'efficacité contre les COV chutait de 18 % à 22 %. La plupart des filtres GAC domestiques doivent être remplacés tous les 6 à 9 mois environ, mais les versions plus épaisses à base de blocs de charbon durent généralement plus longtemps, de 8 à 12 mois, car elles s'encrassent plus difficilement et les canaux se forment plus lentement en leur sein.

Impact de la température, de l'humidité et des conditions environnementales

Les températures supérieures à 86°F (30°C) réduisent la capacité d'adsorption de 12 à 15 %, affectant particulièrement l'élimination des pesticides dans l'eau. Dans le filtrage de l'air, une humidité relative supérieure à 60 % diminue l'efficacité d'adsorption du formaldéhyde de 20 à 25 % dans les fibres de carbone actif (ACF), bien que le carbone à base de charbon maintienne de meilleures performances dans des conditions humides, comme indiqué dans Sciences de l'environnement et technologie (2022).

Critères de sélection : certifications, compatibilité et conception du système

Choisissez des filtres répondant aux normes :

• NSF/ANSI 42 (pour les effets esthétiques comme le goût/l'odeur) et NSF/ANSI 53 (pour les contaminants liés à la santé)
• Pressions compatibles avec les canalisations standard (40–80 psi)
• Préfiltration pour empêcher les sédiments de boucher les pores

Évitez la corrosion galvanique en utilisant des unions diélectriques lors de l'installation de blocs de carbone dans des boîtiers métalliques. Pour les systèmes domestiques, privilégiez des réservoirs de 10∇ x 54∇ contenant 1,5 à 2,0 ft³ de GAC afin de maintenir un débit inférieur à 7 gpm pendant les cycles de lavage à contre-courant.