Comment le charbon actif améliore l'efficacité de la purification de l'eau potable

Dans les systèmes modernes de purification de l'eau potable, le charbon actif se distingue comme une cartouche très efficace pour l'élimination des contaminants de l'eau. Sa structure poreuse et sa surface développée permettent l'adsorption d'un large éventail d'impuretés, allant au-delà des capacités d'autres médias de filtration. Utilisé sous forme de cartouche à charbon dans les filtres à eau domestiques, dans des dispositifs portables de purification ou dans les usines de traitement municipal, le charbon actif élimine les mauvais goûts et odeurs, tout en réduisant significativement d'autres substances chimiques nocives présentes dans l'eau, sans priver l'eau de minéraux essentiels. Cet article explique comment le charbon actif améliore la qualité et la sécurité globales de l'eau.

Structure poreuse unique et mécanisme d'adsorption

Le secret de la capacité du charbon actif à filtrer ou purifier des substances réside dans la structure formée durant le processus d'activation, qui est composée de nombreux petits trous appelés pores. Ces trous sont créés grâce à l'utilisation de la chaleur ou de produits chimiques, ce qui agrandit considérablement sa surface interne. Un seul gramme de charbon actif peut avoir une surface équivalente à celle d'un terrain de football. Le charbon actif possède des pores allant des micropores aux macropores, qui sont efficaces pour capturer divers contaminants grâce à cette importante surface. Lors du processus d'adsorption que subit le charbon actif, une molécule d'eau entre en contact avec le carbone et pénètre à sa surface. Les impuretés, les composés organisés et de nombreux produits chimiques présents dans l'eau sont absorbés ou attirés par la surface du carbone. L'adhésion à la surface du carbone s'effectue grâce aux forces de Van Der Waals agissant sur une distance comprise entre 0,2 et 0,5 nm. Ces forces sont faibles, mais elles sont responsables de la fixation des contaminants tels que les pesticides, le chlore et les composés organiques volatils (COV) au carbone. Le processus d'adsorption physique ne modifie pas chimiquement l'eau et n'ajoute pas de contaminants, contrairement à d'autres processus chimiques.

Élimination du chlore et des sous-produits de la chloration

Élimination du chlore et de ses sous-produits. Il existe différentes organisations, notamment des usines municipales de traitement d'eau, qui désinfectent l'eau en utilisant du chlore. Cela présente certains avantages, mais aussi quelques inconvénients. L'eau désinfectée au chlore peut avoir une odeur particulière et un goût inhabituel. Le chlore, en réagissant avec la matière organique, produit également des sous-produits de désinfection dangereux, notamment lorsqu'ils sont ingérés. Cela inclut les trihalométhanes et les acides haloacétiques. Ces substances représentent des risques pour la santé sur le long terme avec lesquels beaucoup de personnes les associent. L'absorption du chlore libre et des sous-produits de désinfection nocifs réduit les risques pour la santé. Cela permet également d'éviter les mauvaises odeurs et les goûts désagréables en bouche.

Un exemple type de ce qui précède est un robinet d'eau spécialement conçu pour les ménages. Ces dispositifs sont équipés de cartouches au chlore qui l'absorbent et produisent une eau bien plus saine pour la consommation.

Élimination des Contaminants Organiques et des Pesticides

Parmi de nombreuses substances pouvant être présentes dans l'eau potable, telles que les pesticides, herbicides, solvants ou même les médicaments résiduaires, le charbon actif n'a aucune difficulté à les éliminer toutes. La plupart du temps, ces substances proviennent des résidus issus de l'agriculture, des industries et du déversement négligent de déchets. Étant donné que les composés concernés sont organiques, ils sont attirés et se lient pendant la filtration au charbon actif et à sa surface poreuse. Par exemple, les filtres au charbon actif deviennent particulièrement efficaces lors de l'élimination des pesticides présents dans les eaux souterraines, tels que l'atrazine et le glyphosate. Certaines régions disposent de davantage de mesures contre la pollution agricole, ce qui rend le charbon actif plus répandu dans ces zones, contrairement à d'autres régions plus densément peuplées, dont les sources d'eau sont particulièrement vulnérables.

Réduction des Métaux Lourds

Bien qu'activé principalement connu pour ses capacités d'adsorption des matières organiques, l'utilisation du charbon actif pour éliminer certains métaux lourds de l'eau potable, notamment lorsqu'il est modifié ou combiné à d'autres matériaux, est également notable. Le charbon actif ordinaire peut adsorber le plomb, le cuivre et même le mercure par des mécanismes d'échange d'ions ou de complexation superficielle, où les ions métalliques forment des complexes avec des groupes fonctionnels actifs à la surface du carbone. Un charbon actif chimiquement modifié (par exemple, un charbon actif traité avec des composés chimiques tels que le soufre ou le fer), qui s'est révélé adsorber plus facilement les métaux lourds, est plus efficace dans leur élimination. Dans les filtres d'eau portables destinés à l'eau contaminée par le plomb, le charbon actif est utilisé conjointement avec d'autres matériaux (par exemple, des résines échangeuses d'ions) afin de réduire les concentrations de plomb jusqu'à des limites accepttables conformément aux prescriptions de l'EPA.

Amélioration du goût et de l'odeur

En plus d'éliminer les contaminants nocifs, le charbon actif améliore la qualité sensorielle de l'eau potable en supprimant les mauvais goûts et odeurs. Ces problèmes peuvent être causés par des composés tels que le géosmine et le 2-méthylisobornéol (MIB) qui rendent l'eau odorante, terreuse et moisisse, même en très faibles quantités. La structure macro- et mésoporeuse du charbon actif adsorbe et retient les composés responsables de ces odeurs désagréables, produisant ainsi une eau beaucoup plus agréable. Cette caractéristique constitue un atout attractif tant pour les fournisseurs municipaux d'eau que pour les fabricants de filtres à eau domestiques, puisque le goût et l'odeur sont les facteurs déterminants principaux de l'acceptabilité de l'eau du robinet. Ils limitent ainsi les rappels d'eau et réduisent leur dépendance à l'eau minérale conditionnée, atténuant par conséquent l'impact environnemental lié à l'utilisation de bouteilles en plastique.

Compatibilité avec d'autres méthodes de purification

Le charbon actif améliore les performances d'autres technologies utilisées pour purifier l'eau. Il est souvent utilisé dans les usines de traitement municipales après les processus de coagulation, de floculation et de sédimentation pour éliminer les contaminants organiques et le chlore avant que l'eau ne soit distribuée. Dans les systèmes domestiques d'osmose inverse (OI), des filtres en charbon actif sont utilisés avant et après les membranes d'OI. Les préfiltres retirent le chlore, nuisible aux membranes, ainsi que les matières organiques, tandis que les post-filtres éliminent certains contaminants afin d'améliorer le goût de l'eau traitée par OI. Les systèmes de désinfection UV sont complétés par le charbon actif, car celui-ci élimine les constituants organiques qui protègent les microorganismes de la lumière UV utilisée pour la désinfection. Une telle polyvalence permet au charbon actif d'accroître l'efficacité des systèmes de purification à plusieurs étapes.

Applications dans différents contextes de purification

Les utilisations du charbon actif dans les systèmes de filtration d'eau potable sont nombreuses, chaque contexte exploitant ses avantages pour la filtration. Dans les systèmes de filtration municipaux, du charbon actif granulaire chauffé est placé dans de grands filtres dont le but est d'éliminer le chlore ainsi que d'autres contaminants organiques dans les systèmes GAC, traitant des millions de gallons d'eau par jour. Dans les systèmes domestiques, du charbon actif en poudre est utilisé dans les filtres à robinet, les carafes filtrantes et les systèmes sous-évier, compensant les inconvénients du GAC et offrant une filtration pratique au point d'utilisation. Les filtres portables en charbon actif, comme les bouteilles d'eau, présentent un avantage lors des voyages ou d'activités en extérieur. Ils éliminent les contaminants présents dans l'eau rendant celle-ci impropre à la consommation. De plus, les comprimés et sachets de charbon actif constituent des formes simples et pratiques de filtration, utiles en cas d'urgence lorsque l'eau potable sûre n'est pas disponible.

Efficacité à long terme et entretien

Afin que le charbon actif améliore les résultats de purification, un entretien approprié est essentiel. La capacité d'adsorption diminue lorsque les pores du charbon sont saturés de contaminants. Les filtres au charbon actif dépendent de la qualité de l'eau, du débit et de la concentration des contaminants ; les filtres pour robinets domestiques doivent généralement être remplacés tous les deux à six mois, tandis que les filtres municipaux à GAC (charbon actif en grains) peuvent durer plusieurs années avant de nécessiter une régénération ou un remplacement. Les systèmes rechargeables de GAC, plus économiques et respectueux de l'environnement, utilisent un charbon dense, chauffé à des températures extrêmement élevées afin de libérer les contaminants retenus dans les pores du charbon. Un entretien programmé accroît l'efficacité des filtres au charbon actif, produisant une eau potable de haute qualité.