Les filtres à charbon actif ont une construction similaire à celle des filtres à sable, on dispose le charbon actif en lit et on filtre l'eau polluée. Ceux-ci sont utilisés pour filtrer la matière organique ou les métaux lourds (BTEX, PAK et chlorophénols). Le charbon actif doit être remplacé de façon régulière, il peut parfois être régénéré.

Quand utiliser l'adsorption?

L'adsorption est un traitement efficace pour enlever la matière organique, particulièrement quand la charge moléculaire est importante et la polarité est faible. Le charbon actif peut donc être utilisé pour enlever les phénols, les hydrocarbures saturés qui sont des molécules insolubles difficilement attaquables par l'ozone, les pesticides, les métaux lourds, les agents tensio-actifs...

L'adsorption est un processus où un solide est employé pour enlever une substance soluble de l'eau. Dans ce process, le charbon actif est le solide. Le charbon actif est produit spécifiquement pour couvrir une surface interne très grande (entre 500 et 1500 m²/g). Cette grande surface rend le charbon actif idéal pour l'adsorption. Il existe deux formes de charbons actifs: le charbon actif en poudre (PAC) et le charbon actif granulaire (GAC). Le GAC est, la plupart du temps, employé dans le traitement de l'eau, il peut adsorber les sustances solubles suivantes :

• Adsorption des substances organiques et non polaires comme les huiles minérales, les BTEX, les poly-hydrocarbures aromatiques (PACs), les phénols (chlorure)

• Adsorption de subtances halogénées : I, Br, Cl, H et F

• Odeur

• Goût 

• Levures

• Divers produits de fermentation

• Substances non polaires (non solubles dans l'eau)

Exemples d'application :

• Traitement des eaux souterraines polluées

• Traitement contre les micropolluants, adsorption des traces de certains métaux lourds

• Rétention de chlore

• Filtration fine pour piscines

• Filtration finale pour le rejet d'effluents

Les performances des  filtres à charbon actif dépendent de la température, ainsi que du composé à adsorber.

Pour les applications de traitement d'eau dans les procédés des industries alimentaires, la filtration au charbon actif est souvent accompagnée d'une désinfection UV.

Description du processus

L'eau est pompée dans une colonne qui contient du charbon actif, cette eau quitte la colonne à travers un système drainant. L'activité de la colonne de charbon actif dépend de la température et de la nature des substances. L'eau passe à travers la colonne continuellement, ce qui entraîne une accumulation des substances sur le filtre. Pour cette raison, le filtre a besoin d'être remplacé périodiquement. Un filtre utilisé peut être régénéré de différentes façons, le charbon granulaire peut être régénéré facilement en oxydant la matière organique. L'efficacité du charbon actif diminue alors de 5 à 10%. Une petite partie du charbon actif est détruite pendant le processus de régénération et doit être remplacée. Si vous travaillez avec différentes colonnes en série, vous pouvez vous assurer que vous n'aurez pas un épuisement total de votre système de purification.

Comment l'adsorption a-t-elle lieu ?

Il s'agit d'un transfert d'une phase liquide contenant l'adsorbat vers une phase solide avec rétention des solutés à la surface du charbon actif appelé adsorbant. L'adsorption peut être décomposée en quatre étapes: 

Etape 1	Transfert de la particule	Très rapide
Etape 2	Déplacement de l'eau liée jusqu'à être en contact du  charbon	Rapide
Etape 3	Diffusion à l'intérieur du charbon sous l'influence du gradient de concentration.	Lente
Etape 4	Adsorption dans une micropore	Très rapide

Le niveau d'activité de l'adsorption est basé sur la concentration de la substance dans l'eau, la température et la polarité de la substance. Une substance polaire (soluble dans l'eau) ne peut pas ou est très mal supprimée par le charbon actif, alors qu'une substance non polaire peut être totalement supprimée par le charbon actif. L'adsorption est moins efficace contre les solvants polaires et les composés chlorés avec une faible charge moléculaire. L'adsorption des composés ionisés est faible.Toute sorte de charbon a sa propre isotherme d'adsorption (voir figure 1 ci-dessous) et dans le traitement de l'eau cette isoterme est défini par la fonction de Freundlich.

La fonction de Freundlich est la suivante :
x/m : substance adsorbée par gramme de charbon actif; Ce : différence de concentrations (entre initiale et finale); Kf,n : constantes spécifiques

La deuxième courbe de charbon actif (voir figure 2 ci-dessous) montre l'épuisement d'un filtre. Normallement nous plaçons une unité de désinfection UV après une colonne de charbon actif.

Quelle est la différence entre l'adsorption et l'absorption?

Quand une substance est attachée à une surface, cela s'appelle l'adsorption. Dans ce cas, la substance est attachée à la surface interne du charbon actif. Quand une substance est absorbée dans un milieu différent ou un gaz pris dans une solution, cela s'appelle l'absorption.  

Source figure 1:

http://www.aapspharmscitech.org

Source figure 2:

http://www.activated-charbon.com

Facteurs qui influencent l'exécution du charbon actif dans l'eau:     

• Le type de composé à supprimer (les composés qui ont un poids moléculaire élevé et une faible solubilité sont mieux adsorbés) 

• La concentration du composé à supprimer (plus la concentration est élevée, plus la consommation de charbon est grande)

• La présence d'autres composés organiques qui vont être en concurrence avec les sites d'adsorption disponibles

• Le pH du flot d'eau (par exemple, les composées acides sont mieux détruits à pH faible)

D'après cela, nous pouvons classer quelques produits chimiques avec leur probabilité d'être efficacement adsorbé par le charbon actif dans l'eau.

1- Produits chimiques avec une très grande probabilité d'être adsorbés par le charbon actif

2- Produits chimiques avec une grande probabilité d'être adsorbés par le charbon actif

3- Produits chimiques avec une probabilité modérée d'être adsorbés par le charbon actif*

*(Pour ces produits chimiques, le charbon actif n'est efficace que dans certains cas)

4- Produits chimiques pour qui le charbon actif n'est pas efficace. Cependant il peut être viable dans certains cas comme de faibles débits ou de faibles concentrations.

Facteurs qui influencent l'exécution du charbon actif dans l'air: 

• Type de composés à supprimer: en général, les composés avec un grand poids moléculaire, une basses pression de vapeur, un point de fusion élevé et un indice de réfraction élevé sont les mieux adsorbés

• Concentration : Plus la concentration est élevée, pus la consommation de charbon est grande

• Température : Plus la température est basse, meilleure est la capacité d'adsorption

• Pression : Plus la pression est élevée, meilleure est la capacité d'adsorption

• Humidité : Plus l'humidité est faible, meilleure est la capacité d'adsorption

Si vous voulez savoir si un certain composé chimique peut-être efficacement éliminé dans l'air par le charbon actif, contactez-nous.

Exemple de l' association du charbon actif et d'une ozonation

1) source: Wastewater Engineering; Metcalf & Eddy; third edition; 1991; page 317