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Cet article analyse le marché actuel du charbon actif, effectue une analyse approfondie des matières premières du charbon actif, présente les méthodes de caractérisation de la structure des pores, les méthodes de production, les facteurs d'influence et les progrès d'application du charbon actif, et passe en revue les résultats de la recherche sur la technologie d'optimisation de la structure des pores du charbon actif, dans le but de promouvoir le charbon actif afin qu'il joue un rôle plus important dans l'application des technologies vertes et à faible émission de carbone.
Préparation du charbon actif
De manière générale, la préparation du charbon actif se divise en deux étapes : la carbonisation et l’activation.
processus de carbonisation
La carbonisation désigne le procédé de chauffage du charbon brut à haute température sous atmosphère inerte afin de décomposer ses matières volatiles et d'obtenir des produits carbonisés intermédiaires. L'objectif de la carbonisation peut être atteint en ajustant les paramètres du procédé. Des études ont montré que la température d'activation est un paramètre clé qui influence les propriétés de carbonisation. Jie Qiang et al. ont étudié l'effet de la vitesse de chauffage lors de la carbonisation sur les performances du charbon actif dans un four à moufle et ont constaté qu'une vitesse plus faible permet d'améliorer le rendement en matériaux carbonisés et d'obtenir des matériaux de haute qualité.
Processus d'activation
La carbonisation permet d'obtenir des matières premières présentant une structure microcristalline semblable à celle du graphite et générant une structure poreuse primaire. Cependant, ces pores sont désordonnés, voire obstrués par d'autres substances, ce qui limite la surface spécifique et nécessite une activation supplémentaire. L'activation consiste à enrichir la structure poreuse du produit carbonisé, principalement par une réaction chimique entre l'activateur et la matière première : elle favorise la formation d'une structure microcristalline poreuse.
L'activation se déroule principalement en trois étapes lors du processus d'enrichissement des pores du matériau :
(1) Ouverture des pores initialement fermés (pores traversants) ;
(2) Agrandissement des pores d’origine (expansion des pores) ;
(3) Formation de nouveaux pores (création de pores) ;
Ces trois effets ne se produisent pas isolément, mais simultanément et en synergie. De manière générale, la formation et la croissance de pores favorisent l'augmentation de leur nombre, notamment de micropores, ce qui est bénéfique pour la préparation de matériaux poreux à porosité élevée et à grande surface spécifique. Cependant, une expansion excessive des pores entraîne leur fusion et leur connexion, transformant les micropores en pores plus larges. Par conséquent, pour obtenir des matériaux de charbon actif présentant des pores développés et une grande surface spécifique, il est nécessaire d'éviter une activation excessive. Les méthodes d'activation du charbon actif couramment utilisées comprennent les méthodes chimiques, physiques et physico-chimiques.
méthode d'activation chimique
La méthode d'activation chimique consiste à ajouter des réactifs chimiques aux matières premières, puis à les chauffer sous atmosphère protectrice de gaz tels que N₂ et Ar dans un four afin de les carboniser et de les activer simultanément. Les activateurs couramment utilisés sont généralement NaOH, KOH et H₃PO₄. Cette méthode présente l'avantage d'une température d'activation basse et d'un rendement élevé, mais elle souffre également d'inconvénients tels qu'une corrosion importante, la difficulté d'éliminer les réactifs de surface et une pollution environnementale grave.
méthode d'activation physique
La méthode d'activation physique consiste à carboniser directement les matières premières dans un four, puis à les faire réagir avec des gaz tels que le CO₂ et l'H₂O introduits à haute température afin d'accroître et d'élargir la porosité. Cependant, cette méthode présente un faible contrôle de la structure poreuse. Parmi les gaz utilisés, le CO₂ est largement employé dans la préparation du charbon actif car il est propre, facile à obtenir et peu coûteux. L'utilisation de coques de noix de coco carbonisées comme matière première, activées au CO₂, permet d'obtenir un charbon actif à micropores développés, présentant une surface spécifique de 1653 m²·g⁻¹ et un volume poreux total de 0,1045 cm³·g⁻¹. Ses performances répondent aux exigences d'utilisation du charbon actif pour les supercondensateurs.
L'activation de noyaux de nèfle avec du CO₂ permet de préparer un charbon actif super-activé. Après activation à 1100 °C pendant 30 minutes, la surface spécifique et le volume poreux total atteignent respectivement 3500 m²·g⁻¹ et 1,84 cm³·g⁻¹. Une seconde activation au CO₂ est ensuite réalisée sur du charbon actif commercial issu de coques de noix de coco. Après activation, les micropores du produit fini sont resserrés, le volume microporeux passe de 0,21 cm³·g⁻¹ à 0,27 cm³·g⁻¹, la surface spécifique augmente de 627,22 m²·g⁻¹ à 822,71 m²·g⁻¹ et la capacité d'adsorption du phénol est accrue de 23,77 %.
D'autres chercheurs ont étudié les principaux facteurs de contrôle du processus d'activation par le CO₂. Mohammad et al. [21] ont constaté que la température est le principal facteur d'influence lors de l'activation de la sciure de caoutchouc par le CO₂. La surface spécifique, le volume poreux et la microporosité du produit fini augmentent d'abord, puis diminuent avec l'élévation de la température. Cheng Song et al. [22] ont utilisé la méthodologie des surfaces de réponse pour analyser le processus d'activation des coques de noix de macadamia par le CO₂. Leurs résultats ont montré que la température et la durée d'activation ont l'influence la plus importante sur le développement des micropores du charbon actif.
Date de publication : 27 août 2024