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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 de l'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, visant à promouvoir le charbon actif pour jouer un plus grand rôle dans l'application des technologies vertes et à faible émission de carbone.
Préparation du charbon actif
D'une manière générale, la préparation du charbon actif se divise en deux étapes : la carbonisation et l'activation
Processus de carbonisation
La carbonisation désigne le processus de chauffage du charbon brut à haute température, sous protection de gaz inerte, afin de décomposer ses matières volatiles et d'obtenir des produits carbonisés intermédiaires. La carbonisation peut atteindre l'objectif escompté en ajustant les paramètres du procédé. Des études ont montré que la température d'activation est un paramètre clé du procédé affectant les propriétés de carbonisation. Jie Qiang et al. ont étudié l'effet de la vitesse de carbonisation sur les performances du charbon actif dans un four à moufle et ont constaté qu'une vitesse plus faible contribue à améliorer le rendement des matériaux carbonisés et à produire des matériaux de haute qualité.
Processus d'activation
La carbonisation permet aux matières premières de former une structure microcristalline similaire au graphite et de générer une structure poreuse primaire. Cependant, ces pores sont désordonnés ou obstrués par d'autres substances, ce qui entraîne une faible surface spécifique et nécessite une activation supplémentaire. L'activation est le processus d'enrichissement de la structure poreuse du produit carbonisé, principalement réalisé par la réaction chimique entre l'activateur et la matière première : elle favorise la formation d'une structure microcristalline poreuse.
L'activation passe principalement par trois étapes dans le processus d'enrichissement des pores du matériau :
(1) Ouverture des pores fermés d'origine (à travers les pores) ;
(2) Élargissement 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. En général, la formation et la création de pores favorisent l'augmentation du nombre de pores, notamment de micropores, ce qui est bénéfique pour la préparation de matériaux poreux à forte porosité et à grande surface spécifique. En revanche, une expansion excessive des pores entraîne leur fusion et leur connexion, transformant les micropores en pores plus grands. Par conséquent, pour obtenir des charbons actifs à pores développés et à grande surface spécifique, il est nécessaire d'éviter une activation excessive. Les méthodes d'activation du charbon actif les plus couramment utilisées sont 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 en introduisant des gaz protecteurs tels que N₂ et Ar dans un four de chauffage pour les carboniser et les activer simultanément. Les activateurs couramment utilisés sont généralement NaOH, KOH et H₃P₂O₄. Cette méthode présente les avantages d'une faible température d'activation et d'un rendement élevé, mais elle présente également des inconvénients tels qu'une corrosion importante, une élimination difficile des réactifs de surface et une pollution environnementale importante.
Méthode d'activation physique
La méthode d'activation physique consiste à carboniser les matières premières directement dans le four, puis à les faire réagir avec des gaz tels que le CO₂ et l'eau introduits à haute température afin d'augmenter et d'élargir les pores. Cependant, cette méthode présente une faible capacité de contrôle de la structure des pores. Le CO₂ est largement utilisé dans la préparation du charbon actif en raison de sa propreté, de sa facilité d'obtention et de son faible coût. L'utilisation de coques de noix de coco carbonisées comme matière première et leur activation au CO₂ permettent de préparer du charbon actif à micropores développés, présentant une surface spécifique et un volume poreux total de 1653 m²·g-1 et 0,1045 cm³·g-1 respectivement. Les performances sont conformes à la norme d'utilisation du charbon actif pour les condensateurs double couche.
Activation de la pierre de nèfle avec du CO2 pour préparer du charbon suractivé. Après activation à 1100 °C pendant 30 minutes, la surface spécifique et le volume poreux total ont atteint respectivement 3500 m²·g-1 et 1,84 cm³·g-1. L'utilisation du CO2 pour réaliser une activation secondaire sur du charbon actif commercial à base de coque de noix de coco a permis de réduire les micropores du produit fini, d'augmenter le volume microporeux de 0,21 cm³·g-1 à 0,27 cm³·g-1, de passer de 627,22 m²·g-1 à 822,71 m²·g-1 et d'augmenter la capacité d'adsorption du phénol de 23,77 %.
D'autres chercheurs ont étudié les principaux facteurs de contrôle du processus d'activation du CO2. Mohammad et al. [21] ont constaté que la température est le principal facteur d'influence lorsque le CO2 est utilisé pour activer la sciure de caoutchouc. La surface spécifique, le volume des pores et la microporosité du produit fini ont d'abord augmenté puis diminué avec l'augmentation de la température. Cheng Song et al. [22] ont utilisé la méthodologie de surface de réponse pour analyser le processus d'activation du CO2 des coques de noix de macadamia. Les résultats ont montré que la température et le temps d'activation ont la plus grande influence sur le développement des micropores du charbon actif.
Date de publication : 27 août 2024