L’ activation d’un précurseur à base de carbone

L’activation d’un précurseur à base de carbone 

Les composés à base de carbone 

Le carbone est le 4e élément le plus abondant dans l’univers et la base de la plupart des formes de vie connues. Sa structure atomique spécifique permet au carbone de se lier avec plusieurs autres éléments chimiques ainsi qu’avec lui-même. On regroupe les composés à base de carbone soit comme structure organique (plusieurs atomes de carbone reliés appelé polymères) et sous forme inorganique. Les formes inorganiques sont regroupées selon leurs arrangements atomiques en carbyne (spI), en graphène (sp2) et en diamant (sp3). D’autres arrangements intermédiaires dans la microstructure des composés de carbone sont possibles, ce qui donne naissance aux familles de carbone amorphe et graphitique [19]. Pour la fabrication du charbon activé, on retrouve deux sources distinctes de composés à base de carbone : les composés de carbone à base minérale et les sources de carbone à base renouvelable telles que le charbon de bois ou le biochar.

Les différents types de composés de carbone à base minérale sont créés à partir de biomasse enfouie dans le sol depuis plusieurs milliers d’années. Cette fossilisation de végétaux à l’abri de l’air s’est produite il y a plus de trois cents· millions d’années lors de l’ère carbonifère [20]. Ceux-ci sont composés principalement de carbone, d’hydrogène, d’oxygène, de soufre, d’azote, d’humidité et d’un taux de cendres spécifique. Plus le taux de carbone est élevé et plus le proc ssus de fossilisation a été long (plus vieux charbon de terre). Les cendres contiennent, très souvent, des métaux lourds et autres composés indésirables dans l’environnement.

On classe généralement les types de charbon de terre selon leurs teneurs en carbone. Ainsi plus la teneur en carbone est élevée et plus la valeur calorifique sera importante et le prix du matériel sera dicté par cette performance énergétique (MJlkg). Il est à souligner que la catégorie de charbon de terre dans son ensemble représente encore près de 40% de la production mondiale d’ électricité et contribue par le même fait au réchauffement climatique [21]. Les principales familles de charbon de terre sont: l’anthracite, la houille, le lignite et la tourbe.

L’anthracite
L’anthracite (du grec anthrax, AvBpaç, charbon) a une origine organique comme les autres types de charbon minéral. Ce type de charbon d’apparence grisâtre et brillant est extrait de mines souterraines. Ce charbon est cependant peu abondant. L’anthracite est recherché pour son faible taux de volatiles (moins de 5% comparativement à 20% et jusqu’ à 40% pour les autres charbons de terre). Sa combustion est donc plus propre que les autres familles de charbon de terre. Il possède aussi un plus faible taux de soufre. Ce matériel est même encore utilisé dans les forges pour la réduction des métaux ainsi que pour le chauffage résidentiel dans quelques pays possédant des mines d’anthracite.

L’anthracite est un excellent précurseur pour son activation en charbon activé, mais son prix plus élevé limite son utilisation dans cette application [22].

La houille de terre (bituminous coal)
La houille est une roche carbonée sédimentaire et qui a une qualité spécifique de charbon, en termes de valeur énergétique, intermédiaire entre le lignite et l’anthracite. De couleur noirâtre, ce combustible’ est utilisé depuis le XIe siècle et son extraction dans les mines a rendu possible la révolution industrielle au XIXe siècle. Depuis, la houille constitue une des principales sources d’énergie des pays industrialisés. Il est cependant à noter que de par son abondance à travers le monde, sa composition peut varier significativement d’ une mine à une autre. La houille de terre étant très abondante et peu chère, on l’ utilise massivement pour la production de charbon activé. Il est cependant à noter que ce matériel contenant beaucoup de soufre et de métaux lourds dans son état original soit converti éventuellement en charbon activé servant à la dépollution de l’ eau et de l’ air [23].

Le lignite
Le lignite provient d’une roche sédimentaire et a des propriétés intermédiaires entre la tourbe et la houille. Ce matériel, à ,’ état naturel contient plus de trente pour cent (30 %) d’humidité , ce qui limite son pouvoir calorifique à environ 16 – 17 MJ/kg. Il est normalement broyé et séché avant sa combustion. On retrouve des mines de lignite en Allemagne, Chine, Russie et États-Unis. Très souvent, les mines de lignite contiennent du radon, un gaz nocif pour la santé. Comme précurseur pour le marché du charbon activé, le lignite tend à développer des macro-pores ce qui les rend plus aptes à adsorber de grandes molécules telles que des colorants ou autres composés chimiques complexes [24].

La tourbe
Les tourbières ont représenté une excellente source de carbone (charbon de tourbe) lors de la période d’industrialisation en Europe. La tourbe est reconnue pour sa chaleur douce et soutenue comparativement à du charbon minéral. La tourbe est cependant peu carbonisée et occupe des milieux humides demandant à être protégés [25]. De plus, la tourbe contient souvent une quantité appréciable d’eau Gusqu’ à 95%) et de sable ou minéraux ce qui limite son emploi en combustion et en carbonisation. Dans l’ éventualité où la tourbe serait transfonnée en charbon activé, il faut premièrement laisser là tourbe s’assécher. Par la suite, l’activation se fait de manière traditionnelle en four tournant. Les propriétés et la composition de la tourbe sont très variables, selon l’état d’avancement de sa décomposition et ‘sa situation géographique. Néanmoins, quelques compagnies, dont Norit (division de Cabot) fabrique toujours du charbon activé à base de tourbe pour la purification des gaz.