Charbon actif : de la production à l’utilisation pratique.



Le charbon actif, également appelé charbon activé, est une forme de carbone ayant subi des traitements d’activation destinés à renforcer ses capacités adsorbantes, en augmentant sa surface interne et sa porosité.


Il est produit par la carbonisation de matières organiques telles que le bois, la coque de noix de coco ou directement du charbon fossile, suivie d’un processus d’activation qui augmente sa porosité et sa capacité à adsorber les substances chimiques et les impuretés.


Le charbon actif doit ces propriétés à sa structure hautement poreuse.
Cette structure poreuse n’est pas uniforme ; elle se compose plutôt d’un réseau complexe de pores de tailles variables.

Utilisation

Dans le domaine des aquariums marins récifaux, le charbon actif est utilisé comme élément du système de filtration pour améliorer la qualité de l’eau.

Sa capacité à adsorber les substances organiques, les composés chimiques nocifs et autres impuretés en fait un outil précieux pour maintenir un environnement aquatique sain et stable. Dans un aquarium marin récifal, la qualité de l’eau est cruciale pour la santé et le bien-être des organismes vivants et, plus généralement, pour l’ensemble du système.


L’eau doit présenter des paramètres stables et bien définis afin de garantir la survie et l’épanouissement des habitants de l’aquarium.
Les paramètres clés de l’eau, tels que la température, le pH, la triade, la salinité et la concentration en nutriments, doivent être maintenus dans certaines plages afin de reproduire les conditions naturelles et d’offrir un environnement adapté à nos pensionnaires.
La présence d’un excès de substances organiques en décomposition, de composés chimiques nocifs ou d’autres contaminants peut compromettre la qualité de l’eau, entraîner des problèmes de santé chez les habitants de l’aquarium et nuire à la stabilité de l’ensemble de l’écosystème.

L’objectif principal de l’utilisation du charbon actif dans un aquarium marin récifal est d’améliorer la qualité de l’eau en éliminant les substances indésirables et les contaminants.
Le charbon actif agit comme un adsorbant sélectif hautement efficace, en adsorbant les substances organiques nocives dissoutes telles que les résidus de médicaments, les métabolites et les toxines produites par les coraux et les autres organismes.
Il adsorbe et retient également divers composés chimiques nocifs, notamment les colorants, les pesticides et les métaux lourds, qui peuvent être introduits accidentellement dans l’aquarium, tout en contribuant activement à améliorer la transparence de l’eau.







 

Processus de production



Le charbon actif est réputé pour sa structure très poreuse, qui lui confère une grande surface spécifique par unité de volume et à laquelle il doit ses caractéristiques.

Cette structure poreuse est obtenue grâce au processus de carbonisation et d’activation du matériau carboné de base.
Lors de la carbonisation, le matériau organique carboné est chauffé à des températures élevées en l’absence d’oxygène, ce qui produit du charbon.
Ensuite, le charbon est activé au moyen de traitements chimiques ou physiques qui ouvrent et développent sa porosité.



Choix des matières premières

Les matériaux les plus couramment utilisés pour la production de charbon actif comprennent la lignine, les coques de noix de coco, le charbon fossile et la tourbe. 
Chaque type de matériau produit un charbon actif présentant des caractéristiques spécifiques de porosité et de capacité d’adsorption.



Bois : Les charbons actifs dérivés du bois présentent généralement une porosité relativement élevée et une bonne quantité de macropores, ce qui les rend adaptés à l’adsorption de molécules de grande taille. 
Cependant, cela réduit leur efficacité pour adsorber les petites molécules, les rendant moins intéressants pour nos objectifs s’ils ne sont pas soumis à un traitement spécifique.



Tourbe : La tourbe, étant moins dense et plus hétérogène dans sa composition que les autres matériaux carbonés, permet de produire un charbon actif présentant un mélange variable de pores, mais de qualité inférieure. 
Bien qu’ils tendent à présenter un bon équilibre entre micropores et mésopores, leur faible surface spécifique les rend moins performants et donc moins adaptés aux applications avancées.

Charbon fossile : Les charbons actifs produits à partir de charbon fossile, également appelés « charbons minéraux » (charbon bitumineux, lignite, anthracite, etc.), présentent une structure très poreuse avec une bonne répartition des micropores et des mésopores.

Ils sont particulièrement appréciés pour leur capacité à adsorber une large gamme de molécules, ce qui les rend polyvalents pour diverses applications.



Noix de coco : Ces charbons actifs sont réputés pour leur grande dureté et leur importante quantité de micropores, ce qui les rend particulièrement efficaces pour l’adsorption de petites molécules organiques.

Ils sont souvent privilégiés pour les applications nécessitant la purification de l’eau des contaminants constitués de petites molécules et figurent parmi les plus couramment utilisés dans notre secteur.





Activation du charbon




L’activation du charbon joue un rôle crucial dans la détermination de son efficacité en tant que matériau adsorbant.

Le processus d’activation du charbon a un impact significatif sur la structure poreuse finale du matériau. C’est pourquoi la qualité et les caractéristiques finales du produit dépendent également de la technique d’activation employée.


Activation chimique : Lors de l’activation chimique, le matériau carboné est soumis à l’action d’agents chimiques activants avant la carbonisation. 
Ces agents chimiques (par ex. acide phosphorique, hydroxyde de sodium ou de potassium, chlorure de zinc, etc.) dégradent et font gonfler la structure du matériau de départ, augmentant ainsi sa porosité interne.
Le traitement s’effectue à des températures comprises entre 450°C et 900°C, nettement inférieures à celles utilisées lors de l’activation physique.



Acide phosphorique (H3PO4) : Couramment utilisé pour activer les matériaux à base de lignine. 
Le processus entraîne la formation d’une structure hautement poreuse, idéale pour l’adsorption des colorants et des petites substances organiques présentes dans le liquide.

Hydroxyde de potassium (KOH) : L’utilisation du KOH est connue pour produire un charbon actif contenant une grande quantité de micropores et des surfaces hautement actives, utiles par exemple pour l’adsorption de gaz et de vapeurs, comme l’ammoniac ou le dioxyde de soufre.
Cette méthode est particulièrement avantageuse pour les applications nécessitant une forte densité de micropores, comme la purification de l’eau potable, l’élimination des contaminants des solutions chimiques ou l’adsorption des gaz nocifs présents dans l’air.

Activation physique

L’activation physique commence par la carbonisation du matériau carboné à des températures pouvant varier de 600°C à 900°C dans un environnement pauvre en oxygène. 
Ensuite, le matériau carbonisé est exposé à des gaz oxydants (par exemple, de la vapeur d’eau ou du dioxyde de carbone) à des températures encore plus élevées, généralement comprises entre 800°C et 1000°C. Ce procédé ouvre la structure poreuse du charbon en éliminant la matière organique volatilisée et en créant un réseau étendu de pores.

Activation à la vapeur d’eau

L’utilisation de la vapeur d’eau est privilégiée lorsqu’on souhaite produire du charbon actif présentant une bonne distribution de pores de toutes tailles. 
Le matériau obtenu est efficace pour l’adsorption d’une vaste gamme de composés, allant des composés organiques volatils en phase gazeuse aux contaminants présents dans les solutions aqueuses.

Activation au CO2

Cette méthode tend à produire un charbon actif présentant une plus forte concentration de mésopores, utile pour l’adsorption de molécules de taille moyenne à grande.

Choix de la technologie d’activation



L’activation physique est souvent privilégiée pour la production de charbon actif destiné à un large éventail d’applications, notamment la purification de l’air, le traitement des eaux usées industrielles et l’adsorption des contaminants présents dans des flux gazeux complexes.
Le choix entre l’activation chimique et physique dépend de plusieurs facteurs, notamment le coût, les propriétés souhaitées du charbon actif final et les exigences de l’application.

L’activation chimique est souvent plus coûteuse en raison de l’utilisation de réactifs chimiques, mais elle peut produire des charbons actifs aux propriétés adsorbantes supérieures pour certains contaminants. 
En revanche, l’activation physique est généralement plus polyvalente et moins coûteuse, ce qui rend le charbon actif produit adapté à un éventail plus large d’applications.

 

Impact environnemental

Outre les considérations techniques, l’impact environnemental et les coûts de production sont également cruciaux dans le choix de la méthode d’activation.
L’activation chimique, bien qu’elle offre des avantages spécifiques en matière de contrôle de la porosité et des propriétés adsorbantes, implique l’utilisation et l’élimination de substances chimiques potentiellement dangereuses, qui peuvent avoir des répercussions environnementales.

Par conséquent, la recherche et le développement s’orientent vers des processus plus écologiques et durables, tels que l’utilisation d’agents d’activation plus sûrs ou la récupération et la réutilisation des agents chimiques.


En revanche, l’activation physique, bien qu’elle soit généralement plus durable du point de vue environnemental, nécessite des quantités importantes d’énergie, notamment lors des étapes de carbonisation à haute température et d’activation avec des gaz oxydants. 
L’efficacité énergétique de ces processus constitue donc un domaine d’intérêt pour réduire les coûts opérationnels et l’empreinte carbone associée à la production de charbon actif.



Heureusement, les avancées technologiques visent à développer des méthodes d’activation plus efficaces, économiquement avantageuses et écologiquement durables.
Par exemple, la recherche explore l’utilisation de micro-ondes pour l’activation du charbon, ce qui peut offrir un chauffage plus rapide et plus uniforme, réduisant la durée du processus et la consommation d’énergie.

Propriétés chimiques et physiques

Le charbon actif est insoluble dans l’eau et ne réagit pas avec les substances adsorbées, ce qui en fait un matériau inerte et relativement sûr à utiliser dans un aquarium.



Les propriétés physiques du charbon actif les plus importantes dans notre domaine concernent sa structure poreuse, qui offre une vaste surface disponible pour l’adsorption des impuretés.


La taille des pores peut varier et est calibrée en choisissant différents matériaux et techniques d’activation, ce qui permet au charbon actif d’adsorber une gamme diversifiée de composés.

Les propriétés chimiques du charbon actif dépendent du processus d’activation et de la nature du matériau de base.


 

Mécanisme d’adsorption

Le mécanisme d’absorption des impuretés présentes dans l’eau par le charbon actif repose sur l’attraction physique et chimique entre les molécules des substances à adsorber et la surface du charbon.

Les molécules indésirables présentes dans l’eau sont capturées et retenues à la surface du charbon actif par une série de processus, notamment l’adsorption physique, l’adsorption chimique et l’attraction électrostatique (forces de Van der Waals).


Le charbon actif peut contenir des groupes fonctionnels de surface susceptibles d’interagir chimiquement avec les substances à adsorber, renforçant ainsi son efficacité.


Les impuretés adsorbées restent ainsi piégées dans les pores, ce qui permet de les éliminer efficacement.

Ce processus d’adsorption est hautement sélectif, permettant au charbon actif d’éliminer des catégories spécifiques de substances en fonction de leur taille et de leurs propriétés chimiques et physiques.



 

Porosité et molécules adsorbées

Comme indiqué précédemment, le charbon actif doit ses propriétés adsorbantes à sa structure hautement poreuse. 
Cette structure se compose d’un réseau complexe de pores de tailles variables qui peuvent être classés en micropores (diamètre inférieur à 2 nm), mésopores (diamètre compris entre 2 nm et 50 nm) et macropores (diamètre supérieur à 50 nm).



La distribution et la taille des pores influencent considérablement les capacités d’adsorption du charbon actif, déterminant son efficacité à adsorber des molécules de différentes tailles.

Micropores (diamètre inférieur à 2 nm)

Composés phénoliques et petites molécules organiques volatiles : 
Ces composés organiques peuvent provenir de diverses sources, biotiques et abiotiques.

Elles comprennent différents types d’alcools, d’aldéhydes, d’acides organiques et d’autres catabolites qui peuvent être présents dans l’eau de l’aquarium en raison du métabolisme des organismes vivants ou de la décomposition de matière organique.


Elles sont toxiques pour de nombreux organismes aquatiques et peuvent nuire à la santé de l’écosystème de l’aquarium.

Chloramines : Substances chimiques utilisées pour désinfecter l’eau potable, mais nocives pour les organismes vivants dans les aquariums.

Les molécules de chlore et de chloramine sont suffisamment petites pour être adsorbées efficacement par les micropores.

Mésopores (diamètre compris entre 2 nm et 50 nm)

Protéines, acides aminés et peptides nocifs : Même si leur taille diffère, de nombreuses protéines et de nombreux peptides nocifs sont capables d’adhérer aux mésopores et d’y rester piégés. 
De nombreux composés toxiques utilisés dans la lutte chimique permanente entre les coraux et les algues sont constitués de toxines à base de protéines, de peptides ou d’acides aminés.


Éliminer ces substances contribue à atténuer les effets inhibiteurs et à réduire les manifestations d’allélopathie.

Colorants et tanins : Il s’agit de substances qui peuvent donner à l’eau de l’aquarium une couleur désagréable, réduire sa transparence et influencer négativement le métabolisme du système.
Les mésopores sont efficaces pour adsorber ces molécules.

Médicaments, antibiotiques et autres contaminants de synthèse : Après un traitement médicamenteux, il est fréquent de retrouver dans le système des résidus des médicaments utilisés et de leurs catabolites.

Celles-ci peuvent rester longtemps dans l’eau, produisant des effets nocifs sur d’autres organismes et, plus généralement, sur l’ensemble du système, en particulier lorsqu’il s’agit de traitements avec des algicides.

Les mésopores du charbon actif peuvent adsorber ces substances, contribuant ainsi à réduire les effets secondaires nocifs des traitements.

Macropores (diamètre supérieur à 50 nm)



Grosses molécules organiques : Certaines grosses molécules organiques, comme certains polymères naturels ou synthétiques présents dans l’eau, peuvent être retenues dans les macropores. Leur élimination aide à prévenir l’accumulation de substances qui pourraient autrement favoriser la croissance d’algues ou de bactéries nocives.



Il est toutefois important de noter que, tandis que les micro- et mésopores jouent un rôle direct dans l’adsorption chimique des substances dissoutes, les macropores sont plus importants pour faciliter l’accès des molécules aux pores plus petits et pour éliminer les particules plus grosses grâce à une action davantage mécanique. 



 

Utilisation pratique du charbon actif

Lorsqu’on utilise du charbon actif en granulés, en flocons ou en granulés compactés, il est important de laver soigneusement le matériau afin de maximiser sa capacité d’adsorption et d’éliminer les poussières, les impuretés et les résidus de fabrication..

La plupart des fabricants recommandent de rincer le charbon actif à l’eau osmosée pendant quelques minutes.
Bien qu’un rinçage à l’eau osmosée soit généralement largement suffisant et que les processus supplémentaires n’apportent que des bénéfices marginaux, certains aquariophiles préfèrent également immerger le charbon dans de l’eau chaude pendant un certain temps avant utilisation, afin de s’assurer qu’il est complètement activé et que ses pores sont bien ouverts et exempts de poussière.




Positionnement


Le charbon actif peut être placé à différents endroits du système de filtration de l’aquarium, selon les besoins et l’utilisation que nous en ferons.

Le choix entre une utilisation statique (avec le sachet simplement suspendu dans une zone de fort courant) ou dynamique (dans des réacteurs dédiés ou dans une section de la décantation avec circulation forcée) dépend du système et des résultats que nous souhaitons obtenir.



L’une des méthodes les plus courantes consiste à placer le charbon dans des sachets en filet ou des récipients appropriés, positionnés dans l’une des sections de la décantation, après la section de préfiltration-filtration mécanique.

Certains passionnés préfèrent utiliser des réacteurs dédiés au charbon actif, qui permettent une plus grande exposition de l’eau au matériau filtrant, augmentant ainsi son efficacité et sa vitesse d’adsorption.



Dans certains systèmes, notamment en cas d’utilisation continue, on privilégie une vitesse d’adsorption plus modérée et on accepte de perdre un peu d’efficacité afin d’obtenir une réduction plus douce des composés organiques.


En revanche, lorsqu’il est utilisé pour éliminer un contaminant toxique, un usage actif avec une circulation forcée de l’eau à travers le matériau peut être plus intéressant, afin d’en augmenter l’efficacité et la vitesse d’élimination.



Fréquence de renouvellement



La fréquence à laquelle il convient de remplacer le charbon actif dans l’aquarium marin récifal dépend de plusieurs facteurs, notamment la charge biologique de l’aquarium, la quantité et la qualité du charbon utilisé, le peuplement du système et la présence de contaminants.



En règle générale, il est recommandé de remplacer le charbon actif toutes les 2 à 4 semaines ; toutefois, selon les conditions spécifiques de chaque système, la fréquence de remplacement peut être adaptée aux besoins de l’aquarium.



Il est essentiel d’apprendre à surveiller et à interpréter les conditions du système afin de déterminer le moment optimal pour remplacer le charbon.

La durée d’efficacité du charbon actif peut varier considérablement selon le type et la qualité du charbon lui-même, ainsi que selon l’intensité de son utilisation. 
Pour maintenir une efficacité optimale, il est essentiel d’évaluer régulièrement les conditions de l’eau et de remplacer le charbon avant que sa capacité d’adsorption ne soit épuisée.

Limitations et précautions

Une utilisation inadéquate du charbon actif peut entraîner divers effets secondaires négatifs sur l’aquarium et ses habitants.


Par exemple, un excès de charbon actif peut éliminer de l’eau des substances utiles, telles que les éléments traces, nécessaires à la croissance et à la santé des coraux ou entraîner une élimination trop rapide et agressive des composés organiques, ce qui peut déstabiliser l’écosystème et perturber les animaux.



Il a été observé à plusieurs reprises qu’une vitesse excessive d’absorption de certaines molécules organiques peut s’avérer nocive pour de nombreux coraux.

En cas d’utilisation de grandes quantités dans des systèmes à circulation forcée, plusieurs coraux peuvent être irrités et se fermer, ou commencer à produire des filaments. 


De plus, un charbon de mauvaise qualité peut libérer de grandes quantités de phosphates, de baryum, de zinc, d’aluminium ou d’autres contaminants, dégradant davantage la qualité de l’eau.

Nous espérons que cette présentation détaillée vous aura été utile, en contribuant à clarifier certains doutes et en vous fournissant des informations précieuses sur l’utilisation du charbon actif dans vos aquariums.