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

Le charbon actif , également connu sous le nom de charbon actif, est une forme de charbon qui a subi des traitements d'activation dans le but d'améliorer ses capacités adsorbantes caractéristiques, en augmentant sa surface interne et sa porosité.

Il est produit par la carbonisation de matières organiques telles que le bois , la noix de coco ou directement à partir du charbon , suivi d'un processus d'activation qui augmente sa porosité et sa capacité à absorber les produits chimiques et les impuretés.
Le charbon actif doit ces propriétés à sa structure hautement poreuse.
Cette structure poreuse n’est pas uniforme mais est plutôt composée d’un réseau complexe de pores de tailles variables.

Usage

Dans les aquariums récifaux marins, le charbon actif est utilisé dans le cadre 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 récifal marin, la qualité de l’eau est essentielle à la santé et au bien-être des organismes vivants et de l’ensemble du système en général.

L’eau doit avoir des paramètres stables et bien définis pour assurer la survie et la prospérité 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 pour reproduire les conditions naturelles et fournir un environnement adéquat à nos clients.
La présence d’un excès de matière organique en décomposition, de produits chimiques nocifs ou d’autres contaminants peut compromettre la qualité de l’eau, causant des problèmes de santé aux habitants de l’aquarium et affectant négativement la stabilité de l’ensemble de l’écosystème.

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

Processus de production

Le charbon actif est connu pour sa structure hautement poreuse, qui lui confère une grande surface par unité de volume et à laquelle on doit ses caractéristiques.
Cette structure poreuse est obtenue par le processus de carbonisation et d’activation du matériau carboné de base.
Lors de la carbonisation, la matière organique carbonée est chauffée à des températures élevées en l’absence d’oxygène, produisant du charbon de bois. Par la suite, le charbon est activé par des traitements chimiques ou physiques qui ouvrent et augmentent 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 et la tourbe . Chaque type de matériau produit un charbon actif avec des caractéristiques spécifiques de porosité et de capacité d'absorption.

Bois : Les charbons actifs dérivés du bois ont généralement tendance à avoir une porosité relativement élevée et une bonne quantité de macropores, ce qui les rend adaptés à l'adsorption de grosses molécules. Cependant, cela réduit leur efficacité à adsorber les petites molécules, les rendant moins intéressantes pour nos besoins, si elles ne sont pas traitées spécifiquement.

Tourbe : La tourbe, étant moins dense et de composition plus hétérogène que les autres matériaux carbonés, conduit à la production de charbon actif avec un mélange variable de pores, mais de qualité inférieure. Bien qu'ils aient tendance à avoir un bon équilibre entre micro et mésopores, leur faible surface les rend moins performants et donc moins adaptés aux applications avancées.

Charbon : Les charbons actifs produits à partir du charbon, également appelés « charbons minéraux » (charbon bitumineux, lignite, anthracite, etc.) présentent une structure poreuse très développée avec une bonne répartition des micro et 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 connus pour leur grande dureté et pour avoir une grande quantité de micropores, ce qui les rend particulièrement efficaces pour adsorber les petites molécules organiques.
Ils sont souvent préférés pour les applications nécessitant la purification de l’eau à partir de petits contaminants moléculaires et sont parmi les plus couramment utilisés dans notre industrie.

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 utilisée.

Activation chimique : Dans l'activation chimique, la matière carbonée est soumise à l'action d'agents d'activation chimique avant la carbonisation. Ces agents chimiques (par exemple l’acide phosphorique, l’hydroxyde de sodium ou de potassium, le chlorure de zinc , etc.) dégradent et gonflent la structure du matériau de départ, augmentant sa porosité interne.
Le traitement se déroule à des températures comprises entre 450°C et 900°C, nettement inférieures à celles utilisées dans l’activation physique.

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

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

Activation physique

L'activation physique commence par la carbonisation de la matière carbonée à des températures allant de 600°C à 900°C dans un environnement à faible teneur en oxygène. Ensuite, le matériau carbonisé est exposé à des gaz oxydants (par exemple, de la vapeur d’eau, du dioxyde de carbone) à des températures encore plus élevées, généralement comprises entre 800 °C et 1 000 °C. Ce processus ouvre la structure poreuse du charbon, éliminant la matière organique volatilisée et créant un vaste réseau de pores.

Activation avec de la vapeur d'eau

L'utilisation de la vapeur d'eau est courante lorsque l'on souhaite produire du charbon actif avec une bonne répartition des pores de toutes tailles. Le matériau obtenu est efficace pour adsorber une large gamme de composés, des composés organiques volatils en phase gazeuse aux contaminants dans les solutions aqueuses.

activation du CO2

Cette méthode tend à produire un charbon actif avec une concentration plus élevée de mésopores, utile pour l'adsorption de molécules de taille moyenne à grande.

Choix de la technologie d'activation

L'activation physique est souvent préférée pour la production de charbon actif pour une large gamme d'applications, notamment la purification de l'air, le traitement des eaux usées industrielles et l'adsorption de contaminants provenant de flux de gaz 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 spécificités de l’application. L'activation chimique est souvent plus coûteuse en raison de l'utilisation de réactifs chimiques, mais peut produire des charbons actifs avec des propriétés d'adsorption supérieures pour des contaminants spécifiques. D’autre part, l’activation physique est généralement plus polyvalente et moins coûteuse, ce qui rend le charbon actif produit adapté à une plus large gamme d’applications.

Impact environnemental

Outre les considérations techniques, l’impact environnemental et les coûts de production sont également cruciaux lors du choix de la méthode d’activation.
L'activation chimique , bien qu'offrant des avantages spécifiques en termes de contrôle de la porosité et des propriétés d'adsorption, implique l'utilisation et l'élimination de produits chimiques potentiellement dangereux , qui peuvent avoir des implications environnementales .
En conséquence, la recherche et le développement s’orientent vers des procédés plus respectueux de l’environnement et durables, tels que l’utilisation d’ agents activateurs plus sûrs ou la récupération et la réutilisation d’agents chimiques .
En revanche, l’activation physique, bien que généralement plus durable sur le plan environnemental , nécessite des quantités importantes d’énergie , en particulier dans les étapes de carbonisation à haute température et d’activation du gaz oxydant. L’efficacité énergétique de ces procédés est donc un domaine d’intérêt pour réduire les coûts d’exploitation et l’empreinte carbone associée à la production de charbon actif.

Heureusement, les progrès technologiques visent à développer des méthodes d’activation plus efficaces, plus rentables et plus durables sur le plan environnemental.
Par exemple, la recherche explore l’utilisation des micro-ondes pour l’activation du charbon de bois , ce qui peut fournir un chauffage plus rapide et plus uniforme, réduisant ainsi les temps de traitement 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 les aquariums.

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

La taille des pores peut varier et est calibrée en choisissant différents matériaux et techniques d'activation, permettant 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'adsorption des impuretés 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 grâce à 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 qui peuvent interagir chimiquement avec les substances à adsorber, améliorant encore leur efficacité.
Les impuretés adsorbées restent piégées dans les pores, permettant leur élimination efficace.

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

Porosité et molécules adsorbées

Comme mentionné ci-dessus, le charbon actif doit ses propriétés adsorbantes à sa structure hautement poreuse. Cette structure est composée d'un réseau complexe de pores de taille variable qui peuvent être classés en micro-pores (diamètre inférieur à 2 nm), méso-pores (diamètre compris entre 2 nm et 50 nm) et macro-pores (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, à la fois biotiques et abiotiques.
Ils comprennent divers types d’ alcools, d’aldéhydes, d’acides organiques et d’autres catabolites qui peuvent être présents dans l’eau de l’aquarium à la suite du métabolisme des organismes vivants ou de la décomposition de la matière organique.

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

Chloramines : Produits chimiques utilisés dans l’eau potable pour la désinfection, mais nocifs pour les organismes vivants dans les aquariums.
Les molécules de chlore et de chloramine sont suffisamment petites pour être efficacement adsorbées par les micropores.

Mésopores (diamètre compris entre 2 nm et 50 nm)

Protéines, acides aminés et peptides nocifs : Bien qu'ils diffèrent en taille, de nombreuses protéines et peptides nocifs sont capables d'adhérer et de rester piégés dans les mésopores. De nombreux composés toxiques utilisés dans la bataille chimique en cours entre les coraux et les algues sont des toxines à base de protéines, de peptides ou d’acides aminés.

L’élimination de ces substances permet d’atténuer les effets inhibiteurs et de réduire les manifestations de l’allélopathie.

Colorants et tanins : Ce sont des substances qui peuvent donner à l'eau de l'aquarium une couleur désagréable, réduisant la transparence et affectant négativement le métabolisme du système.
Les mésopores sont efficaces pour adsorber ces molécules.

Médicaments, antibiotiques et autres contaminants synthétiques : Après un traitement pharmacologique, il est fréquent de retrouver dans l’organisme des résidus des médicaments utilisés et de leurs catabolites.
Ceux-ci peuvent rester longtemps dans l'eau, provoquant des effets nocifs sur d'autres organismes et sur l'ensemble du système en général, notamment lorsqu'il s'agit de traitements 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. Les éliminer permet d’éviter l’accumulation de substances qui pourraient autrement favoriser la croissance d’algues ou de bactéries nocives.

Il est important de noter, cependant, que si les micro- et méso-pores jouent un rôle direct dans l'adsorption chimique des substances dissoutes, les macro-pores sont plus importants pour faciliter l'accès des molécules aux pores plus petits et dans l'élimination des particules plus grosses par une action plus mécanique.

Utilisation pratique du charbon actif

Lors de l'utilisation de charbon actif sous forme de granulés, de flocons ou de pastilles, il est important de bien laver le matériau pour maximiser sa capacité d'adsorption et éliminer la poussière, les impuretés et les résidus de production .

La plupart des fabricants recommandent de rincer le charbon actif dans l’osmose pendant quelques minutes.
Bien qu'un rinçage par osmose inverse soit généralement plus que suffisant et que les processus ultérieurs n'aient que des avantages marginaux, certains amateurs préfèrent également faire tremper le charbon dans de l'eau chaude pendant un certain temps avant utilisation pour s'assurer qu'il est complètement activé et que les pores sont bien ouverts et exempts de poussière.

Positionnement

Le charbon actif peut être placé à différents points du système de filtration de l'aquarium, en fonction des besoins et de l'utilisation que nous en ferons.
Le choix entre une utilisation statique (avec le sac simplement suspendu dans une zone de fort flux) ou dynamique (dans des réacteurs dédiés ou dans une section du puisard à circulation forcée) dépend du système et des résultats que l'on souhaite obtenir .

L’une des méthodes les plus courantes consiste à placer le charbon à l’intérieur de sacs en filet ou de conteneurs spéciaux placés dans l’une des sections du puisard, après la section de pré-filtrage-filtrage 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 dans le cas d'une utilisation continue , une vitesse d'absorption plus modérée est préférée et on est prêt à perdre un peu d'efficacité afin d'avoir une réduction plus délicate des composés organiques .

Si, en revanche, il est utilisé pour éliminer un contaminant toxique, il peut être plus intéressant de l'utiliser activement avec une circulation forcée d'eau qui traverse le matériau afin d'augmenter son efficacité et sa vitesse d'élimination.

Fréquence de remplacement

La fréquence à laquelle vous devez remplacer le charbon actif dans votre aquarium récifal marin dépend de plusieurs facteurs , notamment la charge biologique de l'aquarium, la quantité et la qualité du charbon utilisé, la population du système et la présence de contaminants .

En règle générale, il est recommandé de remplacer le charbon actif toutes les 2 à 4 semaines , mais en fonction des conditions spécifiques des différents systèmes, la fréquence de remplacement peut être modifiée en fonction des besoins du réservoir.

Il est essentiel d’apprendre à surveiller et à interpréter les conditions du système pour déterminer le moment optimal pour le remplacement du carbone.

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

Limitations et précautions

Une mauvaise utilisation du charbon actif peut entraîner divers effets secondaires négatifs sur l'aquarium et ses habitants.
Par exemple, une trop grande quantité de charbon actif peut éliminer de l'eau des substances bénéfiques , comme les oligo-éléments , nécessaires à la croissance et à la santé des coraux , ou conduire à une élimination trop rapide et agressive de composés organiques , ce qui peut déstabiliser l'écosystème et perturber les animaux .

Il a été observé à plusieurs reprises qu'une vitesse excessive dans l'absorption de certaines molécules organiques peut être néfaste pour de nombreux coraux .

Si de grandes quantités sont utilisées dans des systèmes à circulation forcée, plusieurs coraux peuvent être perturbés et se refermer ou commencer à tourner.

De plus, le carbone de mauvaise qualité peut libérer de grandes quantités de phosphate, de baryum, de zinc, d’aluminium ou d’autres contaminants, compromettant davantage la qualité de l’eau.

Nous espérons que ce petit aperçu vous a été utile, en aidant à clarifier certains doutes et en vous fournissant des informations précieuses sur l'utilisation du charbon actif dans vos aquariums.