Charbon actif : élimination des métaux lourds

Dans la deuxième d’une série de cinq sur les applications du charbon actif, l’utilisation du charbon actif pour séquestrer les métaux lourds est examinée. Les métaux lourds, par exemple le cadmium et le plomb, sont notoirement difficiles à éliminer de la solution et il y a de graves conséquences s’ils se retrouvent dans les cours d’eau, l’eau potable ou la mer. Le charbon actif fait partie de la solution.

Introduction

Les métaux lourds sont dans de nombreux cas toxiques pour les plantes et la vie aquatique. Le ruissellement provenant des pratiques minières, les sites de déchets mal gérés et l’activité industrielle sous-réglementée peuvent rendre les cours d’eau et les sols qui en résultent incapables d’être utilisés. Il est impératif que les métaux lourds soient éliminés dès que possible - pour prévenir les maladies et les dommages environnementaux. L’utilisation d’un filtre à charbon actif est l’une des méthodes les plus efficaces, fiables et résilientes pour immobiliser les métaux lourds. Les autres sources de métaux lourds dans l’eau comprennent les intempéries des bâtiments (en particulier le cuivre et le fer), les émissions des véhicules et les installations de plomberie. La principale méthode de filtration est l’exclusion de taille par adsorption. De nombreux métaux lourds sont bien adaptés à la filtration au CAG en raison de leurs propriétés électroniques complémentaires (telles que l’électronégativité) et de leur taille atomique.

photo de fonctionnalité

Ajout d’un filtre à charbon


Les filtres à charbon actif
peuvent être utilisés de plusieurs façons. Filtration en ligne dans le cadre d’une stratégie de traitement industriel ou comme méthode de post-traitement où les eaux stagnantes ou usées sont passées à travers un filtre à charbon actif avant tout autre traitement. Il est important de noter que d’autres traitements sont généralement nécessaires pour s’assurer que l’eau est apte à retourner dans les rivières ou la mer. Cela se fait de manière traditionnelle, tout comme la façon dont les eaux usées domestiques sont traitées.

Les déchets industriels sont les principales sources de contamination par les métaux lourds. Les ions chrome(iii) sont une caractéristique commune dans les eaux usées provenant des tanneries. En raison de la prévalence de leurs emplacements dans les pays en développement, certains traitements de l’eau peuvent avoir été historiquement médiocres. Deux types de charbon actif granulaire commercial ont été démontrés dans la recherche pour éliminer 98,6 et 93% du chrome présent dans les eaux usées(1). Ce taux de réussite élevé est directement attribué à la surface.

La présence de fer et de manganèse dans les eaux souterraines présente des problèmes similaires à ceux du chrome. Ces eaux souterraines sont souvent rougeâtres en raison de l’oxydation. Lorsque les eaux souterraines ont été traitées avec du charbon actif granulaire, l’eau est devenue presque complètement claire en aussi peu que six heures à température ambiante, le CAG ayant éliminé jusqu’à 3,60 et 2,55 mg de fer et de manganèse respectivement par gramme de carbone(2). Le Fe et le Mn sont particulièrement adaptés à l’élimination par CAG en raison de leurs électronégativités et de leurs rayons atomiques.

Les matières plus dangereuses comprennent le cadmium et le plomb. Des études de simulation sur leur élimination ont suggéré que l’utilisation du CAG est efficace lorsqu’elle est déployée dans une colonne à lit fixe (destinée à reproduire la filtration constante en ligne), avec une élimination presque complète(3). En appliquant ces idées dans le monde réel, les chercheurs ont pu montrer que le CAG peut immobiliser - et donc éliminer - le cadmium et le plomb, en plus du cuivre et du chrome, des sédiments fluviaux. Les chercheurs ont noté que la taille idéale des pores pour cet exemple du monde réel était de l’ordre de 0,075 à 0,18 mm. Comme d’autres recherches, les auteurs ont émis l’hypothèse qu’une combinaison de degré élevé de porosité et de propriétés électroniques compatibles a joué un rôle déterminant dans l’élimination efficace(4).

Lorsqu’il est déposé sur d’autres types de carbone tels que les nanotubes de carbone et les nanoparticules magnétiques encapsulées dans du carbone, le CAG peut également être efficace pour éliminer les ions cobalt de la solution. Les auteurs notent toutefois que la greffe sur d’autres types de carbone est bénéfique pour le CAG, mais l’ajout de CAG aux nanotubes, par exemple, n’augmenterait pas le comportement d’adsorption de ces nanotubes(5). Malgré cela, les auteurs indiquent clairement que la taille des particules du contaminant est un arbitre clé pour déterminer s’il peut ou non être éliminé par filtration.

processus de purification de l'eau
gouttelettes d’eau frappant l’eau

Filtres à charbon actif granulé en milieu biologique

Les métaux lourds ont tendance à ne pas bien jouer avec les systèmes biologiques (à l’exclusion de ceux directement impliqués, bien sûr) et leur élimination est donc essentielle.

L’utilisation de systèmes biologiques pour améliorer l’élimination avec le CAG a été démontrée lors de l’utilisation de levure. Cette combinaison CAG-biosorbant s’est avérée efficace pour éliminer le cadmium, le cuivre et le zinc de la solution. Lors de l’utilisation du filtre hétérogène combiné CAG-levure-alginate, environ 90 % des ions métalliques sont éliminés de la solution(6). D’autres procédés de bio-adsoprtion avec du charbon actif granulaire se sont révélés appropriés pour l’élimination de divers métaux lourds des eaux usées traitées primairement. Une dose de CAG de 5 g de L-1 était responsable de 54 % et de 96 % de l’élimination des contaminants par adsorption et bioadsorption, respectivement(7).

Les ions plomb et nickel peuvent être éliminés de la solution aqueuse et du ruissellement grâce à l’utilisation d’un réacteur discontinu de séquençage utilisant des boues biologiques et du charbon actif granulaire. Ce système composé est à bien des égards similaire à un réacteur à lit fixe, bien qu’il diffère par son hétérogénéité et sa température de fonctionnement. Fait intéressant, l’adsorption des contaminants a augmenté avec un temps de rétention hydraulique plus long. C’est-à-dire que plus le temps passé dans le filtre est long, meilleur est le retrait. Il faut s’y attendre, jusqu’à la capacité totale du filtre. Plus de 800 et 750 mg de nickel et de plomb respectivement sont facilement éliminés par gramme de charbon actif - bioboue composite. Les ions métalliques ont ensuite été récupérés du filtre composé par traitement à l’acide nitrique dilué. (8).

Le charbon actif granulaire peut provenir de moyens non commerciaux, et ce charbon actif qui a été préparé à partir de pierre d’abricot est efficace pour une gamme de métaux lourds. La recherche a toutefois montré que le CAG provenant de sources non commerciales souffre d’un manque d’homogénéité et d’une propension à exiger une plage de pH plus définie pour travailler efficacement(9).

Modifications apportées à la configuration traditionnelle du filtre à charbon actif

Comme discuté en détail ci-dessus, le fait que le charbon actif possède une surface énorme par rapport à son volume est essentiel dans sa capacité à adsorber les métaux lourds de la solution. La capacité d’un chimiste ou d’un ingénieur à effectuer une modification de surface sur du charbon actif granulaire - c’est-à-dire à modifier les propriétés de surface au moyen d’une réaction chimique ou d’un traitement physique - pour améliorer encore les propriétés déjà établies représente un développement passionnant. Des facteurs tels qu’une plus grande surface, des niveaux plus élevés d’inertie chimique et une résistance mécanique encore plus forte sont autant de propriétés communes recherchées(10) pour le traitement des eaux usées.

Les exemples incluent les cas où les chercheurs ont cherché à améliorer l’acidité à la surface du charbon actif. En utilisant un procédé d’acidification de l’acide nitrique, précédé d’un incinération et suivi d’un traitement à 1 273 K, ils ont constaté que l’adsorption des métaux lourds, y compris le cadmium, était beaucoup plus forte alors que l’adsorption des aromatiques était plus faible(11). D’autres améliorations de performance ont été notées avec le charbon actif granulaire qui a été modifié par traitement par micro-ondes, activation de la vapeur et traitement par ultrasons. Chacun d’entre eux s’est avéré efficace en laboratoire pour améliorer le profil d’élimination de certains métaux lourds et de leurs composés(12).

Un excellent exemple de la fin plus simple de la modification de surface est le traitement d’un matériau de charbon actif granulaire avec de l’acide citrique. Les chercheurs ont constaté qu’un dopage modeste augmentait la surface du charbon actif de 34% et augmentait sa capacité d’adsorption du cuivre à près de 15 mg Cu par g(13), soit environ 140% de mieux que le carbone non modifié. De même, l’élimination des ions de métaux lourds de la solution aqueuse a été accélérée lors de l’utilisation de charbon actif granulaire traité au sulfure de sodium comme adsorbant pour l’élimination du mercure, du plomb et du nickel(14). Fait intéressant aussi, cette étude a montré que l’adsorption dans ce cas ne dépendait pas du tout de la température. Le traitement acide et basique est un choix populaire, le prétraitement du CAG avec de l’acide nitrique 1,0 M et de l’hydroxyde de potassium montrant une adsorption accrue sur un large éventail de métaux lourds, en particulier le cadmium et le cuivre(15).

Alors que la modification de surface du charbon actif granulaire devient populaire, il convient de noter qu’elle ajoute des coûts et une complexité supplémentaires. En outre, cela soulève le problème de la façon dont les produits chimiques utilisés pour effectuer le traitement devraient eux-mêmes être éliminés. Une étude plus approfondie des coûts par rapport aux avantages devrait être envisagée(16).

usine de traitement de l'eau
eau filtrée propre versée

Résumé

  • Le charbon actif granulaire est un excellent matériau pour la filtration d’une grande variété de matériaux et de contaminants de l’eau
  • Certains des polluants les plus pernicieux qui proviennent d’activités telles que l’exploitation minière comprennent les métaux lourds. Les résidus de fer et de manganèse sont facilement éliminés par filtration au CAG
  • Les métaux lourds beaucoup plus toxiques (donc problématiques) présentent plus de danger et sont également éliminés de l’eau stagnante ou courante par filtration au CAG
  • La combinaison de la filtration au CAG avec des systèmes biologiques comme la levure peut fournir une voie de filtration encore plus efficace pour certains des contaminants les plus difficiles à isoler
  • Le CAG est facilement modifié à la surface, par exemple par acidification, ce qui peut aider à moduler les propriétés de surface du CAG pour avoir des cas d’utilisation encore plus larges.
Pot rempli d’anthracite moulue

Références

1 N. F. Fahim et al., J. Hazard. Mater., 2006, 136, 303

2 A.bin Jusoh et al., Desalination, 2005, 182, 347

3 L. S. Shiung et coll., Dessalement, 2007, 206, 9

4 W.-F. Chen et al., Env. Sci. Pollution Res., 2016, 23, 1460

5 M, Bystrzejewski et al., Colloïdes et surf. Sci. un, 2010, 162, 102

6 E. Wilkins et Q. Yang, J. Env. Sci. et Santé A, 1996, 31, 2111

7 H. H. Ngo et al., Bioresource Tech., 2008, 99, 8674

8 S. Sirinantapiboon et coll., Bioresource Tech., 2007, 98, 2749

9 E. Demirbas et coll., Bioresource Tech., 2005, 96, 13

10 W. S. Chai et coll., J. Cleaner Prod., 2021, 296, 126589

11 M. Machida et al., Appl. Surfer. Sci., 2007, 8554

12 A. Khalil et al., J. Eau Proc. Eng., 2021, 102221

13 J. P. Chen et coll., Carbon, 2003, 41, 1979

14 G. K. Mishra et al., JSIR, 2010, 69, 449

15 S. H. Kwon et al., J. Ind. Eng. Chem., 2008, 14, 131

16 S.-J. Park et coll., Revêtements, 2019, 103