Le charbon et ses dérivés techniques

Le carbone est connu depuis la Préhistoire du fait de sa présence dans la suie ou le charbon de bois. Mais depuis ces temps reculés, les produits à base de carbone (sous sa forme libre) ont bien évolués. Ainsi, des matières telles que l’anthracite, les cokes, le noir de carbone, le graphite ou encore les fibres de carbone ont trouvé leur place en tant matériaux de haute technologie dans un large éventail d’applications industrielles telles que la fabrication de matériaux de construction, d’électrodes, de pièces automobiles, de composants de centrales nucléaires ou de mines de crayons, la purification de composés chimiques ou alimentaires ou encore pour améliorer les rendements énergétiques de certains procédés industriels.

Un filtre puissant et universel

La chimie du charbon de bois était peu connue jusqu’en 1780. Lors de la Première Guerre mondiale, l’usage par les Allemands du gaz moutarde comme arme chimique a suscité des vocations de recherches sur les propriétés d’absorption du charbon de bois en vue de leur utilisation dans les masques à gaz. Le carbone, qui a la propriété chimique de se charger négativement, a la capacité de retenir à sa surface tous les éléments qui ont la propriété chimique de se charger positivement tels que des cations métalliques, des contaminants organiques, des gaz dissous et autres toxines. C’est cette propriété chimique qui confère au carbone ses propriétés d’adsorption. En procédant à une activation du charbon de bois, c’est à dire, en augmentant sa surface spécifique, on augmente la capacité d’adsorption du charbon. Un filtre à charbon actif granulaire peut par exemple éliminer le radon radioactif solide, le chloroforme et les odeurs dégagées par les colles utilisées pour assembler les tuyaux d’alimentation en eau en plastique.

Récupération des huiles usées

Des charbons préparés à partir de balsa de l’Équateur, d’ipil-ipil géant des Philippines et de bambou du Japon ont prouvé des capacités de sorption du pétrole lourd de qualité A. Les charbons préparés à partir du balsa ont montré une capacité de sorption relativement élevée de 30 kg/kg. La capacité de sorption de la balle de riz carbonisée pour les huiles a aussi été testée. La balle de riz carbonisée, contenant du SiO2 résiduel, a une capacité de sorption de plus de 6 kg/kg pour l’huile lourde de qualité B. Cette capacité est d’ailleurs curieusement plutôt due aux composants huileux restant dans la balle de riz même après la carbonisation, plutôt qu’à sa porosité. Les balles de riz carbonisées à 480 °C ont une capacité de sorption de 9,2 kg/kg pour le pétrole brut, 5,5 kg/kg pour le diesel et 3,7 kg/kg pour l’essence.

Éliminer des impuretés colorées

Le charbon actif peut être utilisé pour éliminer de petites quantités d’impuretés colorées d’une solution. En effet, le charbon actif a une grande affinité pour les composés conjugués, dont les structures plates se coincent bien entre les feuilles de graphène. La quantité utilisée doit être limitée, car le charbon de bois adsorbe tous les composés dans une certaine mesure. Si elle est dépassée cela peut entraîner une récupération partielle du composé que l’on souhaite faire disparaître. Le charbon de bois décolorant est ajouté après qu’un solide ait été dissous dans la quantité minimale de solvant chaud. Il faut en utiliser une petite partie au début de l’opération. Lors de l’ajout de charbon de bois, il faut retirer temporairement la solution de la source de chaleur. La surface très étendue des molécules du charbon de bois peut rapidement faire bouillir les zones surchauffées du mélange. Si la solution est très colorée, seule un petit ajout primaire de charbon est nécessaire. La solution devient gris pâle. Il suffit d’en ajouter avec parcimonie pour éliminer la coloration restante. Les particules de charbon sont si fines qu’une filtration à chaud est nécessaire pour les éliminer.

Produire ou optimiser la production d’énergie

La gazéification du charbon est beaucoup utilisée dans de nouveaux processus industriels. Il se gazéifie en présence d’oxygène et de vapeur d’eau. Il donne alors un gaz de synthèse qui est un mélange d’hydrogène et de monoxyde de carbone. On l’utilise de plus en plus dans les centrales électriques qui fonctionnent selon le principe du cycle combiné à gazéification intégrée. Ce produit intermédiaire peut également être converti, selon la méthode utilisée, en de nombreux autres produits. On l’utilise pour fabriquer des carburants synthétiques mais aussi du méthanol, de l’urée ou bien encore de l’hydrogène pur. La cire obtenue après conversion contient de nombreux hydrocarbures. Une fois transformée elle permet d’obtenir un très bon gazole.

Briques de maçonnerie

Lorsque le charbon de bois est utilisé comme additif à l’argile il peut contribuer à économiser de l’énergie dans la production de briques. Il les rend également plus résistantes et plus légères. L’addition de charbon à l’argile et une cuisson à 950° permet la formation de nombreux pores dans la brique. Il a été constaté que l’absorption d’eau lors de la cuisson augmentait avec l’augmentation de la quantité de charbon de bois. La résistance des briquettes cuites diminue avec l’augmentation de la teneur en charbon de bois en raison de l’augmentation de la porosité. Cependant, on a également constaté que la résistance augmentait avec la température de cuisson. Les briquettes idéales sont composées de 2,5 % de poussières de charbon de bois d’une dimensions inférieures à 0,5 mm et cuites à 950 °C. Elles sont plus poreuses, donc plus légères, et plus solides que les briques commerciales.