Le carbone activé est l'un des matériaux industriels les plus polyvalents en usage aujourd'hui, prisé pour sa porosité et sa surface extraordinaires qui peuvent dépasser 1 000 m2 par gramme. Sa production traditionnelle dépend depuis longtemps du charbon, de la tourbe et du lignite non renouvelables, associés à une activation thermique ou chimique à haute température qui consomme de grandes quantités d'énergie et qui émet souvent du dioxyde de carbone et d'autres polluants. La poussée croissante vers la durabilité environnementale et les économies circulaires a entraîné une innovation sérieuse dans l'utilisation de matières premières renouvelables et de méthodes d'activation plus propres et plus efficaces.

Le cas du carbone activé durable

La production de carbone actif à partir de ressources renouvelables n'est pas seulement une curiosité académique; elle répond aux impératifs environnementaux et économiques fondamentaux. Premièrement, l'abandon des matières premières fossiles réduit directement l'empreinte carbone de la matière. L'extraction du charbon et de la tourbe perturbent fortement les écosystèmes et leur combustion lors des rejets d'activation du carbone stocké. Par contre, les résidus agricoles et forestiers sont biogéniques — le carbone qu'ils contiennent a été récemment fixé de l'atmosphère, de sorte qu'ils peuvent s'approcher de la neutralité carbone si le processus d'activation lui-même est alimenté par l'énergie renouvelable. Deuxièmement, bon nombre de ces matières premières sont des flux de déchets qui autrement seraient brûlés (en éliminant le CO2 et les particules) ou laissés pour se décomposer, produire du méthane.

Le marché mondial du charbon actif, évalué à environ 4,5 milliards de dollars en 2021, devrait atteindre plus de 8 milliards de dollars d'ici 2030, en raison du resserrement de la réglementation environnementale et de la demande accrue d'eau et d'air purs.

Stocks d'alimentation renouvelables pour le carbone activé

Le choix de la matière première influence profondément les propriétés, le coût et la durabilité du charbon actif résultant. Les matières premières idéales ont une teneur élevée en carbone fixe, de faibles cendres et une structure qui peut être développée en pores de la distribution de taille souhaitée. Plusieurs classes de matériaux renouvelables ont été démontrées avec succès à l'échelle du laboratoire et du pilote, et certaines sont déjà commercialisées.

Déchets agricoles

Les résidus agricoles sont les matières premières renouvelables les plus étudiées, qui sont abondantes, peu coûteuses et qui ont souvent peu d'autres utilisations à forte valeur ajoutée.

  • Coquilles de coco — Déjà une importante matière première commerciale, en particulier au Sri Lanka et en Indonésie. Les coquilles de coco sont dures, denses et riches en carbone (environ 75 à 80 % de carbone fixe après carbonisation). Elles produisent du carbone actif microporeux idéal pour les applications en phase gazeuse comme les masques à gaz et les filtres à air. L'activation peut se faire par vapeur ou CO2 à 800 à 1000 °C, ou chimiquement avec de l'acide phosphorique ou de l'hydroxyde de potassium.
  • Les projectiles de riz — Un sous-produit massif de la mouture du riz. Les projectiles de riz ont une teneur élevée en silice (15-20%), ce qui peut compliquer l'activation mais crée aussi un matériau composite unique. Silice peut être enlevé plus tard ou conservé pour des propriétés d'adsorption spécifiques. Le charbon actif dérivé du riz a été utilisé pour le traitement des eaux usées et comme matériau d'électrode supercondensateur.
  • Cobs et poêles à maïs — Aux États-Unis et dans d'autres régions où le maïs est cultivé, les cobs de maïs sont un matériau lignocellulosique facilement disponible. Ils produisent un mélange de micro- et de mésopores et ont été utilisés pour l'élimination des colorants et l'adsorption de métaux lourds.
  • Coquilles de grains de palm — Éminence régionale en Asie du Sud-Est, où la production d'huile de palme produit de grandes quantités de coquilles de grains. Elles sont dures, peu abondantes et de qualité similaire à celle des coquilles de noix de coco.
  • Pierres vivantes et fosses à fruits — Communes dans l'agriculture méditerranéenne, elles ont une forte teneur en carbone et produisent du charbon actif de haute qualité pour des applications spécialisées.

Chaque matière première agricole a des nuances qui affectent le processus d'activation. La teneur élevée en lignine produit généralement plus d'omble et un meilleur développement des pores. Les cendres élevées peuvent réduire la pureté du produit et nécessiter un lavage supplémentaire.

Résidus forestiers et bois

Les résidus de bois et de forêt sont utilisés dans la production de charbon de bois et de charbon actif depuis des siècles. Les pratiques forestières durables, certifiées par des organismes comme le Forest Stewardship Council (FSC) font en sorte que l'exploitation forestière ne s'épuise pas et ne nuit pas à la biodiversité.

  • Copeaux de bois et de sciure — Des scieries et du travail du bois, qui sont propres, uniformes et faciles à manipuler. Le charbon actif à base de bois a tendance à être plus mésoporeux, adapté à l'adsorption en phase liquide (p. ex. purification de l'eau, décoloration).
  • Bark and leaves — On peut utiliser des éclaircissages forestiers et des coupes de bois, bien que l'écorce ait une teneur en cendres plus élevée. Si elle n'est pas utilisée, ces résidus sont souvent empilés et brûlés ou laissés pour dépérir, émettant du carbone.
  • Le saule et le peuplier provenant de la coppice à courte rotation — Les cultures énergétiques vivaces cultivées sur des terres agricoles marginales peuvent fournir une matière première spécifique qui ne concurrence pas la production alimentaire.Ces arbres à croissance rapide peuvent être récoltés tous les 2 à 5 ans, fournissant un approvisionnement prévisible.

L'utilisation de résidus de bois provenant de forêts durables certifiées est l'une des voies les plus favorables à l'environnement. L'empreinte carbone peut être encore réduite lorsque l'activation est alimentée par l'énergie issue de la biomasse provenant du même approvisionnement en bois.

Stocks d'engrais nouveaux et émergents

La recherche ne cesse d'élargir la liste des matières premières renouvelables viables, notamment les suivantes :

  • Bambou — Une graminée à croissance rapide qui peut atteindre sa maturité en 3-5 ans. Le bambou a une forte teneur en cellulose et produit du charbon actif avec une surface élevée et une bonne résistance mécanique.
  • Algues et algues — La biomasse aquatique peut être cultivée dans les eaux usées, ce qui permet de récupérer des éléments nutritifs et de capter le carbone. Les hydrochars et les charbons activés dérivés des algues ont montré leur efficacité pour les colorants et l'adsorption de métaux lourds.
  • Déchets solides municipaux (GSM) fraction organique — La partie organique de GSM (débris alimentaires, déchets de chantier) peut être convertie en biochar puis activée. Bien que des préoccupations concernant les contaminants (métaux lourds, pathogènes) existent, le tri et le lavage soigneux peuvent produire du carbone utilisable. Cette approche s'attaque directement aux problèmes de déchets urbains.
  • Les terrains de café usés — Selon les estimations, plus de 10 millions de tonnes de terrains de café sont produites annuellement dans le monde entier. Ils sont riches en carbone et peuvent être activés pour produire des adsorbants pour le traitement des eaux usées.

La clé de la viabilité commerciale est la cohérence de l'offre et de la composition. Pour les nouvelles matières premières, la construction de systèmes de collecte et de prétraitement fiables est essentielle.

Voies de production: de la biomasse au carbone à haut rendement

La conversion des matières premières renouvelables en charbon actif comporte deux étapes principales : la carbonisation (pyrolyse) pour produire un char et l'activation pour développer la porosité. L'étape d'activation peut être physique (utilisant des gaz) ou chimique (utilisant des réactifs).

Activation physique

C'est la méthode traditionnelle : la matière première est d'abord pyrolysée dans une atmosphère inerte (par exemple, l'azote) à 400–800°C pour chasser les volatils et produire un char. L'omble de carbone est ensuite exposé à un gaz oxydant — généralement la vapeur, le dioxyde de carbone ou un mélange — à 800–1000°C. Le gaz réagit avec des atomes de carbone pour créer des pores. L'activation de la vapeur produit une distribution large de pores (micro- et mésopores), tandis que le CO2 tend à favoriser les micropores. L'activation physique nécessite des températures élevées et une apport énergétique significatif, mais elle n'utilise que des réactifs gazeux, ne laissant aucun résidu chimique à laver.

L'activation physique peut être rendue plus durable en utilisant l'énergie renouvelable pour produire la chaleur élevée. Par exemple, un gazéificateur de biomasse peut produire des gaz syniques brûlés pour chauffer le four, créant un système presque fermé. Certains producteurs utilisent l'énergie solaire thermique concentrée pour atteindre les températures d'activation, bien que ce soit encore à l'échelle pilote.

Activation chimique

L'activation chimique entraîne une augmentation des rendements (30 à 50 %) et des surfaces supérieures (jusqu'à 3 000 m2/g avec KOH). Toutefois, elle nécessite une substance chimique qui doit être récupérée et régénérée pour être économique et écologiquement saine. L'activation de l'acide phosphorique est le processus chimique commercial le plus courant, en particulier pour les carbones à base de bois, car l'acide peut être récupéré en grande partie par lavage et réutilisation. Le chlorure de zinc est moins favorisé en raison de préoccupations de toxicité. L'activation de l'acide phosphorique est réservée aux carbones de haute qualité (par exemple pour les supercondensateurs) où une surface extrême est nécessaire, mais le coût du réactif et son élimination sont importants.

Les systèmes à boucle fermée où l'agent activateur est recyclé peuvent aborder la durabilité de l'activation physique tout en bénéficiant de besoins énergétiques plus faibles.

Activation assistée par micro-ondes

Le chauffage par micro-ondes permet une sortie radicale des fours conventionnels. Les micro-ondes interagissent directement avec les matériaux carbonés, qui sont d'excellents absorbeurs, les chauffent de l'intérieur. Cela permet des taux de chauffage beaucoup plus rapides (minutes plutôt que heures) et sélectifs qui peuvent réduire la consommation d'énergie de 50% par rapport aux méthodes conventionnelles. L'activation assistée par micro-ondes peut être appliquée sur les voies physiques et chimiques. Par exemple, les coques de noix de coco mélangées à KOH sous irradiation par micro-ondes peuvent produire du carbone actif avec une surface très élevée en moins de 10 minutes.

Les principaux défis sont l'augmentation des réacteurs à micro-ondes (la profondeur de pénétration limite la taille des lots) et l'obtention d'un chauffage uniforme. Cependant, des systèmes à micro-ondes continus sont en cours de développement et des unités commerciales pour le charbon actif existent en Chine et en Inde.

Carbonisation hydrothermale (HTC) et voies biochariques

L'hydrochar en résultant a une teneur en carbone plus élevée et une teneur en oxygène plus faible que la biomasse d'origine. L'hydrochar peut alors être activé chimiquement ou physiquement. L'hydrochar est particulièrement utile pour les matières premières à forte teneur en eau (par exemple, boues d'épuration, déchets de nourriture humide) qui seraient coûteuses à sécher pour la pyrolyse conventionnelle. L'eau agit comme un moyen et catalyseur, et le procédé produit un char solide, un liquide riche en composés organiques et une petite quantité de gaz. La fraction liquide peut être digérée anaérobiement pour produire du biogaz, améliorant ainsi l'équilibre énergétique global.

Le biochar, produit par pyrolyse lente de la biomasse à 350-700°C, est largement utilisé dans la modification du sol et la séquestration du carbone. Il peut être mis à niveau en carbone actif par la vapeur ou l'activation chimique. Ce processus en deux étapes (production de biochar + activation) peut être intégré dans une bioraffinerie où le biochar est partiellement utilisé pour ses avantages sur le sol et partiellement amélioré pour la filtration de l'eau.

Évaluation du cycle de vie et circonspection

Plusieurs études ont montré que le carbone actif provenant de coques de noix de coco ou de résidus de bois a une empreinte carbone inférieure à celle du charbon, à condition que l'énergie d'activation provient de sources non fossiles.Une étude de 2020 dans le Journal of Cleaner Production (liée ci-dessous) a comparé le charbon, la noix de coco et les carbones à base de bois, en concluant que les matières premières renouvelables réduisaient les émissions de gaz à effet de serre de 40 à 60 % par kilogramme de produit.

Le scénario de l'économie circulaire est encore plus attrayant : si le charbon actif usé d'une station de traitement de l'eau peut être régénéré et réutilisé (perdu de 5 à 15 % par cycle), l'impact initial du carbone est réparti sur plusieurs cycles d'utilisation. La régénération elle-même peut être réalisée à l'aide d'énergie renouvelable, réduisant encore l'empreinte au cycle.

Plusieurs initiatives sont en cours pour certifier l'empreinte carbone du charbon actif, comme les déclarations de produits environnementaux (DPE) pour les matériaux de construction, ce qui aidera les agents d'approvisionnement à choisir des produits durables.

Défis et obstacles à l'adoption généralisée

Malgré les promesses, la production durable de charbon actif est confrontée à des obstacles importants. Le principal est compétitivité des coûts[.Le charbon actif à base de charbon bénéficie de décennies de production optimisée à grande échelle avec des coûts de production relativement faibles (le charbon est bon marché par unité d'énergie).Les matières premières renouvelables nécessitent souvent la collecte, le transport et le prétraitement (séchage, broyage) qui peuvent ajouter des coûts.

La consistance de qualité[ est une autre barrière. Les déchets agricoles varient selon les saisons et la région. Un lot de coques de noix de coco récoltées après une période sèche peut avoir une teneur en lignine plus élevée qu'une après une forte pluie. Les producteurs doivent soit mélanger des matières premières, développer un contrôle robuste des procédés (ajustement automatisé de la température, du temps, des rapports réactifs) ou accepter la variabilité du produit.

L'évolutivité des technologies émergentes est un troisième défi.Les réacteurs à micro-ondes qui fonctionnent bien à l'échelle du kilogramme peuvent ne pas être facilement étalonnés à des tonnes par jour.La physique de la pénétration à micro-ondes limite le diamètre du réacteur; les conceptions qui utilisent de multiples cavités ou des flux de ceinture continues sont encore perfectionnées.

Enfin, les conditions de politique et de marché [ sont importantes. Sans prix du carbone ou subventions pour les produits bio-basés, le carbone à base de charbon conserve un prix artificiellement bas. Les systèmes de responsabilité élargie des producteurs pour les filtres à eau ou les purificateurs d'air pourraient inciter à l'utilisation de carbones renouvelables.

Orientations futures et priorités de recherche

Pour accélérer la transition, plusieurs directions de recherche sont critiques.D'abord, apprentissage des machines et optimisation des processus[ peuvent aider à adapter les propriétés des matières premières aux conditions d'activation en temps réel, réduisant l'énergie et les déchets chimiques.D'autre part, systèmes combinés de chaleur et d'énergie (CHP)[ utilisant les gaz volatils de pyrolyse pour générer de l'électricité pour l'étape d'activation peut atteindre l'autosuffisance énergétique.

Troisièmement, activation catalytique[ utilisant de nouveaux catalyseurs (p. ex., sels de métaux de transition) peut réduire les températures et le temps d'activation, économiser de l'énergie. Quatrièmement, des carbones fonctionnels[ adaptés à des polluants spécifiques (p. ex., mercure, SPAS) peuvent commander des prix plus élevés et justifier l'utilisation de matières premières renouvelables de première qualité.

La collaboration industrielle est essentielle.Des entreprises comme Carbonhalt (une startup axée sur le carbone actif bio-basé provenant de déchets agricoles) et Pica Finland commercialisent une production durable.Des institutions universitaires comme KTH Royal Institute of Technology développent de nouveaux réacteurs à micro-ondes.L'Association internationale du carbone activé (IACA[) dispose d'un comité de durabilité qui travaille sur les normes et les bases de données du cycle de vie.

Les interventions stratégiques pourraient inclure des crédits d'impôt pour le carbone basé sur la biomasse, l'inclusion dans les critères de marchés publics écologiques et le financement des installations de démonstration.

Conclusion

La production durable de carbone actif à partir de ressources renouvelables est techniquement réalisable et bénéfique pour l'environnement.Une large gamme de résidus agricoles et forestiers peuvent servir de matières premières, et des méthodes d'activation innovantes, notamment des routes assistées par micro-ondes et à base de biochar, réduisent les besoins énergétiques et permettent une production décentralisée.Les principaux obstacles sont économiques: atteindre la parité des coûts avec le carbone à base de charbon à l'échelle.