Criblage de charbon actif en poudre pour la purification de l'eau potable

Les résidus indésirables dans l'eau potable, les attentes élevées des consommateurs en matière de qualité ainsi que la difficulté d'endiguer les produits chimiques mobiles à longue durée de vie au niveau politico-réglementaire entraînent une utilisation accrue du charbon actif dans le traitement de l'eau potable. Grâce à sa structure hautement poreuse et à sa grande surface interne, le charbon actif (CA) peut adsorber efficacement de nombreux colorants, odeurs, goûts et composants. Ces propriétés sont utilisées de manière ciblée dans le secteur de l'eau potable et des eaux usées afin d'éliminer les substances problématiques. Le charbon actif est utilisé sous différentes formes: granulés (CAG), pellets ou poudre (CAP). Alors que les granulés présentent l'avantage de pouvoir être régénérés thermiquement, l'expérience avec la poudre superfine (SCAP) a montré que plus les grains du charbon actif sont petits, plus la capacité et la cinétique d'adsorption sont efficaces [1].

En plus de la taille des grains, la capacité d'adsorption dépend fortement du type d'activation et de la structure des pores du charbon, des propriétés chimiques des micropolluants à éliminer et de la matrice de l'eau. Un charbon actif qui élimine efficacement une substance polaire dans les eaux souterraines n'est pas nécessairement adapté à un autre polluant dans le filtrat de rive chargé de matières organiques.

Le charbon actif a fait ses preuves et est largement utilisé, mais il présente également un impact environnemental important: Sa fabrication nécessite beaucoup d'énergie et génère des émissions de CO₂ considérables, dont le niveau peut varier fortement en fonction de la matière première et du procédé d'activation. Ainsi, le charbon actif - partout où il est utilisé comme l'une des principales étapes de traitement - devient un facteur important en termes de processus, de coûts et d'environnement.

La recherche du charbon actif optimal par SWG

Le distributeur d'eau Seeländische Wasserversorgung SWG approvisionne dans le Seeland bernois vingt communes associées et de nombreux partenaires contractuels en eau potable avec plus de 3'000'000 m³ par an. Pour ce faire, elle utilise deux zones de captage, dont l'une est fortement polluée par des métabolites de chlorothalonil (m-CTL) en raison de l'agriculture intensive. Le captage d'eau souterraine pollué de Worben était hors d'exploitation depuis 2020 jusqu'à récemment, car les concentrations du métabolite R471811 y atteignent environ vingt fois la valeur maximale légale pour les denrées alimentaires.

Après de vastes essais pilotes en 2020 et 2021, le SWG a identifié un procédé de traitement qui répondait aux exigences posées et éliminait efficacement les métabolites du chlorothalonil en utilisant du charbon actif de manière extrêmement efficace: le procédé SCAP-UF, qui combine l'adsorption sur du charbon actif en poudre superfin et l'ultrafiltration [1].

Le procédé de traitement était donc défini. Mais on ne savait pas encore avec quel charbon actif le procédé SCAP-UF pouvait être exploité de manière optimale. SWG s'est donc mise à la recherche, en collaboration avec la société Membratec, d'un charbon actif approprié offrant une performance d'épuration optimale en fonction de la situation, tout en réduisant au maximum les coûts d'exploitation et les émissions environnementales.

Les différents types de charbon et leur impact sur l'environnement

Dans les procédés de traitement où le charbon actif constitue l'une des principales étapes de traitement, on peut supposer que le charbon actif est à l'origine de plus de la moitié des émissions totales de gaz à effet de serre (GES) générées pendant la durée de vie de l'installation. Le choix du charbon actif - en termes de capacité d'adsorption et d'impact environnemental - est donc un facteur central et un levier d'optimisation.

Les études disponibles sur l'analyse du cycle de vie des GES s'accordent à dire que la production de charbon actif est toujours très énergivore et riche en émissions, et que son empreinte carbone dépend en outre fortement des matériaux de base [2-4].

En l'absence de données des fabricants, il n'a pas été possible de réaliser un bilan carbone spécifique pour les charbons actifs testés. Les émissions environnementales ont donc été estimées à partir des valeurs de la littérature. Les différences d'émissions environnementales sont principalement dues aux processus de production respectifs (type de carbonisation et d'activation, combinaison de sources d'énergie, récupération de chaleur ou de gaz d'échappement). Les voies de transport ont un impact moins important: les transports (des matières premières ou des produits finis du lieu de production au lieu d'utilisation) n'ont qu'une influence minime sur l'empreinte carbone totale du charbon actif.

Le charbon actif à base de charbon ou de lignite, qui a été largement utilisé historiquement et actuellement, n'est pas très durable, car il provient de matières premières fossiles non renouvelables et nécessite une activation thermique à forte consommation d'énergie (7-18 kg CO₂/kg CA).

En revanche, le charbon actif issu de coques de noix de coco ou d'autres résidus agricoles a un impact faible à moyen (0,1-3 kg CO₂/kg CA). Ces produits valorisent des déchets agro-industriels et ne dépendent pas de l'extraction de ressources fossiles.

Le bois et les déchets de bois sont une autre option : par cokéfaction et activation, il est possible d'en obtenir un charbon actif avec une empreinte similaire à celle de celui issu de la noix de coco, à condition que le bois provienne d'une gestion durable (0,1-3 kg CO₂ /kg CA).

Screening des charbons actifs avec de simples essais d'agitation

Grâce au VSA et à l'Eawag, ainsi qu'aux efforts importants visant à réduire les micropolluants dans les eaux usées suisses avec une quatrième étape d'épuration, des expériences ont déjà été acquises dans le secteur des eaux usées et des recommandations de procédure ont été développées pour déterminer les charbons actifs appropriés à la situation [5]. Les essais d'agitation avec du charbon actif en poudre pour l'élimination des substances directrices listées des eaux usées sont au premier plan. De tels essais d'agitation (voir photo de couverture) conviennent également au domaine de l'eau potable et constituent la base de la présente étude comparative de différents charbons actifs en poudre (screening CAP).

Eau brute utilisée et micropolluants analysés

Dans le screening CAP de SWG, l'élimination des métabolites du chlorothalonil, notamment R471811 et R417888, était au premier plan. L'eau brute utilisée était un mélange d'eaux souterraines locales (25% provenant du captage de Worben et 75% du captage de Gimmiz) contenant environ 1 µg/l de R471811. En outre, divers autres micropolluants également présents dans les eaux souterraines ont été analysés dans certains échantillons.

Choix des charbons actifs pour le screening des CAP

La fabrication de charbons actifs implique beaucoup de savoir-faire, d'innovation et de secrets industriels, c'est pourquoi il est recommandé de consulter les fournisseurs et fabricants de charbons actifs lors du choix de produits appropriés. Le tableau 1 présente une sélection d'entreprises du secteur du charbon actif qui ont été impliquées dans le screening CAP de SWG et qui ont fourni gratuitement des échantillons de CAP pour les essais.

Pour la méthodologie présentée, des échantillons d'au moins 100 g de charbon actif en poudre sont nécessaires. Les échantillons doivent être conservés hermétiquement fermés et au sec jusqu'à leur utilisation et peuvent également servir d'échantillons de réserve pour le contrôle de la qualité de livraisons ultérieures [6].

Le screening des CAP du SWG a finalement porté sur 37 produits différents en deux étapes. Il s'agissait de charbons actifs fossiles et biogènes ainsi que de charbons actifs asiatiques et européens.

Réalisation du screening CAP

Des essais d'agitation ont été réalisés avec les CAP sélectionnés afin de déterminer d'une part la capacité d'adsorption et d'autre part la cinétique d'adsorption des différents charbons actifs.

Capacité d'adsorption

La capacité d'adsorption d'un charbon actif est un facteur important pour déterminer la quantité de dosage nécessaire pour pouvoir réduire un polluant en dessous d'une valeur seuil définie. La capacité d'adsorption dépend à la fois du matériau et de l'eau. Elle est déterminée en mettant l'eau brute à traiter en contact avec différentes concentrations de CAP pendant 24 à 48 heures. De cette manière, il est possible de déterminer l'isotherme d'adsorption.

Pour comparer les capacités d'adsorption des charbons actifs sélectionnés tout en limitant le travail d'analyse, les tests de contact ont été effectués avec une seule dose de CAP. La dose ne devait être ni trop faible ni trop élevée, afin de pouvoir quantifier et comparer la réduction des polluants par les différents charbons actifs. Sur la base d'essais préliminaires, les tests ont été effectués avec une dose de CAP de 4 mg/l. Bien que la poudre superfine (SCAP) soit utilisée dans le procédé du SWG, le screening a été effectué avec la poudre (CAP) telle qu'elle a été livrée par les fabricants et telle qu'elle est disponible sur le marché. Afin d'atteindre un état d'équilibre lors de l'adsorption des polluants, un temps de contact suffisamment long de 24 heures a été choisi.

Chaque CAP a été dissous dans de l'eau déminéralisée, la concentration de la solution étant ajustée en fonction de sa teneur en matière sèche. La solution concentrée de CAP a ensuite été ajoutée à l'eau brute à traiter, après quoi les bouteilles (250 ml) ont été agitées en continu au moyen d'un mélangeur à rouleaux ou d'un agitateur orbital pour obtenir un mélange homogène. Après 24 heures de contact, les CAP ont été séparés de la solution par filtration sur des filtres à seringues. Avant et après cette opération, le carbone organique dissous (COD), le coefficient d'adsorption spectrale à 254 nm (SAK) et différents micropolluants ont été analysés dans chacun des échantillons.

Cinétique d'adsorption

En plus de la capacité d'adsorption, la cinétique d'adsorption a une influence décisive sur la dose de CAP nécessaire en fonction de l'épuration, car le temps de contact entre l'eau brute et le charbon actif est beaucoup trop court dans les procédés de traitement habituels pour atteindre un état d'équilibre. La vitesse d'adsorption dépend de la taille des particules (la cinétique augmente nettement pour les petites particules de charbon), mais aussi de la répartition de la porosité. Pour refléter cette réalité, l'expérience ci-dessus a été répétée avec 26 échantillons de CAP et un temps de contact réduit de 30 minutes.

Tests avec le SCAP

Enfin, pour valider les performances après broyage de la poudre normale (CAP) en poudre superfine (SCAP), des tests approfondis ont été effectués avec le SCAP et deux temps de contact de 10 et 30 minutes. Ces tests finaux ont été réalisés avec le charbon actif le plus performant du premier screening ainsi qu'avec un champ d'analyse élargi (m-CTL, mais aussi d'autres pesticides et PFAS).

Résultats du screening CAP

Réduction des micropolluants

Métabolite du chlorothalonil R471811

La figure 1 montre, dans quelle mesure les différents charbons actifs en poudre ont pu réduire le métabolite chlorothalonil R471811 - pour une dose de CAP de 4 mg/l et un temps de contact de 24 heures. Les performances d'épuration des charbons actifs testés variaient de manière significative: il y avait une différence de plus de 80% entre le charbon actif le plus efficace et le charbon actif le moins efficace. Le charbon actif utilisé comme référence, qui avait déjà donné les meilleurs résultats lors des essais pilotes précédents avec des granulés (CAG), s'est classé cinquième.

Il ne semble pas y avoir de corrélation entre la matière première du charbon actif et sa capacité à adsorber le R471811. Les charbons actifs ayant les meilleures capacités d'adsorption proviennent de différentes matières premières : Bois, Houille et Coques de noix de coco. Le classement des charbons actifs en ce qui concerne leur capacité de réduction du R471811 est globalement identique après 24 heures et après 30 minutes. Cela laisse supposer une cinétique d'adsorption rapide des charbons les plus performants. Les différences observées sont toutefois moins marquées après 30 minutes qu'après 24 heures.

Autres micropolluants

Le classement obtenu pour le R471811 après 24 heures est généralement en accord avec la réduction des autres micropolluants étudiés. La réduction du m-CTL R417888, du desphényl-chloridazon, du méthyldesphényl-chloridazon et du nicosulfuron UCSN est toujours supérieure à celle du R471811 et n'est que partiellement quantifiable (en raison des concentrations parfois inférieures à la limite de détection dans les eaux brutes).

Comme cela a été rapporté dans d'autres études [7-8], ces substances présentent une adsorption plus forte sur le charbon actif, ce qui confirme que le m-CTL R471811 est un indicateur approprié pour l'évaluation des CAP dans le présent contexte.

Validation avec SCAP

Le charbon actif le plus performant du premier screening a été sélectionné pour des tests supplémentaires. Il a été broyé en poudre superfine (SCAP) afin d'évaluer sa capacité d'adsorption et sa cinétique d'adsorption sous cette forme de particules plus fines. Le broyage a permis de réduire la taille moyenne des particules de 17 µm à 3 µm. Comme prévu, cette réduction de la taille des particules a accéléré la cinétique d'adsorption : la réduction du m-CTL R471811 a atteint près de 70% après 30 minutes, contre environ 40% avec le charbon actif en poudre (CAP).

Indicateurs de performance

Tous les résultats ont été évalués en termes de corrélation entre la réduction du R471811 et d'autres indicateurs de performance potentiels.

SAK

La réduction du SAK est un indicateur fréquemment utilisé pour évaluer la réduction des micropolluants. Cependant, la relation entre la réduction du SAK et les différents micropolluants dépend du charbon et de l'eau. Il n'est donc pas surprenant que la corrélation entre le SAK et la réduction des polluants ne soit pas très élevée si l'on considère tous les charbons actifs testés (Fig. 2, à gauche). En revanche, si l'on ne considère qu'un seul charbon actif, la corrélation est excellente (Fig. 2, à droite). Le SAK est donc parfaitement adapté à la surveillance des processus en exploitation, car il est disponible en ligne et en temps réel (contrairement aux analyses de laboratoire).

Caractéristiques des charbons actifs

L'indice d'iode et la surface BET ont été tirés - lorsqu'ils étaient disponibles - des fiches techniques des fabricants, ces valeurs n'ayant pas été mesurées spécifiquement pour les lots utilisés dans les tests, mais représentant des valeurs moyennes.

L'indice d'iode indique la quantité d'iode qu'un charbon actif donné peut adsorber. Comme l'iode est très différent des molécules cibles de cette étude, on pouvait s'attendre à ce que cette valeur soit peu significative pour les métabolites du chlorothalonil: en effet, la corrélation entre l'indice d'iode et la réduction de m-CTL était très faible (R² = 0,08; Fig. 3).

La surface BET mesure la surface spécifique d'un charbon actif et est généralement considérée comme un indicateur de sa capacité d'adsorption. Le présent screening a cependant révélé une relation inverse inattendue : la réduction des polluants a diminué avec l'augmentation de la surface spécifique (R² = 0,36; Fig. 3). Il est possible que cette tendance s'explique par le fait que les valeurs BET disponibles ne correspondaient pas aux lots réellement testés, mais à des valeurs moyennes.

La dernière caractéristique étudiée était la granulométrie, mesurée par diffractométrie laser pour chaque charbon. La corrélation entre la distribution de la taille des particules et la réduction des polluants a montré une diminution de l'efficacité de l'élimination avec l'augmentation du diamètre moyen, bien que la relation reste faible (R² = 0,31; Fig. 3). Dans l'ensemble, les corrélations obtenues ne sont pas suffisamment significatives pour permettre d'estimer l'élimination des polluants d'un charbon actif pour un cas concret. Cela souligne la nécessité de procéder à des essais d'agitation en fonction de la situation pour pouvoir effectuer une sélection des charbons actifs qui soit pertinente et solide.