Charbon végétal à base de bois pour améliorer la rétention des polluants dans les filtres à sol

Les infrastructures bleues-vertes, telles que les zones d'infiltration et les rigoles d'arbres, jouent un rôle important dans les concepts de villes-éponges pour l'adaptation au changement climatique. Les écoulements routiers et de surface se caractérisent toutefois par des débits volumétriques très variables (p. ex. fortes pluies) et des charges chimiques qui dépassent les processus naturels de rétention et de dégradation (p. ex. par transformation microbienne) et peuvent entraîner le transfert de polluants vers les eaux souterraines. L'ajout de matériaux hautement poreux à base de carbone aux filtres de sol peut améliorer la rétention des polluants, en particulier pendant les périodes de forte pollution. Dans le cas idéal, les processus microbiens peuvent transformer les polluants organiques au cours d'un relargage ultérieur continu et lent des polluants, régénérant ainsi la capacité d'absorption des adsorbants. Pour les polluants particulièrement persistants, tels que les composés alkylés per- et polyfluorés (PFAS), il faut en revanche garantir une rétention efficace à long terme afin d'éviter la contamination des eaux souterraines.

Le charbon végétal à base de bois est considéré comme un agent de sorption durable et peu coûteux et est désormais produit à grande échelle avec une qualité reproductible et élevée. Dans la pratique, le charbon végétal est jusqu'à présent surtout utilisé dans les substrats d'arbres pour améliorer la capacité de rétention d'eau et de nutriments. En revanche, sa fonction de rétention des polluants est jusqu'à présent peu prise en compte. La conception d'infrastructures bleues-vertes nécessite donc des prévisions sur l'efficacité à court et à long terme de mélanges ou de stratifications optimisés de substrats afin de décider, par exemple, de la nécessité de récupérer des substrats chargés. Pour ce faire, il est nécessaire de disposer de connaissances approfondies sur le rôle des propriétés physico-chimiques du charbon végétal en ce qui concerne l'absorption et la libération de polluants par des processus de sorption réversibles, de déterminer les caractéristiques des processus et d'établir des modèles de prévision appropriés.

OBJECTIFS ET PROCÉDURE

Dans ce travail, le comportement de sorption de quatre polluants urbains typiques a été étudié sur du charbon végétal non traité (BC), produit par pyrolyse à partir de déchets de scieries de bois. Parallèlement, le charbon végétal activé (BAC, après activation gazeuse à haute température) qui en est issu a également été étudié.¹ En outre, des solutions logicielles librement accessibles ont été testées pour la modélisation de la rétention des polluants, en comparant les prédictions avec les données issues d'essais en colonne à petite échelle. Le naphtalène (NAPH), le méthyl-tert-butyléther (MTBE), la 1,3-diphénylguanidine (DPG) et l'acide perfluorooctanoïque (PFOA) ont été choisis comme polluants modèles sur la base de leur pertinence ainsi que de leurs différentes propriétés physicochimiques.

¹ BC et BAC ont été fournis par la société suisse Inkoh AG.

RÉSULTATS

Comparaison du comportement d'absorption du BC et du BAC dans un essai par lots

D'une manière générale, il est jusqu'à présent difficile de prédire la sorption de molécules chargées telles que le DPG et le PFOA sur la base de données tabulées sur les substances, ce qui rend nécessaire la détermination expérimentale des paramètres de sorption. Dans un premier temps, des isothermes de sorption opérationnelles ont été déterminées dans des essais par lots pour les polluants étudiés sur des particules BC et BAC d'une granulométrie habituelle de 1-2 mm pour l'utilisation dans des mélanges de substrats après sept jours (168 h) de temps d'équilibrage. La figure 1 montre les coefficients de sorption K_d calculés à partir de ces résultats, sous forme de rapport entre la charge sur l'adsorbant (q_e en µg/kg) et la concentration dans la phase aqueuse (C_e en µg/l). Les coefficients d'adsorption sont une mesure de la capacité de sorption, qui a été drastiquement améliorée pour tous les polluants étudiés par l'activation de BC en BAC. Cette amélioration va bien au-delà de ce que l'on pouvait attendre sur la base de l'augmentation de la surface spécifique (facteur 2,4 de 375 m²/g à 918 m²/g). Parallèlement, on constate des différences considérables au sein des polluants étudiés, avec une gradation identique de la tendance à l'adsorption pour BC et BAC, ce qui plaide pour des interactions sous-jacentes similaires avec la surface de carbone. L'étude détaillée de la cinétique d'adsorption des polluants a montré une adsorption fortement retardée sur le BC par rapport au BAC, comme le montre l'exemple du NAPH à la figure 2. L'atteinte de l'équilibre de sorption nécessite environ sept jours pour le BAC alors que l'adsorption sur le BC se poursuit même après sept semaines. Cela s'explique par la distribution de la taille des pores. Alors que le produit de pyrolyse du bois BC présente exclusivement des micropores (<2 nm), l'activation du BC en BAC entraîne un élargissement des pores et une proportion significative de mésopores (2-10 nm), ce qui facilite drastiquement le transport des polluants vers l'intérieur des particules. Les données expérimentales ont permis de déterminer des coefficients de diffusion de surface (D_s) qui sont caractéristiques du transport de la substance à l'intérieur de la particule pour un système adsorbant de polluants et qui sont utilisés comme paramètres d'entrée pour les modèles discutés dans la section suivante.