Brevet FR2764823A1 — publié le 19981224

Procédé et appareil de réactivation de charbon actif La présente invention concerne un procédé et un appareil pour réactiver du charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées. Le charbon actif est largement utilisé pour la purification de l'eau et de l'air contaminés, en raison de ses excellentes propriétés d'adsorption de différentes substances inorganiques ou organiques. Après utilisation, le charbon actif est en général réactivé ou régénéré. Le processus de réactivation permet de restituer au charbon actif ses propriétés d'adsorption et de réutiliser ainsi le charbon réactivé dans le processus d'adsorption. Toutefois, les méthodes de réactivation actuelles sont, d'une manière générale, très coûteuses et limitent, par conséquent, l'adoption du processus de purification utilisant du charbon actif. I1 existe différentes méthodes traditionnelles pour réactiver le charbon usé, telles que, par exemple, la réactivation thermique, l'extraction à l'aide de solvants et l'oxydation par voie humide, en fonction de la nature des matières polluantes adsorbées par le charbon actif. La réactivation thermique qui constitue la méthode de réactivation la plus valable nécessite un four de réactivation fonctionnant à des températures élevées de 900"C à 1000 0c semblables à celles utilisées pour la production du charbon actif. Les coûts de construction et d'entretien du réacteur thermique sont par conséquent importants. La méthode d'extraction par solvants actuelle n'est pas avantageuse parce que l'efficacité de restitution des propriétés d'adsorption du charbon réactivé est faible et qu'une partie d'un solvant nocif utilisé risque de subsister dans le charbon réactivé. L'oxydation par voie humide n'assure pas une dégradation ou une désorption suffisante des matières polluantes adsorbées de manière irréversible par le charbon actif. On a par conséquent besoin de procédés et/ou d'appareils nouveaux permettant la réactivation du charbon actif épuisé, qui soient capables de restituer au charbon actif ses propriétés d'adsorption dans une forte proportion, et dont les coûts de mise en oeuvre et de fonctionnement soient moins élevés. Tel est précisément le but visé par la présente invention. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un procédé de réactivation de charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées, comprenant une première étape qui consiste à soumettre le charbon actif usé à l'action d'une solution mixte comprenant de l'éthanol, de l'hydroxyde de sodium en solution et de l'eau pour réaliser la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif. Selon un second aspect de la présente invention, il est proposé un appareil pour réactiver du charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées, comprenant une cuve de mélange pour mélanger des quantités données d'eau, d'éthanol et d'hydroxyde de sodium en solution délivrés à partir de leurs récipients respectifs ; un réacteur de réactivation destiné à recevoir la solution mixte à partir de la cuve de mélange et à soumettre le charbon actif épuisé dont il est rempli à l'action de la solution mixte pour réaliser la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif épuisé, le réacteur de réactivation étant muni d'un moyen permettant de réguler la température de la solution mixte ; et un réservoir de stockage destiné à recevoir le charbon réactivé. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, avantages et caractéristiques de la présente invention, ressortira plus clairement de la description détaillée suivante de modes de réalisation donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est un organigramme représentant le procédé de réactivation de charbon actif selon la présente invention la figure 2 représente l'appareil de réactivation de charbon actif selon l'invention, figure sur laquelle T.C désigne un dispositif de contrôle de la température, T.I désigne un indicateur de température et F.I désigne un isolant la figure 3 est un diagramme à barres représentant la restitution des propriétés d'adsorption de phénol par des charbons réactivés 1 à 4 conformément à la présente invention ; et la figure 4 est un diagramme à barres représentant la restitution des propriétés d'adsorption d'une substance humique par des charbons réactivés 1 à 4 conformément à la présente invention. Selon la présente invention, la quantité d'éthanol utilisée est de préférence de 10% à 50% par rapport à la solution mixte d'éthanol, d'hydroxyde de sodium en solution, et d'eau, et la quantité d'hydroxyde de sodium en solution utilisée de 1% à 4% par rapport à la solution mixte. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la solution mixte d'éthanol, d'hydroxyde de sodium en solution et d'eau est chauffée à une température qui se situe dans une plage allant de la température ambiante à 100"C. A cet égard, étant donné que la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif s'effectue à une température plus faible, le procédé et l'appareil de la présente invention ont pour avantage de permettre une consommation d'énergie inférieure et un fonctionnement et un entretien plus commodes. Dans un autre mode de réalisation préféré, la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif, dans la solution mixte d'éthanol, d'hydroxyde de sodium en solution et d'eau est réalisée pendant une période de 6 à 24 heures. Le procédé et l'appareil de réactivation de la présente invention peuvent être appliqués, entre autres, à des usines de traitement d'eau potable et d'eaux usées et à des équipements de prévention de la pollution atmosphérique. Ils sont en particulier utiles pour la purification de l'eau potable puisque les solvants utilisés par la présente invention, c'est-à-dire l'éthanol et l'hydroxyde de sodium, sont des solvants de qualité alimentaire non toxiques. Le procédé de réactivation de la présente invention va être décrit en détail en référence aux dessins annexés. Comme cela est visible sur l'organigramme de la figure 1 représentant le procédé physico-chimique de la présente invention pour réactiver ou régénérer du charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées, 1% à 4% de NaOH, 10% à 50% d'éthanol et de l'eau sont mélangés dans une cuve de mélange, et la solution mixte contenue dans la cuve de mélange est introduite dans un réacteur de réactivation rempli du charbon actif épuisé qui doit être réactivé. Le réacteur de réactivation est fermé hermétiquement et chauffé à une température qui se situe dans la plage allant de la température normale à 100qu pendant 6 à 24 heures. Ceci a pour effet de désorber les matières polluantes du charbon actif. Le liquide résiduaire formé par cette réaction de désorption dans le réacteur de réactivation est acheminé par l'intermédiaire d'un réceptacle jusque dans un appareil de distillation. L'éthanol est récupéré à partir du liquide résiduaire dans l'appareil de distillation par une évaporation suivie d'une condensation. L'éthanol récupéré est introduit dans la cuve de mélange et recyclé pour être utilisé au cours du processus de réactivation suivant. Pendant ce temps, une fois que le liquide résiduaire formé par la réaction de désorption dans le réacteur de réactivation a été évacué dans le réceptacle, le charbon actif présent dans le réacteur de réactivation est soumis à un lavage in situ à l'eau courante destiné à éliminer l'éthanol et le NaOH résiduels du charbon actif. En outre, ltéthanol contenu dans l'eau de lavage est également récupéré en vue d'être réutilisé. Au cours d'une phase finale, le charbon réactivé est acheminé jusqu'à un réservoir de stockage ou un appareil d'adsorption. Sur la figure 2 qui représente un appareil de réactivation de charbon actif selon la présente invention, on peut voir trois récipients 1, 2 et 3 destinés à contenir respectivement de l'eau, de l'éthanol et du NaOH en solution. Les solvants respectifs sont introduits par des pompes P1, P2 et P3 dans une cuve de mélange 4. Après que les solvants ont été mélangés dans la cuve de mélange 4, la solution mixte est pompée par une pompe P4 dans un réacteur de réactivation 5 rempli de charbon activé épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées. La température au sein du réacteur de réactivation 5 est augmentée par la chaleur fournie par une chaudière 6 et/ou un élément chauffant 12, l'élément chauffant étant installé à l'intérieur du réacteur de réactivation 5. Une fois la désorption terminée, le liquide résiduaire résultant présent dans le réacteur de réactivation 5 est introduit par une pompe P6 dans un réceptacle 8, puis le charbon actif contenu dans le réacteur de réactivation 5 est lavé à l'eau courante, l'eau de lavage circulant par l'intermédiaire de soupapes en direction d'un appareil de distillation 9. Le charbon actif lavé contenu dans le réacteur de réactivation 5 est transporté jusqu'à un réservoir de stockage 7. Dans l'appareil de distillation 9, le liquide résiduaire est chauffé par la chaudière 6 pour provoquer une évaporation de l'éthanol. L'éthanol évaporé est condensé et recueilli dans un réservoir de stockage 11 et est ensuite pompé par une pompe P7 dans la cuve de mélange 4 en vue d'être réutilisé. Les exemples suivants sont donnés seulement à titre d'illustration de la présente invention et de démonstration des modes de réalisation préférés de celle-ci, et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. EXEMPLES Du charbon actif utilisé pour traiter de l'eau pendant 1 an et 4 mois a été soumis au procédé de réactivation de l'invention. Au cours du processus de désorption, on a établi 108 cas en faisant varier la quantité d'éthanol entre 10% et 50%, la quantité de NaOH entre 1% et 4% et les conditions de température de la température ambiante à 100 C, et l'on a mesuré l'absorbance d'W254 sur le liquide résiduaire formé au cours du processus de désorption. Les résultats sont résumés ci-après. Lorsque la désorption a été réalisée à la température ambiante, l'absorbance d'W254 de la solution extraite grâce à la présente invention était 8 000 à 30 000 fois supérieure à celle de l'eau courante. Avec une température de désorption de 60"C, la solution extraite par la présente invention présentait une absorbance d'UV254 16 000 à 80 000 fois supérieure à celle de l'eau courante traitée. Avec une température de désorption de 100"C, la solution extraite grâce à la présente invention présentait une absorbance d'Uv254 16 000 à 80 000 fois supérieure à celle de l'eau courante traitée. En particulier, lorsque la désorption a été réalisée pendant 12 à 24 heures à une température de 80"C à 100"C, la solution mixte constituée de 20-40% d'éthanol, de 2-4% de NaOH, et d'eau avait une absorbance d' W254 au moins 50 000 fois supérieure à celle de l'eau courante. On pense que ces résultats inattendus sont dûs aux effets synergiques résultant de la combinaison des solvants et températures sélectionnés pour la désorption selon la présente invention. Les figures 3 et 4 sont des diagrammes à barres de la restitution des propriétés d'adsorption du charbon actif qui a été réactivé ou régénéré grâce au procédé de réactivation de la présente invention. La restitution des propriétés d'adsorption a été évaluée en mesurant l'adsorption de phénol (figure 3) ou d'une substance humique (figure 4) par le charbon réactivé, pendant 48 heures. Comme cela est indiqué sur la figure 3, d'une manière caractéristique, la restitution des propriétés d'adsorption du phénol par le charbon réactivé selon la présente invention se situe dans la plage de 80% à 1208. En particulier, lorsque 20% d'éthanol, 0,4% de NaOH et une température de 100"C sont utilisés pour la désorption, la restitution des propriétés d'adsorption atteint approximativement 120% comme cela est indiqué par les barres 1 et 2 de la figure 3. Les barres 1 et 2 indiquent les résultats obtenus à l'aide du charbon réactivé dans des proportions respectivement égales à 0,5g et 1,5g. Les barres 3 et 4 indiquent les résultats obtenus en utilisant 20% d'éthanol, 0,4% de NaOH et une température de 200"C comme conditions de désorption, avec respectivement 0,3g et 1,0g de charbon réactivé. Comme cela est visible sur la figure 4, la restitution des propriétés d'adsorption de la substance humique par le charbon réactivé selon la présente invention est de 80% à 100%. D'une manière générale, la restitution des propriétés d'adsorption de la substance humique est inférieure comparativement à la restitution des propriétés d'adsorption du phénol, mais elle reste acceptable compte tenu des coûts plus faibles. Les barres 1 et 2 de la figure 4 indiquent les résultats obtenus en utilisant 20% d'éthanol, 0,4% de NaOH et une température de 100"C comme conditions de désorption, avec respectivement 0,5g et 1,5g de charbon réactivé. Les barres 3 et 4 indiquent les résultats obtenus en utilisant 20% d'éthanol, 0,4% de NaOH et une température de 200"C comme conditions de désorption, avec respectivement 0,3g et 1,0g de charbon réactivé. L'extraction de la substance humique par le charbon réactivé a été déterminée par un test en colonne. Le charbon réactivé a été obtenu en traitant le charbon actif utilisé dans une usine de traitement d'eau pendant 16 mois, dans l'appareil représenté sur la figure 2 pendant 12 heures avec la solution mixte constituée de 20% d'éthanol, de 4% de NaOH, et d'eau et une température de 100"C comme conditions de désorption. Le test en colonne a révélé que l'efficacité de l'extraction de la substance humique par le charbon réactivé de la présente invention représentait environ 90% de celle obtenue avec un charbon actif neuf. Ce résultat indique que le procédé de réactivation de la présente invention est comparable à la réactivation thermique de l'art antérieur en termes d'extraction de substance humique. L'adsorption d'iodure a été testée sur le charbon réactivé de la présente invention. Ce charbon actif utilisé dans une usine de traitement d'eau pendant 16 mois a été traité dans l'appareil de la présente invention pendant 24 heures avec la solution mixte constituée de 20% d'éthanol, de 2% de NaOH, et d'eau et une température de 100 C comme conditions de désorption. Ce test a révélé que l'indice d'iode du charbon réactivé se situait dans la plage de 80% à 90% par rapport à celui du charbon actif neuf. Le Tableau I ci-après indique l'indice d'iode du charbon réactivé et du charbon neuf. L'indice d'iode a été évalué par la Méthode Coréenne de Test de Charbon Actif Granulaire KSM 1802 qui est identique à la procédure AWWA. Tableau I Types de charbons actifs Adsorption d'iodure (mg/g) Régénéré par le procédé de l'invention 1023 Neuf 1212 Catégorie standard Coréenne 1 1100 ou plus Catégorie standard Coréenne 2 1000 à 1100 Catégorie standard Coréenne 3 900 à 1000 Comme on peut le voir dans le Tableau I, le charbon réactivé de la présente invention présente une restitution considérable de l'indice d'iode, ce qui permet de conclure que le procédé de réactivation de charbon actif épuisé, selon la présente invention peut être appliqué avec succès aux industries de purification de l'eau et de l'air. Bien que la description précédente ait porté sur des modes de réalisation préférés de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée aux exemples particuliers décrits et illustrés ici et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de réactivation de charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées, caractérisé en ce qu'il comprend une première étape qui consiste à soumettre le charbon actif épuisé à l'action d'une solution mixte d'éthanol, d'hydroxyde de sodium en solution et d'eau pour réaliser la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en cequ'il comprend également une seconde étape qui consiste à laver le charbon réactivé. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une troisième étape qui consiste à récupérer l'éthanol contenu dans un liquide résiduaire résultant de la première étape et dans une eau de lavage résultant de la seconde étape. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la solution mixte comprend 10% à 50% d'éthanol et 1% à 4% d'hydroxyde de sodium en solution, le pourcentage restant étant constitué par de l'eau. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la température de la solution mixte se situe dans une plage allant de la température ambiante à 100"C. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première étape est réalisée pendant 6 à 24 heures. 7. Appareil pour réactiver du charbon actif épuisé sur lequel des matières polluantes ont été adsorbées, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve de mélange (4) pour mélanger des quantités données d'eau, d'éthanol et d'hydroxyde de sodium en solution délivrés à partir de leurs récipients (1, 2, 3) respectifs ; un réacteur de réactivation (5) destiné à recevoir la solution mixte à partir de la cuve de mélange (4) et à soumettre le charbon actif épuisé dont il est rempli à l'action de la solution mixte pour réaliser la désorption des matières polluantes adsorbées par le charbon actif épuisé, le réacteur de réactivation (5) étant muni d'un moyen (6) destiné à réguler la température de la solution mixte ; et un réservoir de stockage (7) destiné à recevoir le charbon réactivé. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de récupération d'éthanol (9) destinés à recevoir un liquide résiduaire provenant du réacteur de réactivation (5) et à récupérer l'éthanol présent dans ce liquide résiduaire. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens de récupération d'éthanol comprennent un appareil de distillation (9) destiné à recevoir le liquide résiduaire provenant du réacteur de réactivation afin de provoquer l'évaporation de l'èthanol présent dans le liquide résiduaire ; un condenseur destiné à recueillir l'éthanol évaporé ; et un récipient (11) destiné à recevoir l'éthanol liquide provenant du condenseur et à le délivrer à la cuve de mélange (4) en vue de sa réutilisation. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'appareil de distillation (9) est chauffé par le moyen de régulation de température (6).