Optimisation des propriétés texturales des charbons actifs pour le

OPTIMISATION DES PROPRIETES TEXTURALES DES CHARBONS
ACTIFS POUR LE STOCKAGE DE GAZ
PLANTARD Gaël, GOETZ Vincent, PY Xavier
IMP CNRS UPR8521 Rambla de la Thermodynamique Tecnosud 66100 Perpignan
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mots clefs : adsorption, matériaux, milieux poreux, Energie.
Résumé
De nombreux procédés industriels (séparation, purification, stockage) et domestiques
(stockage de gaz pour les véhicules et piles à combustibles) présentent des performances
fortement dépendantes des capacités de stockage des charbons actifs. Des efforts de
recherches ont été ainsi engagés ces dernières décennies en vue d’élaborer des adsorbants
carbonés de forte capacité et d’estimer les niveaux de performance des applications
correspondantes. Les divers laboratoires ont alors été amenés à tenter de densifier les lits
d’adsorbant pour atteindre les objectifs escomptés et ont été confrontés aux comportements
antagonistes de la capacité de stockage et de la masse volumique de l’adsorbant vis à vis de sa
capacité de stockage.
L’objet de cette communication est de clarifier ces aspects et de présenter une méthode simple
et directe de mesure effective de masse volumique apparente de grain d’adsorbant. Cette
méthode Archimédienne est validée par l’emploi de particules étalons et appliquée à des
charbons actifs de porosités intraparticulaires caractérisées par des méthodes conventionnelles
et complémentaires (picnomètre He, porosimètre Hg, isotherme N2 et CO2).
L’effet de la porosité intraparticulaire sur la masse volumique de grain est étudié sur une série
d’adsorbants issus d’un même charbon actif modifié par activations ménagées cycliques. Ces
matériaux sont ainsi de mêmes nature forme et taille, de même chimie de surface mais
présentent des porosités intraparticulaires graduellement croissantes.
La méthode ainsi validée, les masse volumiques de grain sont alors connues et l’effet réel de
texture sur la capacité d’une application de stockage peut être estimé. Les calculs présentés
concernent le stockage de CO2 applicable à la problématique de la séquestration des gaz à
effet de serre et extrapolable au stockage du méthane.
Le volume microporeux du charbon actif traité est expérimentalement augmentée de 0.4 à 0.9
cm3/g en 9 cycles de modification texturale. On pourrait donc s’attendre à un accroissement
conséquent du stockage effectif en volume de gaz adsorbé par volume de lit d’adsorbant. En
fait, la diminution correspondante de masse volumique des particules (de 800 à 470 kg/m3)
inhibe en partie cette évolution de microporosité et seule la modification texturale obtenue
après les premiers cycles peut être considérée comme globalement optimale sous certaines
conditions de respiration du procédé (niveaux de température et de pression).
On met ainsi en évidence la complexité d’une telle optimisation réalisée nécessairement au
cas par cas, en fonction des propriétés de l’adsorbant (masse volumique, capacités
microporeuses) mais aussi du lit correspondant et des contraintes du procédé d’application
(gaz à stocker, niveaux de pression, niveaux de température, effets thermiques).