FR2937260A1 - Utilisation de charbon actif preimpregne pour le filtrage de composes organiques volatils - Google Patents

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Abstract

La présente invention se rapporte à l'utilisation de charbon actif imprégné avec un solution aqueuse d'au moins un hydroxyde de métal alcalin en vue de la filtration de composés organiques volatils présents dans un flux de gaz, ainsi qu'à un filtre et un dispositif de filtrage correspondant.

Description

Concernant le matériau filtrant, l'un des premiers matériaux utilisés a été du charbon actif. Un tel matériau présente toutefois une mauvaise efficacité en présence d'humidité et une désorption plus rapide. En effet, en présence d'humidité, comme c'est le cas dans une hotte de cuisson, l'eau sature rapidement les pores du charbon actif et empêche le dioxyde d'azote de s'adsorber. Les documents CN1597095, JP7000743 et JP5337366 décrivent l'utilisation de charbons actifs imprégnés de catalyseurs tels que l'oxyde de cuivre, de nickel, de fer,... Ces catalyseurs nécessitent de fortes températures pour être actifs. Il convient de noter à ce sujet, les contraintes de température et pression que doivent respecter le matériau. En effet, compte tenu de son application principalement dans le traitement de l'air ambiant, le matériau filtrant doit pouvoir filtrer et/ou dégrader efficacement les polluants à température et pression ambiantes. Les procédés de dépollution industriels mettant en oeuvre des réactions catalytiques à haute température et sous pression élevée ne sont donc pas applicables au problème 15 qui nous intéresse. Le document PCTIUS/98/24695 décrit l'utilisation d'oxydes de cuivre et de dioxyde de manganèse imprégné de matériaux alcalins type KOH. Un tel matériau présente un coût plus élevé que le charbon actif. Il offre également une moins bonne efficacité et une plus forte production de NO en sortie en conditions humides. Par ailleurs, 20 l'utilisation d'oxydes de cuivre et de dioxyde de manganèse entraîne un coût relativement élevé du matériau filtrant. Le produit filtrant est également plus lourd. Le document EP C- 558 289 décrit l'utilisation de charbons actifs imprégnés d'iodure de métaux alcalins de type KI et d'acide phosphorique. Il est bien évident que la présence d'acide phosphorique rend l'utilisation de ce matériau peu adaptée à un 25 environnement d'habitation. On connaît également des produits adsorbants imprégnés d'urée. Toutefois, un inconvénient de ces matériaux est que l'humidité ambiante provoque alors la formation d'acide nitrique et de nitrates d'urée. Ces composés précipitent à. la surface du matériau, ce qui en diminue grandement l'efficacité. 30 On connaît également les zéolithes. Il s'agit de matériaux efficaces mais qui présentent un coût élevé et une forte affinité pour l'eau. On pourra se reporter au document US 2004 171476 pour une description de ces matériaux.
Le document JP2001259371 décrit quant à lui un procédé de photocatalyse. Toutefois, ces procédés sont très sensibles aux composés soufrés qui agissent comme des poisons du catalyseur, ce qui annule l'efficacité du traitement. Par ailleurs, de tels systèmes nécessitent un apport de lumière, ce qui est peu compatible avec la disposition d'un filtre à l'intérieur d'une gaine de ventilation. Un éclairage artificiel induira une sur-consommation énergétique. Des matériaux efficaces sont divulgués dans les documents JP H9 122483, JP S62-19241. Ces documents proposent d'utiliser comme matériau filtrant un charbon actif se présentant sous la forme d'une structure en nid d'abeille et imprégné d'hydroxyde de métaux alcalins pour traiter les gaz acides NOx et SOx à température ambiante. La structure en nid d'abeille est relativement rigide et ne peut pas facilement être adaptée à toutes les conduites. Une telle structure oblige également à ajouter au produit des composants liants et nécessite un procédé de fabrication globalement plus complexe.
Bien que les COV soient communément traités par adsorption sur charbon actif seul, le fait que ces charbons actifs ne soient pas performants pour traiter les NOx et SOx les rend peu intéressant. Les documents présentant des charbons actifs améliorés ne traitent pas de la filtration des COV et il existe donc un besoin pour développer un matériau filtrant plus 20 universel apte à traiter efficacement l'ensemble de ces polluants. La présente invention vise donc à résoudre le problème précédemment évoqué et se rapporte ainsi à l'utilisation de charbon actif imprégné avec une solution aqueuse d'au moins un hydroxyde de métal alcalin en vue de la filtration de composés organiques volatils présents dans un flux de gaz. 25 En effet, il a été découvert de manière surprenante par la demanderesse que le charbon actif imprégné d'hydroxydes d'un ou plusieurs métaux alcalins, connu pour son efficacité sur les NOx et les SOx, pouvait être également utilisé pour la filtration des composés organiques volatils. Sans vouloir être liée par aucune théorie, la demanderesse explique ce phénomène 30 de la manière suivante.
La neutralisation du dioxyde d'azote repose sur son absorption et son hydrolyse en acides nitreux et nitrique dans la couche liquide présente dans les porosités du charbon actif imprégné. Le dioxyde d'azote se dissout dans ladite couche liquide et s'hydrolyse rapidement pour former des acides nitrique et nitreux. Le pH élevé de la solution d'hydroxydes de métaux alcalins maintient l'acide nitreux sous forme dissociée ce qui empêche sa décomposition en NO. Le processus pour la neutralisation du dioxyde de soufre est identique et conduit à la formation d'acide sulfurique et sulfureux.
La neutralisation progressive de ces dioxydes entraîne une diminution du pH de la couche liquide limite. L'acide nitrique, acide fort, reste totalement dissocié alors que la concentration en acide nitreux augmente sensiblement, ce dernier étant un acide faible possédant un pKa d'environ 3,15 à 25°C. L'acide nitreux peut alors se dismuter et former du monoxyde d'azote, composé peu soluble qui est donc relargué en sortie du filtre. Ce dégagement peut constituer un indice de fin de vie du filtre. Les composés organiques volatils font intervenir des phénomènes physico-chimiques différents. En effet, comme mentionné il est apparu de manière surprenante que l'imprégnation du charbon actif et la mise en oeuvre de phénomènes d'hydrolyse des NOx et SOx n'empêchait pas le charbon actif d'adsorber les COV le traversant à sa surface. La possibilité pour ces deux phénomènes, absorption des NOx et SOx et adsorption des COV, de prendre place concurremment sur un charbon actif imprégné n'était pas évidente en raison de l'occupation des sites poreux par la solution d'hydroxyde. La présente invention permet donc de mettre en oeuvre un filtre unique contenant un matériau filtrant simple et économique et ne nécessite donc pas la mise en oeuvre d'un filtre dédié aux NOx et SOx et d'un filtre dédié aux COV. Préférentiellement, le flux de gaz à filtrer contient également des oxydes d'azote et/ou des oxydes de soufre. De manière avantageuse, le charbon actif possède une surface spécifique comprise 30 entre 200 et 4000 in2 par gramme. Préférentiellement, le charbon actif possède une surface spécifique comprise entre 500 et 1500 m2 par gramme.
Avantageusement, le charbon actif imprégné contient au moins 4% en poids d'hydroxyde de métal alcalin. Bien évidemment, la quantité d'hydroxyde de métal alcalin imprégné pourra être adaptée en fonction des caractéristiques du flux de gaz à purifier. Quand le gaz contient 5 peu de NOx et SOx, on utilisera un charbon actif moins chargé. Préférentiellement, l'hydroxyde de métal alcalin est l'hydroxyde de potassium. Dans le cas de l'utilisation de KOH, il est intéressant de noter qu'un dépôt de sel de nitrite et de nitrate de potassium n'est pas possible compte tenu de leur forte solubilité et de la teneur insuffisante en potassium. Bien évidemment on pourra également utiliser 10 de l'hydroxyde de sodium ou de lithium ou encore un mélange de ceux-ci. De manière préférentielle, le charbon actif est utilisé sous forme de poudre, granulés, bâtonnets ou billes. La présente invention se rapporte également à un filtre pour flux de gaz comportant des composés organiques volatils et/ou des oxydes d'azote et/ou des oxydes de soufre, 15 ledit filtre comprenant au moins une enveloppe poreuse garnie de charbon actif ayant été préalablement imprégné avec une solution aqueuse d'au moins un hydroxyde de métal alcalin, caractérisé en ce que le charbon actif est introduit sous forme particulaire de type poudre, granulés, bâtonnets ou billes. Avantageusement, le filtre comprend plusieurs enveloppes disposées de manière 20 espacée entre elles. Avantageusement, au moins une enveloppe est divisée en au moins deux compartiments. Cette caractéristique permet de limiter les phénomènes de tassement qui risquent d'écraser le charbon actif et de créer des court-circuits . Avantageusement encore, chaque enveloppe possède une paroi poreuse amont et une 25 paroi poreuse aval, la paroi poreuse amont présentant une porosité supérieure à celle de la paroi poreuse aval. Lors de la circulation du flux de gaz, il s'ensuit une légère augmentation de la pression du gaz à l'intérieur du filtre, ce qui se traduit par un temps de séjour plus long et un meilleur contact entre le gaz et la surface du charbon actif. Par ailleurs, le filtre pourra être avantageusement équipé d'un joint périphérique 30 élastique de type joint en caoutchouc visant à amortir les vibrations auxquelles le filtre peut être soumis. Ce joint d'amortissement permet de limiter un effondrement de la structure du charbon actif dû aux vibrations.
La présente invention se rapporte encore à un dispositif de filtrage d'un gaz comprenant des moyens de circulation du gaz à l'intérieur d'au moins un conduit comprenant des moyens d'entrée du gaz et des moyens de sortie du gaz, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre selon l'invention.
Avantageusement, le dispositif de filtrage comprend des moyens de détection d'une concentration seuil de monoxyde d'azote associé à des moyens d'avertissement de type alarme en cas de dépassement de ladite concentration seuil. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple ci-dessous et du dessin annexé dans lequel les figures 1 à 6 représentent divers modes de réalisation 10 d'un filtre selon l'invention. Typiquement, le charbon actif brut, se présente sous forme de granulés, bâtonnets, poudre, billes, et est imprégné d'hydroxyde de métaux alcalins par trempage dans une solution aqueuse de tels hydroxydes. Le charbon actif ainsi imprégné est ensuite séché. 15 Le charbon actif imprégné est utilisé comme agent filtrant garnissant un filtre comprenant une ou plusieurs enveloppes poreuses définissant chacune un volume interne rempli de charbon actif imprégné. Un tel filtre est destiné à être disposé à l'intérieur d'un conduit de circulation d'un gaz à filtrer. Pour ce faire, le filtre présente une forme externe générale adaptée au 20 conduit de circulation du gaz à purifier. A titre d'exemples, la figure 1 montre un filtre 1 possédant une forme sensiblement rectangulaire, tandis que la figure 2 présente un filtre 2 de section cylindrique. Plusieurs variantes de réalisation de ce filtre sont possibles pour optimiser la filtration. 25 La figure 3 montre un filtre 4 installé dans une gaine. Dans cette même figure 3, il est tout d'abord possible de prévoir un joint amortisseur 3 du type joint caoutchouc entre le filtre et des parois du conduit de manière à absorber les vibrations dues à la circulation du gaz et risquant d'endommager mécaniquement le charbon actif dont la structure poreuse est essentielle. Le système de la figure 3 peut éventuellement être 30 complété par un filtre à particules disposé en amont. Ensuite, comme montré sur la figure 4, il est possible de disposer plusieurs enveloppes 5 successivement, régulièrement espacées entre elles.
Comme représenté sur la figure 5, il est encore possible de compartimenter les enveloppes de façon à limiter le tassement du charbon actif à l'intérieur de celles-ci, ce qui entraînerait des court-circuits du flux de gaz à travers le filtre. Bien évidemment, les compartiments peuvent prendre différentes formes. En l'espèce, l'enveloppe représentée possède quatre compartiments 6. On pourra également prévoir que chaque enveloppe possède une paroi amont 7 (entrée du gaz) et une paroi aval 8 (sortie du gaz), la paroi amont 7 présentant une porosité supérieure à celle de la paroi aval 8. Ceci favorise la purification du gaz en augmentant le temps de séjour dans le filtre et les contacts air/charbon.
De manière générale, le filtre sera dimensionné en fonction de la quantité prévue de polluants dans le gaz à filtrer et du débit de gaz de manière à obtenir un temps de séjour du gaz à l'intérieur du filtre suffisant. Il convient toutefois de placer au minimum un lit de deux centimètres d'épaisseur afin de limiter les passages préférentiels dans le réacteur contenant le charbon actif.
A titre d'exemple, des essais montrent qu'avec un charbon actif imprégné à 8% de KOH et pour un débit d'air de 450 mètres cube par heure (cas d'une hotte de cuisine domestique), le temps de séjour du gaz dans le lit de charbon actif imprégné doit être de 12ms pour une efficacité (différence des concentrations amont et aval du polluant rapportée à la concentration amont) de 80% sur le dioxyde d'azote, et de 20ms pour une efficacité de 92%. Ceci correspond en théorie à une épaisseur du lit d'environ 1 cm pour une surface de 40 cm par 60 cm. En pratique, il convient de placer au minimum un lit de deux centimètres d'épaisseur afin de limiter les passages préférentiels dans le réacteur contenant le charbon actif. Des essais ont été également réalisés sur un tel lit de 2 cm d'épaisseur pour mesurer 25 l'efficacité sur les COV du charbon actif préimprégné à 8% de KOH. Leurs résultats sont reportés dans le tableau ci-dessous. Débit (m par Temps de séjour Efficacité COV Efficacité COV non heure) (seconde) totaux (%) méthaniques (%) 50 0,407 45û50 85û90 200 0,101 31û42 50û60 315 0,065 30 - 35 30 û 40 450 0,045 J 0 _ 0û10 Comme expliqué précédemment, la consommation progressive des hydroxydes de métaux alcalins par les acides produits par l'hydrolyse des composés NOx et SOx a pour conséquence un relarguage d'une faible quantité de monoxyde d'azote. Avantageusement, il conviendra alors de placer en sortie du filtre un détecteur de monoxyde d'azote, ce qui permettra ainsi de détecter facilement l'arrivée en fin de vie du filtre et de pourvoir à son remplacement. Des applications de l'invention sont, entre autres, les systèmes de traitement d'air à l'intérieur d'espace d'habitation, tels que hottes de cuisine, système de ventilation, système épurateur d'air, le traitement des gaz d'évacuation de chaudières domestiques.
L'invention peut également concerner les milieux industriels pour le traitement de l'air d'ateliers. On pourra également l'utiliser dans des masques de protection individuels. Bien que l'invention ait été décrite avec des exemples particuliers de réalisation, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (7)

  1. REVENDICATIONS1. Utilisation de charbon actif imprégné avec un solution aqueuse d'au moins un 5 hydroxyde de métal alcalin en vue de la filtration de composés organiques volatils présents dans un flux de gaz.
  2. 2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle le flux de gaz à filtrer contient également des oxydes d'azote et/ou des oxydes de soufre.
  3. 3. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle le charbon actif possède une surface spécifique comprise entre 200 et 4000 m2 par gramme. 15
  4. 4. Utilisation selon la revendication 3, dans laquelle le charbon actif possède une surface spécifique comprise entre 500 et 1500 m2 par gramme.
  5. 5. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le charbon actif imprégné contient au moins 4% en poids d'hydroxyde de métal alcalin.
  6. 6. Utilisation selon l'une quelconque (les revendications 1 à 5, dans laquelle l'hydroxyde de métal alcalin est l'hydroxyde de potassium.
  7. 7. Utilisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle le 25 charbon actif est utilisé sous forme de poudre, granulés, bâtonnets ou billes... 10 20
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