Le charbon actif retient les polluants principalement grâce à deux mécanismes :

1. L’adsorption (mécanisme principal)

-  Le charbon actif possède une très grande surface spécifique (jusqu’à 1500 m²/g) due à sa structure microporeuse.

- Les polluants (molécules organiques, chlore, pesticides, solvants, etc.) sont piégés à la surface du charbon par des forces de Van der Waals et des interactions chimiques.

- Plus la molécule est grande et non polaire, plus elle est facilement adsorbée.

2. La filtration mécanique

Les particules en suspension (matières en suspension, métaux lourds sous forme colloïdale, etc.) sont bloquées dans les pores du charbon actif, ce qui agit comme un tamis. Quels polluants sont retenus ?

Substances organiques : pesticides, solvants, hydrocarbures, résidus médicamenteux

Chlore et dérivés chlorés : améliore le goût et l’odeur de l’eau

Métaux lourds (partiellement) : plomb, mercure, cadmium

Produits chimiques industriels : PCB, dioxines Limites du charbon actif n’élimine pas les minéraux (calcium, magnésium, sodium, etc.)

Peu efficace contre les nitrates et ammonium sature avec le temps et doit être remplacé régulièrement

Comment fonctionne le principe de l’adsorption ? Le principe de l’adsorption repose sur l’attraction des molécules à la surface d’un matériau solide, comme le charbon actif. Contrairement à l’absorption, où une substance est incorporée à l’intérieur d’un matériau (comme une éponge qui absorbe l’eau), l’adsorption se produit uniquement à la surface du matériau.

Mécanismes de l’adsorption

L’adsorption repose sur deux types d’interactions principales :

1. L’adsorption physique (physisorption)

Basée sur les forces de Van der Waals, qui sont des forces électrostatiques faibles entre les molécules.

Réversible : les molécules adsorbées peuvent être relâchées sous certaines conditions (température, pression).

Exemples : adsorption des gaz, des micropolluants organiques comme les pesticides.

2. L’adsorption chimique (chimisorption)

Formation de liaisons chimiques entre la surface du matériau adsorbant et la molécule piégée. o Processus généralement irréversible.

Exemples : adsorption de métaux lourds sous forme ionique, réactions avec le chlore ou l’ammoniac.

� � Pourquoi le charbon actif est-il efficace ?

• Surface spécifique énorme : grâce à sa structure microporeuse (jusqu’à 1500 m²/g), il peut piéger une grande quantité de polluants.

• Affinité avec les composés organiques : il retient mieux les substances hydrophobes et non polaires (pesticides, solvants, hydrocarbures).

• Personnalisable : certains charbons actifs sont imprégnés de substances spécifiques (argent, oxyde de fer) pour capter d’autres polluants comme les métaux lourds ou les bactéries.

En résumé : l’adsorption fonctionne comme un « aimant moléculaire » qui attire et retient les polluants sur la surface d’un matériau, sans les absorber à l’intérieur. Comment le charbon peut-il retenir une substance non polaire, alors que c’est le mécanisme électrostatique, donc polaire, qui lui permet de capter les substances ? Le fait que le charbon actif retienne des substances non polaires, alors que les forces électrostatiques (qui agissent surtout sur des molécules polaires) jouent un rôle dans l’adsorption, peut sembler contradictoire. Voici l’explication Pourquoi le charbon actif retient-il bien les substances non polaires ?

Le charbon actif est lui-même un matériau non polaire. Il est constitué de carbone amorphe avec une structure graphitique, ce qui signifie que ses surfaces sont hydrophobes (repoussent l’eau) et ont une affinité pour d’autres molécules non polaires.

⚛ Mécanismes en jeu

1. Interactions de dispersion de Van der Waals (forces de London) o Ce sont des forces attractives faibles, qui existent entre toutes les molécules, même les non polaires.

-  Ces forces augmentent avec la surface de contact et la taille des molécules.

-  Les grandes molécules organiques non polaires (pesticides, hydrocarbures, solvants) sont fortement retenues car elles interagissent sur une large surface du charbon actif.

2. Effet hydrophobe

-  L’eau est une molécule polaire, et le charbon actif est plutôt non polaire.

-  En présence d’eau, les molécules non polaires cherchent à s’éloigner de l’eau et préfèrent se fixer sur le charbon (c’est le même principe qui fait que l’huile ne se mélange pas à l’eau).

-  Ce phénomène favorise l’adsorption des polluants organiques hydrophobes comme les pesticides, les COV (composés organiques volatils) et certains résidus médicamenteux.

3. Effet microporeux et piégeage physique

-  Le charbon actif a une structure très poreuse (micro- et mésopores), ce qui permet d’enfermer les molécules polluantes par simple effet de taille et de confinement.

- Cela fonctionne pour les molécules polaires et non polaires. Et les substances polaires ? Les substances polaires sont aussi adsorbées, mais plutôt grâce à :

• Des interactions dipôle-dipôle si le charbon contient des groupes fonctionnels oxygénés (hydroxyles, carbonyles).

• L’adsorption chimique (chimisorption), notamment pour certains métaux lourds ou composés réactifs (chlore, ammoniaque). Conclusion Le charbon actif n’a pas besoin d’être polaire pour capter des substances non polaires. Ce sont les forces de dispersion de Van der Waals et l’effet hydrophobe qui permettent d’adsorber efficacement les molécules organiques non polaires. Les substances polaires, elles, sont retenues par d’autres mécanismes (interactions dipôle-dipôle, chimisorption). Qu’est-ce que l’interaction dipôle-dipôle ? L’interaction dipôle-dipôle est une force d’attraction qui se produit entre des molécules polaires. Comment ça fonctionne ? Une molécule est polaire lorsqu’elle possède une séparation des charges électriques, c’est-à dire un dipôle (une extrémité partiellement positive et une autre partiellement négative).

➡ Ces dipôles s’attirent mutuellement :

• L’extrémité partiellement positive (δ⁺) d’une molécule est attirée par l’extrémité partiellement négative (δ⁻) d’une autre molécule.

• Cette attraction stabilise les molécules et influence leurs propriétés (solubilité, point d’ébullition, adsorption, etc.).

Exemples concrets

1. L’eau (H₂O)

-  L’oxygène est plus électronégatif que l’hydrogène, donc H₂O a une charge partielle négative (δ⁻) sur O et une charge partielle positive (δ⁺) sur H.

-  Les molécules d’eau s’attirent entre elles par des interactions dipôle-dipôle, ce qui explique leur forte cohésion et leur tension de surface.

2. Le chloroforme (CHCl₃)

-  Le chlore est plus électronégatif que le carbone, donc CHCl₃ a un dipôle qui lui permet d’interagir avec d’autres molécules polaires.

3. L’adsorption sur le charbon actif

 Si la surface du charbon contient des groupes fonctionnels oxygénés (hydroxyles, carbonyles), elle peut interagir avec des molécules polaires par interaction dipôle-dipôle. Différence avec d’autres forces • Van der Waals (forces de London) : beaucoup plus faibles, elles s’appliquent même aux molécules non polaires. • Liaison hydrogène : cas particulier d’interaction dipôle-dipôle forte, qui se produit avec des atomes comme O, N ou F liés à de l’hydrogène.

• Chimisorption : formation d’une vraie liaison chimique, donc plus forte et souvent irréversible. Que sont les forces de dispersion de Van der Waals (forces de London) ? Les forces de dispersion de Van der Waals, aussi appelées forces de London, sont des interactions intermoléculaires faibles qui existent entre toutes les molécules, qu’elles soient polaires ou non polaires. Comment fonctionnent-elles ? Ces forces proviennent de la formation instantanée et temporaire de dipôles au sein des atomes ou molécules.

1 Formation d’un dipôle instantané

• Les électrons d’un atome/molécule ne sont pas statiques, ils se déplacent en permanence.

• À un moment donné, ils peuvent être inégalement répartis, créant un dipôle temporaire avec une zone légèrement positive (δ⁺) et une autre légèrement négative (δ⁻).

2 Induction d’un dipôle chez la molécule voisine

• Ce dipôle temporaire influence les molécules voisines, qui réagissent en ajustant leur répartition électronique, créant ainsi un dipôle induit.

• Il en résulte une attraction entre ces dipôles temporaires.

3 Ces interactions sont faibles mais omniprésentes

• Plus une molécule est grande et possède d’électrons, plus les forces de dispersion de London sont fortes. • Les molécules non polaires n’ont que ce type de forces pour interagir entre elles. Exemples concrets Les gaz nobles (He, Ne, Ar, etc.)

• Ils sont monoatomiques et non polaires, donc ils n’interagissent entre eux que par les forces de dispersion.

• C’est pourquoi l’hélium (He) a un point d’ébullition extrêmement bas : il a très peu d’électrons, donc ses forces de dispersion sont très faibles. Les hydrocarbures (méthane, butane, etc.) • Ils sont non polaires, donc les forces de dispersion de London sont leur principale interaction. • Plus la molécule est longue et massive, plus elle a d’électrons, et plus ces forces sont fortes (ex. butane liquide alors que le méthane est gazeux). Adsorption sur le charbon actif

• Les molécules organiques non polaires (pesticides, solvants, microplastiques) sont retenues sur le charbon par forces de Van der Waals.

• Plus une molécule est grande et lourde, plus elle est bien adsorbée. Résumé Les forces de dispersion de Van der Waals (forces de London) sont présentes partout et permettent l’attraction entre molécules, même non polaires. Elles sont plus fortes pour les molécules volumineuses ou riches en électrons. Elles jouent un rôle clé dans l’adsorption sur le charbon actif et la rétention des polluants organiques. Exemple appliqué à l’eau ou à la filtration : Prenons l’exemple de l’adsorption des molécules polaires par le charbon actif dans l’eau. Cas d’une molécule polaire dans l’eau : le chlore (Cl₂) Le chlore est souvent ajouté à l’eau potable comme désinfectant. Une fois dissous, il forme de l’acide hypochloreux (HOCl) et des ions hypochlorite (OCl⁻), qui sont des molécules polaires. Comment le charbon actif les retient-il ?

1. Interactions dipôle-dipôle

-  La surface du charbon actif peut contenir des groupes fonctionnels oxygénés (ex. hydroxyles -OH, carbonyles =O).

-  Ces groupes interagissent avec les molécules polaires du chlore par attraction dipôle-dipôle, facilitant leur fixation.

2. Réactions chimiques (chimisorption partielle) o En plus des interactions dipôle-dipôle, le charbon actif peut réagir chimiquement avec le chlore, le transformant en chlorure (Cl⁻), qui est beaucoup moins actif.

 C’est pourquoi le charbon actif est très efficace pour éliminer le goût et l’odeur du chlore dans l’eau potable.

Autre exemple : adsorption des pesticides polaires Certains pesticides comme l’atrazine ou le glyphosate sont modérément polaires.

• Leur adsorption sur le charbon actif est moins efficace que pour des pesticides hydrophobes, mais reste possible grâce aux interactions dipôle-dipôle avec les groupes oxygénés présents sur le charbon.

• Si ces pesticides ont des portions hydrophobes, elles seront aussi retenues par les forces de Van der Waals. En résumé Dans la filtration de l’eau : Les molécules polaires (chlore, certains pesticides, solvants polaires) peuvent être adsorbées via les interactions dipôle-dipôle si le charbon actif possède des groupes oxygénés. Les molécules non polaires sont principalement retenues par les forces de Van der Waals et l’effet hydrophobe. Qu’en est-il des nanoparticules, retenues ou non par le charbon ? Les nanoparticules sont un cas particulier car leur adsorption par le charbon actif dépend de plusieurs facteurs : leur taille, leur charge électrique, leur hydrophobie et leur composition chimique. Le charbon actif peut-il retenir les nanoparticules ? Oui, dans certains cas :

1. Par effet de tamisage et piégeage mécanique o Si les nanoparticules sont plus grandes que les micropores du charbon actif, elles peuvent être filtrées mécaniquement et piégées à la surface ou dans les pores.

Ex. Nanoparticules métalliques (Ag, TiO₂, ZnO, Fe₃O₄) de taille supérieure à quelques nanomètres.

2. Par adsorption électrostatique (si la nanoparticule est chargée)

 Si la nanoparticule a une charge opposée à celle des groupes fonctionnels du charbon (hydroxyles, carboxyles), il peut y avoir une attraction électrostatique.

 Ex. Nanoparticules d’argent (AgNPs) chargées positivement peuvent être adsorbées sur un charbon actif chargé négativement.

3. Par interactions hydrophobes

Les nanoparticules hydrophobes auront tendance à s’adsorber sur la surface du charbon actif, qui est lui-même hydrophobe.

Ex. Nanoparticules de carbone (fullerènes, graphène, nanotubes de carbone) Non, dans d’autres cas :

1. Nanoparticules trop petites (< 1-2 nm) Elles peuvent traverser les pores du charbon sans être piégées.

2. Nanoparticules très hydrophiles

 Si elles sont très solubles dans l’eau, elles auront peu d’affinité avec le charbon actif et ne seront pas bien retenues.

 Ex. Nanoparticules de silice (SiO₂)

3. Nanoparticules recouvertes de polymères (PEG, PVP)

 Certains revêtements empêchent l’adsorption en rendant la nanoparticule neutre et stable dans l’eau.

Conclusion Le charbon actif peut adsorber certaines nanoparticules (métalliques, hydrophobes) grâce à l’effet mécanique, électrostatique ou hydrophobe. Mais d’autres peuvent le traverser si elles sont trop petites, trop hydrophiles ou stabilisées par un revêtement. Pour une filtration plus efficace des nanoparticules, on utilise souvent des membranes à ultra-filtration ou des charbons activés spécifiques. Qu’en est-il pour les microplastiques, retenus ou pas par le charbon ? Les microplastiques peuvent être partiellement retenus par le charbon actif, mais leur efficacité de filtration dépend de plusieurs paramètres : taille, charge, hydrophobie et interactions avec le charbon. Le charbon actif peut-il retenir les microplastiques ? Oui, dans plusieurs cas :

1 Par filtration mécanique (effet tamis)

• Les microplastiques de grande taille (> 1 µm) peuvent être piégés dans les pores du charbon actif, notamment les mésopores et macropores.

• Ex. PET (polyéthylène téréphtalate), PE (polyéthylène), PP (polypropylène), PVC (polychlorure de vinyle) 2 Par adsorption hydrophobe

• Les microplastiques sont hydrophobes, comme le charbon actif. Ils ont donc une tendance naturelle à adhérer à la surface du charbon par effet hydrophobe.

• Ex. Polystyrène (PS) et polypropylène (PP), qui sont très hydrophobes, peuvent être bien adsorbés.

3 Par interactions électrostatiques (si la surface du microplastique est chargée)

• Certains microplastiques possèdent une charge de surface (ex. PVC, qui peut être légèrement chargé négativement).

• Si le charbon actif possède des groupes fonctionnels chargés positivement, une interaction électrostatique peut aider à capturer ces particules. Non, dans certains cas :

1 Les microplastiques trop petits (< 100 nm) • Certains nanoplastiques sont trop petits et peuvent passer à travers les pores du charbon.

• Solution possible : utiliser un charbon actif à porosité ultra-fine ou compléter avec une ultrafiltration.

2 Les microplastiques modifiés (couche protectrice ou en suspension colloïdale) • Certains microplastiques sont enrobés d’additifs qui les rendent moins hydrophobes et donc moins attirés par le charbon.

• Ex. Plastiques traités avec des agents antiadhésifs.

3 Les microplastiques très solubles ou dispersés dans l’eau • Certains plastiques, comme le PET, peuvent être en suspension stable et ne pas interagir suffisamment avec la surface du charbon.

Conclusion

Le charbon actif peut retenir les microplastiques de taille moyenne et grande (> 1 µm) grâce à l’effet tamis et aux interactions hydrophobes. Mais il est moins efficace pour les nanoplastiques (< 100 nm) et les microplastiques modifiés.