Utilisation du charbon actif dans le traitement de l’eau (potable) pour l’élimination des PFAS

Essen, 07.03.2024 – Les composés alkylés perfluorés et polyfluorés, ou PFAS, sont de plus en plus pris en compte dans le traitement de l’eau. Ces produits chimiques, également appelés produits chimiques éternels, sont des composés organiques fluorés synthétiques dans lesquels plusieurs atomes de fluor sont liés à une chaîne alkyle. Selon la définition de l’OCDE, au moins un atome de carbone est entièrement fluoré.

Ils se caractérisent par une grande stabilité chimique et thermique en raison de la forte liaison fluor-carbone. La chaîne fluorocarbonée possède un caractère hydrophobe grâce à un groupe de tête polaire, ils peuvent également avoir un caractère hydrophile. Ils peuvent donc être hydrofuges et oléofuges et repousser en partie les particules de saleté. Grâce à ces propriétés, elles ont été et sont encore utilisées dans de nombreux domaines. Nous les retrouvons dans des objets quotidiens tels que les textiles fonctionnels, les produits d’imprégnation, les poêles en téflon et le papier spécial.

Outre leurs propriétés positives, leurs propriétés négatives ont fait l’objet d’une attention croissante au cours des dernières années. Ils s’accumulent dans l’environnement, dans les tissus animaux et humains. Certains PFAS sont toxiques, soupçonnés d’être cancérigènes et de contribuer à des troubles du développement neurologique. Cet état de fait, associé notamment au fait que de nombreux PFAS ne se dégradent pas dans l’environnement ou ne le font que sur de très longues périodes, a conduit à une surveillance accrue et à une réglementation voire une interdiction croissante de l’utilisation de certains composés. Le caractère explosif se reflète également dans le fait que la directive européenne sur l’eau potable (directive (UE) 2020/2184) exige l’application de valeurs maximales dans la somme des teneurs en PFAS.

Objectif de l’étude

L’eau potable est notre aliment le plus important et, pour cette raison, l’un des biens les plus surveillés et les plus strictement contrôlés en Allemagne. L’utilisation de charbon actif est une pratique courante dans le traitement de l’eau potable. Par adsorption, il élimine efficacement de l’eau différents polluants tels que les pesticides, les résidus de médicaments et les hydrocarbures. L’ordonnance sur l’eau potable du 20 juin 2023 a également fixé pour la première fois des valeurs limites contraignantes pour les PFAS. Pour les substances du groupe PFAS-20, une valeur limite de 0,1 µg/l s’applique à partir du 12 janvier 2026 et pour les substances du groupe PFAS-4, la valeur limite est même de 0,02 µg/l. Ces nouvelles exigences représentent un défi pour le traitement de l’eau potable. L’utilisation de charbon actif offre ici aussi une solution adaptée. C’est pourquoi CarboTech – l’un des principaux fournisseurs mondiaux de services complets de charbons actifs, dont le siège est à Essen – a fait tester l’adsorption des PFAS sur différents charbons actifs pour le traitement de l’eau potable au Technologiezentrum Wasser de Karlsruhe (TZW).

Description de l’essai

Les essais ont été réalisés conformément au Granular Carbon Selection Test (test GCS) développé au TZW. Ce test permet, en l’espace de quelques semaines, de comparer et d’évaluer les charbons actifs quant à leurs propriétés d’adsorption, en fonction de la concentration et de l’adsorbabilité des polluants. Dans le banc d’essai GCS, quatre petites colonnes filtrantes ont été remplies chacune de 1,7 L de charbon actif et ont fonctionné en parallèle. La matrice de test était de l’eau du robinet de Karlsruhe, à laquelle on a ajouté un mélange de différents PFAS. Les substances étudiées sont l’acide perfluorobutanoïque (PFBA), l’acide perfluoropentanoïque (PFPeA), l’acide perfluorohexanoïque (PFHxA), l’acide perfluorooctanoïque (PFOA), l’acide perfluorobutanesulfonique (PFBS), l’acide perfluorohexanesulfonique (PFHxS) et l’acide perfluorooctanosulfonique (PFOS). Toutes les substances appartiennent au groupe PFAS-20, PFOA, PFHxS, PFOS appartiennent en outre au groupe particulièrement critique PFAS-4. Pendant les essais, le coefficient d’absorption spectrale (SAK) à 254 nm et les concentrations de PFAS ont été mesurés à intervalles réguliers dans l’entrée et la sortie des petites colonnes filtrantes.

Charbons actifs étudiés

Dans les essais, différents charbons actifs activés à la vapeur ont été testés avec une granulation MESH 8×30. Les charbons actifs sélectionnés sont basés sur différentes matières premières. Les charbons actifs DGF 8×30 GL et DGF BX 8×30/65 sont basés sur la houille, comme la majorité des charbons actifs actuellement utilisés dans le traitement de l’eau potable. Le DGK 8×30/65 (noix de coco) et le DGP 8×30/65 (palmiste), basés sur des matières premières renouvelables et des sous-produits agricoles, représentent une alternative plus durable. Tous les charbons actifs sélectionnés possèdent une homologation pour l’eau potable selon la norme DIN EN 12915-1. Les propriétés des charbons actifs étudiés sont présentées dans le tableau 1.

Dans l’ensemble, le DGF 8×30 GL présente la porosité la plus élevée de tous les charbons actifs testés, ce qui se reflète également dans la densité de vibration la plus faible. Il dispose en même temps de la plus grande proportion de mésopores. Le DGK 8×30/65, en raison de sa matière première et de son degré d’activation nettement plus faible, a une porosité nettement plus fine et est presque exclusivement microporeux.

Résultats des tests

Les courbes de percée déterminées pour le SAK 254 nm et pour la concentration totale des PFAS-20 et PFAS-4. Le SAK 254 nm ou les concentrations dans l’effluent du filtre sont portés en regard de la quantité d’eau spécifiquement transférée dans des volumes de lit.

Tous les charbons actifs testés ont pu réduire davantage le SAK 254 nm déjà faible. Cela signifie que les charbons actifs peuvent éliminer les substances présentes dans l’eau par adsorption. En plus des PFAS ajoutés, il peut s’agir par exemple d’hydrocarbures. Le DGF 8×30 GL a montré la meilleure performance, il possède les plus faibles concentrations dans l’effluent pour tous les volumes de lit. Cela s’explique probablement par le fait qu’elle possède le plus grand volume de pores et qu’elle offre le plus grand volume d’adsorption. D’autre part, cela peut également être dû au fait qu’elle présente à la fois des micropores et des mésopores plus grands et qu’elle possède donc de bons sites d’adsorption pour différentes grandes molécules. La DGK 8×30/65 présente la performance la plus faible, en raison du plus petit volume de pores et peut être influencée par le fait qu’il n’y a pratiquement que des petits micropores, ce qui empêche l’adsorption de grosses molécules. Les propriétés d’adsorption des charbons actifs DGF BX 8×30/65 et DGP 8×30/65 sont comparables entre elles, mais sont nettement inférieures à celles du charbon actif DGF 8×30 GL.

En ce qui concerne l’adsorption de la somme de tous les PFAS, le DGK 8×30/65 présente, comme pour la valeur SAK, la plus faible capacité d’adsorption. Les autres charbons actifs présentent une capacité d’adsorption comparable entre eux, le DGF 8×30 GL présentant une capacité d’élimination légèrement meilleure pour la somme de tous les PFAS analysés lorsque le volume du lit est faible. Dans l’ensemble, il apparaît qu’aucun charbon actif n’a atteint la concentration d’entrée des PFAS à environ 13500 BV. Cela signifie que la charge d’équilibre n’est pas encore atteinte et que tous les charbons actifs possèdent d’autres capacités d’adsorption des PFAS. Globalement, cela montre également que les zones de transfert de masse sont très larges dans le dispositif expérimental choisi.

Si l’on considère uniquement les substances PFAS-4 étudiées (PFOA, PFHxS, PFOS), le DGF 8×30 GL présente la meilleure performance d’adsorption. En revanche, les charbons actifs DGP 8×30/65 et DGF BX 8×30/65 présentent des concentrations d’effluents légèrement plus élevées pour les substances individuelles, ce qui se traduit par des valeurs plus élevées pour le paramètre global. Le DGK 8×30/65 a montré une capacité d’adsorption nettement inférieure à celle des autres charbons actifs. La différence avec les autres charbons actifs est proportionnellement plus nette que si l’on considère tous les PFAS analysés. Cela s’explique par le fait que les substances PFAS-4 étudiées sont des molécules dont la longueur de chaîne est ≥ C6. Celles-ci peuvent globalement former des interactions plus fortes avec la surface que les PFAS à chaîne courte. En raison des dimensions des molécules, elles s’adsorbent également dans des pores plus larges, dont la DGK 8×30/65 ne possède pas ou peu. Comme pour tous les PFAS étudiés, l’équilibre n’a pas encore été atteint pour les substances PFAS-4.

Si l’on tient compte de la densité de vibration/masse volumique apparente lors de l’évaluation de la capacité d’adsorption – comme c’est généralement le cas pour les charbons actifs – le DGF 8×30 GL présente la meilleure capacité d’épuration en raison de sa faible densité.

Conclusion

Le point de départ des essais était l’évaluation et l’appréciation comparative de la capacité d’adsorption des PFAS dans le traitement de l’eau potable de différents charbons actifs granulés. Les tests ont été réalisés avec de l’eau du robinet de Karlsruhe sur des colonnes de petits filtres. Il s’avère que tous les charbons actifs testés peuvent réduire la teneur en PFAS dans l’eau analysée, le DGF 8×30 GL présentant la meilleure efficacité d’élimination. Avec le DGF 8×30 GL, on a également constaté simultanément la plus grande diminution du SAK 254 nm. Les résultats montrent qu’un charbon actif à base de palmiste (DGP 8×30/65) peut constituer une alternative durable pour l’élimination des PFAS et qu’il présente des performances aussi bonnes pour le paramètre cumulé des PFAS. En résumé, tous les charbons actifs peuvent être utilisés pour éliminer les PFAS. S’il existe un autre problème de polluant, celui-ci devrait être pris en compte en plus de la performance d’adsorption des PFAS.