On détecte des microplastiques partout où l’on analyse l’eau : dans les rivières, les réservoirs, l’eau potable traitée, voire dans les effluents d’eaux usées. Alors que les autorités de régulation accordent une attention croissante aux contaminants émergents, les services des eaux et les exploitants industriels se posent une question concrète : les systèmes à charbon actif déjà en place sur site peuvent-ils également contribuer à résoudre ce problème ?
En bref, la réponse est oui, mais avec quelques réserves importantes. À l’origine, le charbon actif n’a pas été conçu pour éliminer les particules de plastique solides, mais pour adsorber les molécules organiques dissoutes. Il est essentiel, pour tout site recourant à la filtration sur charbon dans le cadre d’une stratégie de traitement plus large, de comprendre comment il capture les microplastiques et de connaître ses limites.
Ce guide explique en détail ce que sont les microplastiques, pourquoi ils sont importants, comment la filtration au charbon actif agit sur eux, et comment Puragen aide les opérateurs de traitement de l’eau à concevoir des systèmes qui fonctionnent de manière fiable face à ce défi en constante évolution.
Que sont les microplastiques et les nanoplastiques ?
Les microplastiques sont des fragments de plastique mesurant moins de 5 mm, tandis que les nanoplastiques sont encore plus petits, avec une taille inférieure à 1 micromètre. Ils proviennent d’une grande variété de sources, notamment la dégradation de déchets plastiques de plus grande taille, les fibres textiles synthétiques, l’usure des pneus, les microbilles présentes dans les cosmétiques et les résidus issus des processus industriels.
Contrairement aux composés organiques dissous, que le charbon actif est surtout connu pour éliminer, les microplastiques sont des particules solides en suspension. Cette distinction revêt une importance capitale pour déterminer comment — et dans quelle mesure — la filtration au charbon actif peut les retenir.
Pourquoi la présence de microplastiques dans l’eau est-elle préoccupante ?
Les microplastiques et les nanoplastiques sont de plus en plus souvent classés au même titre que d’autres contaminants émergents, tels que les PFAS, en raison des preuves de plus en plus nombreuses de leur persistance dans l’environnement et de leurs voies d’entrée potentielles dans les réseaux d’eau potable. Pour les services des eaux, les industriels rejetant des effluents et les producteurs de produits alimentaires et de boissons, cela soulève plusieurs préoccupations urgentes :
- La pression réglementaire s’intensifie en Europe et au Royaume-Uni, et les exigences en matière de surveillance et de déclaration concernant les microplastiques devraient se renforcer, parallèlement aux cadres réglementaires existants relatifs aux PFAS et aux COV.
- Le risque de réputation s’accroît à mesure que le grand public prend davantage conscience de la pollution plastique dans les réseaux d’eau.
- Il existeun risque opérationnel lorsque les microplastiques perturbent les processus en aval, les membranes ou la qualité de l’eau traitée.
- La responsabilité tout au long de la chaîne d’approvisionnement revêt une importance croissante pour les fabricants de produits alimentaires, de boissons et de produits pharmaceutiques qui dépendent d’une eau de process propre.
En prenant les devants dès maintenant, plutôt que d’attendre que la réglementation entre en vigueur pour réagir, les opérateurs se placent dans une position plus favorable.
Comment le charbon actif permet-il de capturer les microplastiques ?
Le charbon actif élimine les micropolluants organiques dissous en les adsorbant dans un réseau interne de micropores, généralement d’une taille inférieure à 2 nanomètres, ce qui confère au charbon de haute qualité une surface spécifique interne considérable, comprise entre 1 000 et 1 200 mètres carrés par gramme. Les microplastiques sont des particules solides en suspension plutôt que des molécules dissoutes ; ils sont donc bien trop gros pour pouvoir pénétrer dans cette structure poreuse interne. La capture s’effectue donc entièrement au niveau de la couche limite externe et dans les espaces vides du lit de charbon, via deux mécanismes distincts agissant à différentes échelles de particules.
Filtration physique des fragments de grande taille
Dans les systèmes à charbon actif granulaire (GAC), les fragments de microplastiques de plus grande taille sont retenus mécaniquement, dans une fourchette allant généralement de 1 à 500 micromètres :
- Piégeage interstitiel: les fragments de plastique solide sont soumis à une contrainte mécanique et immobilisés au sein des canaux macroporeux situés entre les différents granulés de carbone.
- Rugosité de surface — les micro-abrasions structurelles présentes à la surface externe du carbone font office d’ancrages, en emprisonnant physiquement les polymères fibreux tels que les microfibres issues des textiles.
- Filtration par gâteau — au fil de durées de fonctionnement prolongées, les matières plastiques capturées et autres solides en suspension forment une couche superficielle (gâteau) sur le lit filtrant. Celle-ci agit comme une couche de filtration secondaire plus fine, capable d’améliorer temporairement la rétention des particules fines, mais au prix d’une perte de charge progressive et, dans les cas graves, d’un colmatage ou d’une fluidisation du lit.
Adsorption en surface des nanoplastiques
Les véritables nanoplastiques, dont la taille est inférieure à 1 micromètre, sont trop petits pour être retenus de manière fiable par un filtre. Leur déplacement dans l’eau est régi par le mouvement brownien plutôt que par l’écoulement global ; leur capture dépend donc des interactions chimiques qui se produisent à la surface géométrique externe du carbone :
- Répartition dans la couche limite hydrophobe — les polymères synthétiques tels que le polyéthylène et le polystyrène sont extrêmement hydrophobes. Dans l’eau, la tendance thermodynamique à minimiser l’énergie libre pousse ces particules hors de la phase aqueuse vers les plans basaux hydrophobes du carbone.
- Empilement d’électrons pi-pi — pour les polymères contenant des groupes aromatiques, tels que le polystyrène (PS) et le PET, les systèmes d’électrons pi conjugués présents dans les cycles moléculaires du plastique interagissent directement avec les couches d’électrons pi délocalisées de la structure de type graphène du carbone, créant ainsi une adhérence exceptionnellement forte.
- Barrières de répulsion électrostatique — les microplastiques altérés par les intempéries et le vieillissement environnemental subissent une photo-oxydation, qui introduit des groupes fonctionnels contenant de l’oxygène (carbonyles et carboxyles) et confère aux particules une charge superficielle nette négative. Étant donné que le charbon actif classique présente généralement un potentiel zêta neutre à légèrement négatif à pH neutre, cela peut créer une barrière cinétique qui empêche activement l’adhérence des particules pour les plastiques les plus altérés par les intempéries, tels qu’on les trouve dans la nature.
PAC vs GAC : aperçu des performances
| Métrique opérationnelle | Charbon actif en poudre (CAP) | Charbon actif granulaire (CAG) |
|---|---|---|
| Mécanisme de capture principal | Co-coagulation / intégration par floculation | Filtration interstitielle en lit profond |
| Plage de particules cibles | Submicroniques et nanoplastiques (<1 µm) | Fragments macro à micro-échelle (1–500 µm) |
| Impact hydraulique | Négligeable dans le bassin de contact ; risque déplacé vers l’encrassement des membranes | Perte de charge progressive, colmatage du lit, risque de fluidisation |
| Trajectoire des médias usés | Matrice de boues ; usage unique irréversible | Réactivation thermique et boucles de réutilisation structurelle |
| Vulnérabilité du procédé | Risque élevé d’entraînement de nanoplastiques liés au-delà des clarificateurs | Désorption/perçage lors de pics hydrauliques ou de contre-lavages |
Quand la filtration au charbon actif atteint ses limites
Le charbon actif est un outil puissant, mais il ne constitue pas à lui seul une solution complète pour lutter contre les microplastiques. Plusieurs défis concrets affectent ses performances :
- Sous-utilisation de la surface spécifique. C’est là le paradoxe technique fondamental lié à l’utilisation du charbon pour l’élimination des particules solides. La surface interne de 1 000 à 1 200 m²/g qui rend le charbon de haute qualité si efficace contre les contaminants dissous est emprisonnée dans des micropores et des mésopores dans lesquels les microplastiques ne peuvent tout simplement pas se diffuser. Pour la fraction des particules solides, cette surface est fonctionnellement inaccessible, ce qui signifie que le média fonctionne en réalité comme un filtre à sable coûteux plutôt que comme un adsorbant.
- Concurrence pour l’adsorption exercée par la matière organique dissoute (MOD). La matière organique naturelle et d’autres composés organiques dissous de fond entrent en concurrence intense pour les mêmes sites hydrophobes externes dont dépendent les nanoplastiques. La DOM s’adsorbe rapidement sur la couche limite externe, masquant les propriétés de surface du carbone, modifiant sa charge superficielle et réduisant considérablement l’attraction hydrophobe à long terme dont bénéficient les nanoplastiques.
- Risques liés à la réactivation thermique. Lors d’une réactivation classique dans un four rotatif ou un four à sole multiple, les microplastiques accumulés subissent une pyrolyse et une gazéification. Si ce processus détruit la matrice plastique, certains types de polymères présentent un réel risque technique : les polymères halogénés tels que le PVC ou certains fluoropolymères peuvent libérer des gaz corrosifs (HCl, HF) qui menacent les revêtements réfractaires des fours et les épurateurs de gaz d’échappement, tandis que les charges inorganiques et les pigments présents dans certains plastiques peuvent fondre et se déposer sous forme de cendres, obstruant ainsi les entrées des pores et dégradant la qualité du charbon réactivé.
- Contrainte hydraulique sur les lits de charbon actif granulé (GAC). Les solides retenus augmentent progressivement la résistance à l’écoulement à travers le lit, ce qui contribue à la perte de charge et, dans les cas graves, à l’encrassement ou à la fluidisation du lit, ce qui nécessite une gestion active par lavage à contre-courant et surveillance.
Tirer le meilleur parti des systèmes en carbone
La bonne nouvelle, c’est qu’avec une conception adéquate du procédé, le charbon actif peut constituer un élément véritablement efficace d’une stratégie de lutte contre les microplastiques. Parmi les bonnes pratiques, on peut citer :
- Positionner correctement le charbon actif dans la chaîne de traitement. Le charbon actif ne doit jamais être utilisé comme barrière de filtrage primaire pour les plastiques en suspension. Les contacteurs à charbon fonctionnent de manière optimale lorsqu’ils sont strictement positionnés en tant qu’unités de polissage en aval des procédés primaires d’élimination des solides, tels que la coagulation-floculation-sédimentation ou la flottation à air dissous (DAF), garantissant ainsi que la charge en solides en suspension supérieure à environ 10 micromètres soit éliminée en toute sécurité avant d’atteindre le lit. Cela permet au charbon de répartir sa charge de travail entre la capture effective des matières organiques dissoutes et le polissage des plastiques submicroniques, plutôt que d’être submergé par des matières solides en vrac qu’il n’est pas conçu pour traiter.
- Adapter le type de média à la taille cible des particules. Le charbon actif en poudre (PAC) convient aux particules très fines et nanométriques lorsqu’il est associé à des procédés de coagulation, tandis que le charbon actif en grains (GAC) est mieux adapté à la capture de fragments plus gros dans les réacteurs à lit profond.
- En ce qui concerne les carbones à surface modifiée, la modification du potentiel zêta — par imprégnation de polymères cationiques (par exemple, des revêtements de chitosane) ou par greffage d’oxyde de fer — peut inverser la charge superficielle du carbone pour lui conférer une valeur nette positive. Cela élimine la barrière de répulsion électrostatique décrite ci-dessus, permettant ainsi au support d’attirer et de capturer activement les microplastiques altérés et chargés négativement, plutôt que de leur résister.
- Planifier soigneusement la réactivation. Comprendre la charge de matières plastiques atteignant le lit de charbon permet de protéger les infrastructures de réactivation et de maintenir une qualité constante du charbon réactivé.
Comment Puragen peut vous aider
Chez Puragen, nous aidons les services des eaux, les sites industriels et les producteurs agroalimentaires à concevoir des systèmes à charbon actif qui offrent une protection fiable contre les contaminants actuels, notamment les microplastiques, les PFAS et les COV, et pas seulement contre ceux pour lesquels le charbon avait été initialement conçu il y a plusieurs décennies.
Notre approche repose sur :
- Une expertise et des analyses permettant d’évaluer la composition spécifique de votre eau et le profil des contaminants avant de vous proposer une solution.
- Carbon Engineering se chargera de sélectionner et, si nécessaire, de traiter en surface le carbone le mieux adapté à votre gamme de particules et de contaminants.
- Services de filtres fixes et de filtration mobile pour garantir que vos réacteurs à charbon actif soient correctement positionnés et dimensionnés au sein de votre chaîne de traitement globale.
- Une expertise en matière de réactivation pour gérer le charbon usagé de manière responsable, tout en préservant à la fois votre budget et vos objectifs de développement durable.
Si les microplastiques constituent désormais un enjeu en matière de conformité ou de qualité sur votre site, notre équipe peut vous aider à déterminer si vos systèmes de traitement du carbone actuels fonctionnent à leur plein potentiel, et ce qu’il faudrait mettre en œuvre pour combler les lacunes.
Contactez dès aujourd’hui un expert en traitement de l’eau pour découvrir comment l’approche et les capacités de Puragen peuvent vous aider à lutter contre les microplastiques, ainsi que contre l’ensemble des nouveaux contaminants qui affectent la qualité de l’eau.
