Abstract FR:

Le but de ce travail est de comprendre les mécanismes impliqués dans l'élaboration de carbones adsorbants par un procédé original d'activation chimique du bois en présence d'acide phosphorique. Si l'activation chimique a l'avantage de conduire à des rendements et des surfaces spécifiques élevés, elle a l'inconvénient de donner des carbones acides du fait de leur forte teneur en phosphore et en oxygène. Pour pallier à ces inconvénients, nous avons étudié l'effet de différents paramètres sur les caractéristiques des carbones adsorbants obtenus : température d'activation, nature du réactif, des gaz présents dans l'atmosphère environnante (air, N2, C02, vapeur d'eau). Les variations de la structure chimique au cours du procédé ont été mises en évidence en couplant différentes méthodes physico-chimiques, tandis que la distribution poreuse a été déterminée par des méthodes d'adsorption de gaz. Les fonctions de surface ont été caractérisées par une méthode originale d'isothermes d'adsorption de protons. Ce travail a mis en évidence de rôle catalytique de H3P04 lors de l'activation du bois d'épicéa, et nous avons montré qu'il est particulièrement efficace en présence de vapeur d'eau. Ce procédé a permis d'obtenir, à des températures aussi faibles que 300°C, toute une gamme de charbons actifs aux caractéristiques intéressantes : grandes surfaces spécifiques, taux de carbone élevés, faibles teneurs en phosphore résiduel, carbonisats chimiquement neutres. Les mécanismes réactionnels impliqués dans ce nouveau mode d'activation chimiques ont pu être précisés. En présence d'atmosphères anhydres (air, N2, C02), la déshydratation de l'acide phosphorique, lors du traitement thermique conduit à la formation d'un acide de Lewis (P20S) qui réagit avec les fonctions O-H de surface pour former des liaisons de type C-O-P; des quantités élevées de phosphore et d'oxygène sont alors incorporées. En revanche, en présence d'eau, l'acide phosphorique peut agir comme acide de Brönsted pendant toute la durée du procédé et permettre une déshydratation catalytique poussée du bois et l'enrichissement en carbone du carbonisat. A des températures plus élevées (> 300°C), il favorise les réactions d'aromatisation et de condensation des noyaux aromatiques. La forte réticulation et désorientation des unités polyaromatiques ainsi obtenues conduit au développement de la porosité. De plus, la présence de protons permet la substitution des groupements phosphatés par des groupements alcools, et donc l'élimination du phosphore. Le rôle de la vapeur d'eau a été précisé en étudiant l'influence de différents paramètres intervenant lors de la carbonisation. Nous avons montré que ces paramètres jouent un rôle important sur la chimie de surface et sur la distribution poreuse, ce qui permet de déterminer les paramètres optimaux nécessaires à l'élaboration d'un carbone adsorbant doué d'une structure, d'une texture et de propriétés de surface déterminées.