Séparation des hydrocarbures du charbon actif en tant que substance poreuse dans un processus de régénération du glycol utilisant du dioxyde de carbone supercritique

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 19910 (2022) Citer cet article

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Une correction de l'éditeur à cet article a été publiée le 14 décembre 2022.

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Les charbons actifs sont utilisés dans les applications industrielles ; leur coût constitue un obstacle majeur à leur application plus large. La régénération des charbons actifs est indispensable pour minimiser les coûts opérationnels et le gaspillage de produits. Le dioxyde de carbone supercritique (SC-CO2), en tant que technologie verte, a été utilisé pour régénérer les charbons actifs. Dans ce travail, la méthodologie de surface de réponse a été utilisée pour optimiser le processus de régénération supercritique et pour évaluer l'effet des paramètres opérationnels, notamment la pression (100 à 300 bars), la température (313 à 333 K), le débit (2 à 6 g/min). ) et le temps dynamique (30 à 150 min) sur le rendement de régénération. Le rendement de régénération maximal (93,71 %) a été atteint à 285 bars, 333 K, 4 g/min et 147 min. La modélisation mathématique a été réalisée à l'aide de deux modèles cinétiques à un paramètre, qui concordent bien avec les données expérimentales. Le paramètre d'ajustement du modèle a été obtenu en utilisant un algorithme d'évolution différentielle. La composition chimique des substances extraites du charbon actif a été identifiée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont montré que la régénération du charbon actif par SC-CO2 peut être une méthode alternative aux méthodes conventionnelles.

Le charbon actif a été reconnu comme l'un des adsorbants largement utilisés pour le revêtement par pulvérisation1, la transformation des aliments2, la biomasse3, les produits pharmaceutiques4, les produits chimiques5, le traitement des eaux usées6, le pétrole7 et les industries nucléaires8, ainsi que le traitement au glycol pour éliminer les composés organiques et volatils (COV). polluants dans les industries du gaz naturel9. Le charbon actif est utilisé dans les systèmes d’adoucissement et de déshydratation du gaz naturel avec des fluides tels que les amines et les glycols10,11. Les techniques conventionnelles de régénération du charbon actif comprennent la volatilisation thermique12, l'extraction chimique13, les ultrasons14, les micro-ondes15, l'électrochimie16 et la biorégénération. Ces méthodes présentent plusieurs inconvénients tels que la perte de carbone, l'endommagement de sa structure poreuse, le traitement des gaz d'échappement, les régénérations chimiques utilisant des solvants ne sont pas forcément acceptables car une séparation supplémentaire et des problèmes environnementaux et de bio-régénération nécessitent des temps de réaction longs pour la régénération. Récemment, les fluides supercritiques (SCF) ont attiré une large attention dans de nombreux domaines et la régénération du charbon actif est l'une des applications de cette technologie qui a été étudiée17. Les caractéristiques uniques des SCF ont rendu ces solvants attractifs. En particulier, la densité du solvant, et donc ses propriétés dissolvantes, peuvent être contrôlées en modifiant la pression et la température. En outre, la densité d'un liquide et la viscosité d'un gaz, associées à des coefficients de diffusion qui sont au moins d'un ordre de grandeur supérieurs à ceux des liquides, contribuent à l'amélioration des processus de transfert de masse18,19,20,21,22,23. Parmi les différentes substances, le dioxyde de carbone est le meilleur choix car il s’agit d’un solvant respectueux de l’environnement offrant des avantages tels que la non-toxicité et une stabilité chimique élevée.

La régénération du charbon actif à l'aide de SCF a été étudiée par plusieurs chercheurs. DeFilippi et coll. observé que la régénération supercritique était économique même si la température et la pression de fonctionnement étaient respectivement supérieures à 387 K et 150 atm. Ils ont proposé un modèle d'équilibre local (isotherme de Freundlich) bien adapté aux données expérimentales24. La régénération de charbon actif chargé en phénol à l'aide de dioxyde de carbone supercritique a été étudiée par Kander et Paulaitis25. Ils ont constaté que le dioxyde de carbone supercritique n’offrait aucun avantage significatif pour la régénération du carbone chargé en phénol. Cependant, ils ont suggéré que pour les composés organiques qui ne sont pas fortement adsorbés sur le charbon actif, le dioxyde de carbone supercritique serait un adsorbant puissant. Tan et Liou ont étudié la désorption par dioxyde de carbone supercritique de charbon actif chargé soit d'acétate d'éthyle, soit de toluène. Ils ont présenté que cette méthode de régénération donnerait de meilleurs résultats que la méthode de régénération à la vapeur et, par conséquent, ont présenté un modèle de cinétique de désorption linéaire qui s'est avéré assez bien adapté aux données expérimentales17,26.