La sono-électrochimie et ses avantages

Vous trouverez ici tout ce qu’il faut savoir sur l’électrochimie ultrasonore (sonoélectrochimie) : principe de fonctionnement, applications, avantages et équipements sono-électrochimiques – toutes les informations pertinentes sur la sonoélectrochimie sur une seule page.

Pourquoi appliquer les ultrasons à l’électrochimie ?

La combinaison d’ondes ultrasonores basse fréquence et haute intensité avec des systèmes électrochimiques offre de multiples avantages, qui améliorent l’efficacité et le taux de conversion des réactions électrochimiques.

Le principe de fonctionnement des ultrasons

Pour un traitement par ultrasons haute performance, des ultrasons basse fréquence et haute intensité sont produits par un générateur d’ultrasons et transmis dans un liquide par l’intermédiaire d’une sonde à ultrasons (sonotrode). On considère comme ultrasons de haute puissance les ultrasons situés dans la plage de 16-30kHz. La sonde à ultrasons se dilate et se contracte, par exemple à 20kHz, transmettant ainsi respectivement 20 000 vibrations par seconde dans le milieu. Lorsque les ondes ultrasonores traversent le liquide, l’alternance de cycles de haute pression (compression) / basse pression (raréfaction ou expansion) crée de minuscules bulles de vide ou cavités, qui grossissent au fil de plusieurs cycles de pression. Pendant la phase de compression du liquide et des bulles, la pression est positive, tandis que la phase de raréfaction produit un vide (pression négative). Au cours des cycles de compression-expansion, les cavités dans le liquide grossissent jusqu’à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie. À ce stade, elles implosent violemment. L’implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonore. La cavitation acoustique se caractérise par de multiples effets hautement énergétiques, qui agissent sur les liquides, les systèmes solide/liquide ainsi que les systèmes gaz/liquide. La zone à forte densité énergétique, ou zone de cavitation, est connue sous le nom de zone de « hot-spot » (point chaud) ; sa densité énergétique est la plus élevée à proximité immédiate de la sonde à ultrasons et diminue à mesure que la distance par rapport à la sonotrode augmente. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonore comprennent des températures et des pressions très élevées se produisant localement ainsi que les différentiels correspondants, des turbulences et des écoulements de liquide. Lors de l’implosion des cavités ultrasonores dans les points chauds ultrasonores, des températures allant jusqu’à 5000 Kelvin, des pressions allant jusqu’à 200 atmosphères et des jets de liquide atteignant jusqu’à 1000km/h peuvent être mesurés. Ces conditions exceptionnelles à haute intensité énergétique contribuent à des effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient les systèmes électrochimiques de diverses manières.

Les effets des ultrasons sur les systèmes électrochimiques

L’application de l’ultrasonication aux réactions électrochimiques est connue pour ses divers effets sur les électrodes, c’est-à-dire l’anode et la cathode, ainsi que sur la solution électrolytique. La cavitation ultrasonore et le courant acoustique génèrent dans le fluide réactionnel d’importants micromouvements, des jets de liquide incidents et une agitation. Il en résulte une hydrodynamique améliorée et un meilleur mouvement du mélange liquide/solide. La cavitation ultrasonore réduit l’épaisseur effective de la couche de diffusion au niveau d’une électrode. Une couche de diffusion réduite signifie que la sonication minimise la différence de concentration, c’est-à-dire que la convergence entre la concentration au voisinage d’une électrode et la valeur de concentration dans la masse de la solution est favorisée par les ultrasons. L’influence de l’agitation ultrasonore sur les gradients de concentration pendant la réaction assure l’alimentation permanente de l’électrode en solution fraîche et l’évacuation du matériau ayant réagi. Cela signifie que la sonication a amélioré la cinétique globale, en accélérant la vitesse de réaction et en augmentant le rendement de la réaction.
Par l’introduction d’énergie ultrasonore dans le système ainsi que par la formation sonochimique de radicaux libres, une réaction électrochimique qui aurait autrement été électro-inactive peut être initiée. Un autre effet important des vibrations et du courant acoustiques est l’effet de nettoyage sur les surfaces des électrodes. Les couches de passivation et l’encrassement des électrodes limitent l’efficacité et la vitesse des réactions électrochimiques. L’ultrasonication maintient les électrodes en permanence propres et pleinement actives pour la réaction. L’ultrasonication est bien connue pour ses effets de dégazage, qui sont également bénéfiques dans les réactions électrochimiques. En éliminant les gaz indésirables du liquide, la réaction peut se dérouler plus efficacement.

Applications de la sonoélectrochimie

La sonoélectrochimie peut être appliquée à divers procédés et dans différents secteurs industriels. Parmi les applications très courantes de la sonoélectrochimie figurent les suivantes :

• Synthèse de nanoparticules (électrosynthèse)
• Synthèse d’hydrogène
• Électrocoagulation
• Traitement des eaux usées
• Rupture d’émulsions
• Galvanoplastie / Électrodéposition
• Chauffage ohmique

Synthèse sono-électrochimique de nanoparticules

L’ultrasonication a été appliquée avec succès pour synthétiser diverses nanoparticules dans un système électrochimique. De la magnétite, des nanotubes de cadmium-sélénium (CdSe), des nanoparticules (NP) de platine, des NP d’or, du magnésium métallique, du bismuthène, du nano-argent, du cuivre ultrafin, des nanoparticules d’alliage tungstène–cobalt (W–Co), un nanocomposite oxyde de samarium/oxyde de graphène réduit, des nanoparticules de cuivre de moins de 1nm coiffées de poly(acide acrylique) et de nombreuses autres poudres nanométriques ont été produits avec succès par sonoélectrochimie.
Parmi les avantages de la synthèse sonoélectrochimique de nanoparticules figurent

• le fait d’éviter les agents réducteurs et les tensioactifs
• l’utilisation de l’eau comme solvant
• l’ajustement de la taille des nanoparticules en faisant varier les paramètres (puissance ultrasonore, densité de courant, potentiel de dépôt et durées d’impulsion ultrasonore vs électrochimique)

Ashasssi-Sorkhabi et Bagheri (2014) ont synthétisé des films de polypyrrole par voie sonoélectrochimique et ont comparé les résultats à des films de polypyrrole synthétisés par voie électrochimique. Les résultats montrent que le sonoélectrodépôt galvanostatique a produit un film de polypyrrole (PPy) lisse et fortement adhérent sur de l’acier, avec une densité de courant de 4 mA cm–2 dans une solution d’acide oxalique 0,1 M/pyrrole 0,1 M. Grâce à la polymérisation sonoélectrochimique, ils ont obtenu des films de PPy tenaces et à haute résistance, à surface lisse. Il a été démontré que les revêtements de PPy préparés par sonoélectrochimie assurent une protection substantielle contre la corrosion de l’acier St-12. Le revêtement synthétisé était uniforme et présentait une résistance élevée à la corrosion. Tous ces résultats peuvent être attribués au fait que les ultrasons ont amélioré le transfert de masse des réactifs et entraîné des vitesses de réaction chimique élevées par cavitation acoustique et par les températures et pressions élevées qui en résultent. La validité des données d’impédance pour l’interface acier St-12/deux revêtements de PPy/milieu corrosif a été vérifiée à l’aide des transformées KK, et de faibles erreurs moyennes ont été observées.

Hass et Gedanken (2008) ont rapporté la synthèse sono-électrochimique réussie de nanoparticules de magnésium métallique. Les efficacités du procédé sonoélectrochimique du réactif de Gringard dans le tétrahydrofurane (THF) ou dans une solution de dibutyldiglyme étaient respectivement de 41,35% et 33,08%. L’ajout d’AlCl3 à la solution de Gringard a augmenté considérablement l’efficacité, la portant respectivement à 82,70% et 51,69% dans le THF ou le dibutyldiglyme.

Production sono-électrochimique d’hydrogène

L’électrolyse assistée par ultrasons augmente considérablement le rendement en hydrogène à partir de l’eau ou de solutions alcalines. Cliquez ici pour en savoir plus sur la synthèse électrolytique d’hydrogène accélérée par ultrasons !

Électrocoagulation assistée par ultrasons

L’application d’ultrasons basse fréquence aux systèmes d’électrocoagulation est connue sous le nom de sono-électrocoagulation. Des études montrent que la sonication influence positivement l’électrocoagulation, ce qui se traduit par exemple par une efficacité d’élimination plus élevée des hydroxydes de fer des eaux usées. L’impact positif des ultrasons sur l’électrocoagulation s’explique par la réduction de la passivation des électrodes. Les ultrasons basse fréquence et haute intensité détruisent la couche solide déposée et l’éliminent efficacement, maintenant ainsi les électrodes pleinement actives en continu. De plus, les ultrasons activent les deux types d’ions, c’est-à-dire les cations et les anions, présents dans la zone de réaction des électrodes. L’agitation ultrasonore entraîne un micromouvement important de la solution, qui apporte la matière première aux électrodes et en évacue le produit.
Parmi les exemples de procédés de sono-électrocoagulation réussis figurent la réduction du Cr(VI) en Cr(III) dans les eaux usées pharmaceutiques, l’élimination du phosphore total des effluents de l’industrie de la chimie fine avec une efficacité d’élimination du phosphore de 99,5% en 10 min., l’élimination de la couleur et de la DCO des effluents de l’industrie des pâtes et papiers, etc. Les efficacités d’élimination rapportées pour la couleur, la DCO, le Cr(VI), le Cu(II) et le P étaient respectivement de 100%, 95%, 100%, 97,3% et 99,84%. (cf. Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

Dégradation sono-électrochimique des polluants

Les réactions électrochimiques d’oxydation et/ou de réduction assistées par ultrasons sont appliquées comme méthode puissante pour dégrader les polluants chimiques. Des mécanismes sonomécaniques et sonochimiques favorisent la dégradation électrochimique des polluants. La cavitation générée par ultrasons entraîne une agitation intense, un micro-mélange, un transfert de masse et l’élimination des couches de passivation des électrodes. Ces effets de cavitation se traduisent principalement par une amélioration du transfert de masse solide-liquide entre les électrodes et la solution. Les effets sonochimiques agissent directement sur les molécules. Le clivage homolytique des molécules crée des oxydants hautement réactifs. En milieu aqueux et en présence d’oxygène, des radicaux tels que HO•, HO2• et O• sont produits. Les radicaux •OH sont connus pour jouer un rôle important dans la décomposition efficace des matières organiques. Dans l’ensemble, la dégradation sono-électrochimique présente une efficacité élevée et convient au traitement de grands volumes de flux d’eaux usées et d’autres liquides pollués.
Par exemple, Lllanos et al. (2016) ont constaté que des effets synergiques significatifs étaient obtenus pour la désinfection de l’eau lorsque le système électrochimique était intensifié par sonication (désinfection sono-électrochimique). Cette augmentation de la vitesse de désinfection s’est avérée liée à la suppression des agglomérats de cellules d’E. coli ainsi qu’à une production accrue d’espèces désinfectantes. Esclapez et al. (2010) ont montré qu’un réacteur sonoélectrochimique spécialement conçu (mais non optimisé) a été utilisé lors de la mise à l’échelle de la dégradation de l’acide trichloroacétique (TCAA) ; la présence d’un champ ultrasonore généré avec l’UIP1000hd a fourni de meilleurs résultats (conversion fractionnelle 97%, efficacité de dégradation 26%, sélectivité 0,92 et rendement en courant 8%) à des intensités ultrasonores et un débit volumique plus faibles. Compte tenu du fait que le réacteur sonoélectrochimique pré-pilote n’était pas encore optimisé, il est très probable que ces résultats puissent encore être améliorés.

Voltampérométrie et électrodéposition par ultrasons

L’électrodéposition a été réalisée en mode galvanostatique à une densité de courant de 15 mA/cm2. Les solutions ont été soumises à une ultrasonication pendant 5–60 minutes avant l’électrodéposition. Un ultrasonicateur Hielscher UP200S de type sonde a été utilisé avec un temps de cycle de 0,5. L’ultrasonication a été réalisée en plongeant directement la sonde à ultrasons dans la solution. Pour évaluer l’impact des ultrasons sur la solution avant l’électrodéposition, la voltampérométrie cyclique (CV) a été utilisée afin de révéler le comportement de la solution, ce qui permet de prédire les conditions idéales pour l’électrodéposition. On observe que lorsque la solution est soumise à une ultrasonication avant l’électrodéposition, le dépôt commence à des valeurs de potentiel moins négatives. Cela signifie qu’à courant égal dans la solution, un potentiel plus faible est nécessaire, car les espèces présentes dans la solution se comportent de manière plus active que dans les solutions non soumises aux ultrasons. (cf. Yurdal & Karahan 2017)
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Sondes électrochimiques et SonoElectroReactors haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre partenaire expérimenté de longue date pour les systèmes à ultrasons haute performance. Nous fabriquons et distribuons des sondes et des réacteurs à ultrasons de pointe, utilisés dans le monde entier pour des applications intensives dans des environnements exigeants. Pour la sonoélectrochimie, Hielscher a développé des sondes à ultrasons spéciales, qui peuvent faire office de cathode et/ou d’anode, ainsi que des cellules de réacteur à ultrasons adaptées aux réactions électrochimiques. Les électrodes et cellules à ultrasons sont disponibles pour les systèmes galvaniques / voltaïques ainsi que pour les systèmes électrolytiques.

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les processeurs à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des outils de travail fiables en R&D et en production. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé déterminants qui influencent l’efficacité et l’efficience des réactions induites par voie sonochimique et sonomécanique. Tous les processeurs Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l’amplitude. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées et délivrer l’intensité ultrasonore requise pour les applications sono-électrochimiques exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7.
Le réglage précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé ultrasonore via un logiciel intelligent vous permettent d’influencer précisément la réaction sonoélectrochimique. Lors de chaque cycle de sonication, tous les paramètres ultrasonores sont automatiquement enregistrés sur une carte SD intégrée, de sorte que chaque cycle puisse être évalué et contrôlé. Une sonication optimale pour des réactions sonoélectrochimiques des plus efficaces !
Tous les équipements sont conçus pour une utilisation 24/7/365 à pleine charge, et leur robustesse et leur fiabilité en font le cheval de bataille de votre procédé électrochimique. Cela fait de l’équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de votre procédé sonoélectrochimique.

Qualité supérieure – conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par une famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et minutieusement testés dans notre siège à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons de Hielscher en font un cheval de bataille dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des sondes et réacteurs à ultrasons haute performance de Hielscher.

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