sonocatalyse – Catalyse assistée par ultrasons

Les ultrasons affectent la réactivité du catalyseur pendant la catalyse en améliorant le transfert de masse et l'apport d'énergie. En catalyse hétérogène, où le catalyseur se trouve dans une phase différente de celle des réactifs, la dispersion ultrasonique augmente la surface disponible pour les réactifs.

Historique de la sonocatalyse

La catalyse est un processus dans lequel la vitesse d'un processus est réduite. la réaction chimique est accrue (ou diminuée) au moyen d'un catalyseur. La production de nombreux produits chimiques fait appel à la catalyse. L'influence sur la vitesse de réaction dépend de la fréquence de contact des réactifs dans l'étape déterminant la vitesse. En général, les catalyseurs augmentent la vitesse de réaction et réduisent l'énergie d'activation en fournissant une voie de réaction alternative vers le produit de la réaction. Pour ce faire, les catalyseurs réagissent avec un ou plusieurs réactifs pour former des intermédiaires qui donnent ensuite le produit final. Cette dernière étape régénère le catalyseur. Par la réduction de l'énergie d'activationAinsi, plus de collisions moléculaires ont l'énergie nécessaire pour atteindre l'état de transition. Dans certains cas, les catalyseurs sont utilisés pour modifier la sélectivité d'une réaction chimique.

Le diagramme à droite illustre l'effet d'un catalyseur dans une réaction chimique X+Y pour produire Z. Le catalyseur fournit une voie alternative (en vert) avec une énergie d'activation plus faible Ea.

Effets de l'ultrasonication

La longueur d'onde acoustique dans les liquides varie d'environ 110 à 0,15 mm pour des fréquences comprises entre 18 kHz et 10 MHz. Ces longueurs d'onde sont nettement supérieures aux dimensions des molécules. C'est pourquoi il n'y a pas de couplage direct du champ acoustique avec les molécules d'une espèce chimique. Les effets de l'ultrasonication résultent dans une large mesure de l'action du champ acoustique sur les molécules. cavitation ultrasonique dans les liquides. Par conséquent, la catalyse assistée par ultrasons nécessite qu'au moins un réactif soit en phase liquide. L'ultrasonication contribue à la catalyse hétérogène et homogène de différentes manières. Les effets individuels peuvent être favorisés ou réduits en adaptant l'amplitude des ultrasons et la pression du liquide.

Disperser et émulsionner par ultrasons

Les réactions chimiques impliquant des réactifs et un catalyseur de plus d'une phase (catalyse hétérogène) sont limitées à la limite de phase, car c'est le seul endroit où le réactif et le catalyseur sont présents. L'exposition des réactifs et du catalyseur l'un à l'autre est un phénomène de catalyse hétérogène. facteur clé pour de nombreuses réactions chimiques multiphases. C'est pourquoi la surface spécifique de la limite de phase a une influence sur la vitesse de réaction chimique.

L'ultrasonication est un moyen très efficace pour la la dispersion des solides et pour les émulsification des liquides. En réduisant la taille des particules/gouttelettes, la surface totale de la limite de phase augmente en même temps. Le graphique de gauche montre la corrélation entre la taille des particules et la surface dans le cas de particules ou de gouttelettes sphériques (Cliquez pour agrandir !). Plus la surface de la limite de phase augmente, plus le taux de réaction chimique augmente. Pour de nombreux matériaux, la cavitation ultrasonique peut produire des particules et des gouttes de taille très fine – souvent nettement inférieures à 100 nanomètres. Si la dispersion ou l'émulsion devient au moins temporairement stable, l'application de les ultrasons peuvent n'être nécessaires que dans une phase initiale de la réaction chimique. Un réacteur à ultrasons en ligne pour le mélange initial des réactifs et du catalyseur peut générer des particules/gouttelettes de taille fine en très peu de temps et à des débits élevés. Il peut être appliqué même à des milieux très visqueux.

Transfert de masse

Lorsque des réactifs réagissent à une limite de phase, les produits de la réaction chimique s'accumulent à la surface de contact. Cela empêche les autres molécules de réactifs d'interagir à cette limite de phase. Les forces de cisaillement mécaniques causées par les jets de cavitation et les courants acoustiques entraînent un écoulement turbulent et le transport de matériaux depuis et vers les surfaces des particules ou des gouttelettes. Dans le cas des gouttelettes, le cisaillement élevé peut entraîner la coalescence et la formation ultérieure de nouvelles gouttelettes. Au fur et à mesure que la réaction chimique progresse dans le temps, une sonication répétée, par exemple en deux étapes ou en recirculation, peut être nécessaire pour maximiser l'exposition des réactifs.

Apport d'énergie

La cavitation ultrasonique est un moyen unique de mettre de l'énergie dans des réactions chimiques. Une combinaison de jets de liquide à grande vitesse, de jets à haute pression (>1000atm) et des températures élevées (>5000K), d'énormes taux de chauffage et de refroidissement (>10⁹Ks^-1) se concentrent localement lors de la compression implosive des bulles de cavitation. Kenneth Suslick dit : “La cavitation est une méthode extraordinaire de concentration de l'énergie diffuse du son sous une forme chimiquement utilisable.”

Augmentation de la réactivité

Érosion cavitationnelle à la surface des particules génère des surfaces non passivées et hautement réactives. Les températures et pressions élevées de courte durée contribuent à l'augmentation de la température et de la pression. décomposition moléculaire et augmentation de la réactivité de nombreuses espèces chimiques. L'irradiation ultrasonique peut être utilisée dans la préparation des catalyseurs, par exemple pour produire des agrégats de particules de taille fine. On obtient ainsi des catalyseurs amorphes particules à surface spécifique élevée zone. Grâce à cette structure agrégée, ces catalyseurs peuvent être séparés des produits de réaction (par exemple par filtration).

Nettoyage par ultrasons

La catalyse implique souvent des sous-produits indésirables, des contaminations ou des impuretés dans les réactifs. Cela peut entraîner une dégradation et un encrassement de la surface des catalyseurs solides. L'encrassement réduit la surface exposée du catalyseur et donc son efficacité. Il doit être éliminé soit au cours du processus, soit lors des intervalles de recyclage, à l'aide d'autres produits chimiques. L'ultrasonication est un moyen efficace pour nettoyer les catalyseurs ou contribuer au processus de recyclage des catalyseurs. Le nettoyage par ultrasons est probablement l'application la plus courante et la plus connue des ultrasons. L'impact de jets de liquide en cavitation et d'ondes de choc allant jusqu'à 10⁴atm peuvent créer des forces de cisaillement localisées, une érosion et des piqûres de surface. Pour les particules de taille fine, les collisions interparticulaires à grande vitesse entraînent une érosion de la surface, voire des piqûres. le broyage et la mouture. Ces collisions peuvent provoquer des températures d'impact transitoires locales d'environ 3 000 K. Suslick a démontré que l'ultrasonication élimine les couches d'oxyde en surface. L'élimination de ces revêtements passivants améliore considérablement les taux de réaction pour une grande variété de réactions (Suslick 2008). L'application des ultrasons permet de réduire le problème d'encrassement d'un catalyseur solide dispersé pendant la catalyse et contribue au nettoyage pendant le processus de recyclage du catalyseur.

Exemples de catalyse ultrasonique

Il existe de nombreux exemples de catalyse assistée par ultrasons et de préparation par ultrasons de catalyseurs hétérogènes. Nous recommandons l'utilisation des sonocatalyse article de Kenneth Suslick pour une présentation complète. Hielscher fournit des réacteurs à ultrasons pour la préparation de catalyseurs ou la catalyse, tels que le transestérification catalytique pour la production de méthylesters (c'est-à-dire méthylester gras = biodiesel).

Équipement ultrasonique pour la sonocatalyse

Hielscher fabrique des appareils à ultrasons destinés à être utilisés à toute échelle et pour un diversité des processus. Il s'agit notamment de sonication en laboratoire en petits flacons ainsi que réacteurs industriels et cellules d'écoulement. Pour l'essai initial du processus à l'échelle du laboratoire, le UP400S (400 watts) est tout à fait approprié. Il peut être utilisé pour les procédés discontinus ainsi que pour la sonication en ligne. Pour les tests et l'optimisation des processus avant la mise à l'échelle, nous recommandons d'utiliser le logiciel UIP1000hd (1000 watts)Les appareils à ultrasons sont très adaptables et les résultats peuvent être mis à l'échelle de façon linéaire pour une plus grande capacité. Pour la production à grande échelle, nous proposons des appareils à ultrasons d'une capacité allant jusqu'à 10kW et 16kW la puissance des ultrasons. Des grappes de plusieurs unités de ce type permettent d'obtenir des capacités de traitement très élevées.

Nous nous ferons un plaisir de vous aider à tester, optimiser et mettre à l'échelle vos procédés. Parlez-nous sur l'équipement adéquat ou visitez notre laboratoire de procédés.

Littérature sur la sonocatalyse et la catalyse assistée par ultrasons

Suslick, K. S. ; Didenko, Y. ; Fang, M. M. ; Hyeon, T. ; Kolbeck, K. J. ; McNamara, W. B. III ; Mdleleni, M. M. ; Wong, M. (1999) : Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences, in : Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.

Suslick, K. S. ; Skrabalak, S. E. (2008) : “sonocatalyse” In Handbook of Heterogeneous Catalysis, vol. 4 ; Ertl, G. ; Knzinger, H. ; Schth, F. ; Weitkamp, J., Eds ; Wiley-VCH : Weinheim, 2008, pp. 2006-2017.