Hielscher – Technologie Ultrasons

Synthèse et Réaction Sonochimique

La sonochimie est l'application des ultrasons aux réactions et processus chimiques. Le mécanisme à l'origine des effets sonochimiques dans les liquides est le phénomène de cavitation acoustique.

Les appareils de laboratoire à ultrasons et les appareils industriels Hielscher sont utilisés dans une large gamme de procédés sonochimiques.

Réactions sonochimiques

Les effets sonochimiques suivants peuvent être observés dans les réactions et processus chimiques :

  • augmentation de la vitesse de réaction
  • augmentation de la puissance de réaction
  • une utilisation plus efficace de l'énergie
  • procedes sonochimiques de commutation de voie de reaction
  • amélioration des performances des catalyseurs de transfert de phase
  • évitement des catalyseurs de transfert de phase
  • utilisation de réactifs bruts ou techniques
  • activation des métaux et des solides
  • augmentation de la réactivité des réactifs ou des catalyseurs (cliquez ici pour en savoir plus sur la catalyse assistée par ultrasons)
  • amélioration de la synthèse de particules
  • revêtement de nanoparticules

Cavitation ultrasonique dans les liquides

La cavitation, c'est-à-dire la formation, la croissance et l'effondrement implosif des bulles dans un liquide. L'effondrement cavitationnel produit un chauffage local intense (~5000 K), des pressions élevées (~1000 atm) et d'énormes vitesses de chauffage et de refroidissement (>109 K/sec) et de jets liquides (~400 km/h). (Suslick 1998)

Les bulles de cavitation sont des bulles sous vide. Le vide est créé par une surface en mouvement rapide d'un côté et un liquide inerte de l'autre. Les différences de pression qui en résultent permettent de surmonter les forces de cohésion et d'adhérence dans le liquide.

La cavitation peut être produite de différentes manières, telles que les buses Venturi, les buses haute pression, les buses à haute vitesse de rotation ou les transducteurs ultrasoniques. Dans tous ces systèmes, l'énergie d'entrée est transformée en friction, turbulences, vagues et cavitation. La fraction de l'énergie d'entrée transformée en cavitation dépend de plusieurs facteurs décrivant le mouvement de l'équipement générateur de cavitation dans le liquide.

L'intensité de l'accélération est l'un des facteurs les plus importants qui influencent la transformation efficace de l'énergie en cavitation. Une accélération plus élevée crée des différences de pression plus importantes. Cela augmente la probabilité de créer des bulles de vide au lieu de créer des ondes qui se propagent dans le liquide. Ainsi, plus l'accélération est élevée, plus la fraction d'énergie transformée en cavitation est élevée. Dans le cas d'un transducteur à ultrasons, l'intensité de l'accélération est décrite par l'amplitude de l'oscillation.

Des amplitudes plus élevées entraînent une création plus efficace de la cavitation. Les appareils industriels de Hielscher Ultrasons peuvent créer des amplitudes allant jusqu'à 115 µm. Ces amplitudes élevées permettent d'obtenir un rapport de transmission de puissance élevé, ce qui à son tour permet de créer des densités de puissance élevées pouvant atteindre 100 W/cm³.

En plus de l'intensité, le liquide doit être accéléré de manière à créer des pertes minimales en termes de turbulences, de friction et de génération de vagues. Pour cela, la voie optimale est une direction unilatérale du mouvement.

Les ultrasons sont utilisés en raison de leurs effets dans des processus tels que :

  • préparation de métaux activés par réduction de sels métalliques
  • génération de métaux activés par sonication
  • synthèse sonochimique de particules par précipitation d'oxydes métalliques (Fe, Cr, Mn, Co), par exemple pour utilisation comme catalyseurs
  • imprégnation de métaux ou d'halogénures métalliques sur des supports
  • préparation de solutions de métaux activés
  • les réactions impliquant des métaux par l'intermédiaire d'espèces d'organo-éléments générées in situ
  • les réactions impliquant des solides non métalliques
  • cristallisation et précipitation de métaux, alliages, zéolithes et autres solides
  • modification de la morphologie de surface et de la taille des particules par collisions interparticulaires à grande vitesse
    • la formation de matériaux nanostructurés amorphes, y compris les métaux de transition à grande surface spécifique, les alliages, les carbures, les oxydes et les colloïdes
    • agglomération de cristaux
    • le lissage et l'élimination de la couche d'oxyde passivante
    • micromanipulation (fractionnement) de petites particules
  • dispersion de solides
  • préparation de colloïdes (Ag, Au, CdS de taille Q)
  • intercalation de molécules invitées dans des solides en couches inorganiques de l'hôte
  • la sonochimie des polymères
    • dégradation et modification des polymères
    • synthèse de polymères
  • sonolyse des polluants organiques dans l'eau

Équipement sonochimique

La plupart des procédés sonochimiques mentionnés peuvent être adaptés pour fonctionner en ligne. Nous serons heureux de vous aider à choisir l'équipement sonochimique adapté à vos besoins de traitement. Pour la recherche et l'essai des procédés, nous recommandons nos appareils de laboratoire ou le UIP1000hdT set.

Si nécessaire, des appareils à ultrasons et des réacteurs certifiés FM et ATEX (p. ex. UIP1000-Exd) sont disponibles pour la sonication de produits chimiques inflammables et de formulations de produits dans des environnements dangereux.

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La cavitation ultrasonique modifie les réactions d'ouverture de l'anneau.

L'ultrasonisation est un mécanisme alternatif à la chaleur, à la pression, à la lumière ou à l'électricité pour déclencher des réactions chimiques. Jeffrey S. MooreCharles R. Hickenboth, Charles R. Hickenboth, et leur équipe de la Faculté de chimie de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a utilisé la puissance ultrasonique pour déclencher et manipuler les réactions d'ouverture des anneaux. Sous sonication, les réactions chimiques ont généré des produits différents de ceux prévus par les règles de symétrie orbitale (Nature 2007, 446, 423). Le groupe a lié des isomères de benzocyclobutène 1,2-disubstitués mécaniquement sensibles à deux chaînes de polyéthylène glycol, a appliqué de l'énergie ultrasonique et a analysé les solutions en vrac en utilisant du C13 spectroscopie par résonance magnétique nucléaire. Les spectres ont montré que les isomères cis et trans fournissent tous deux le même produit à cycle ouvert, celui attendu de l'isomère trans. Alors que l'énergie thermique provoque un mouvement brownien aléatoire des réactifs, l'énergie mécanique des ultrasons fournit une direction aux mouvements atomiques. Par conséquent, les effets cavitationnels dirigent efficacement l'énergie en sollicitant la molécule et en remodelant la surface énergétique potentielle.

Littérature


Suslick, K.S. (1998) : Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology ; 4th Ed. J. Wiley & Fils : New York, 1998, vol. 26, 517-541.

Suslick, K. S. ; Didenko, Y. ; Fang, M. M. M. ; Hyeon, T. ; Kolbeck, K. J. ; McNamara, W. B. III ; Mdleleni, M. M. ; Wong, M. (1999) : La cavitation acoustique et ses conséquences chimiques, in : Phil. Trans. Roy. Soc. A, 1999, 357, 335-353.