Réactions et synthèse sonochimiques
La sonochimie est l’application des ultrasons aux réactions et aux procédés chimiques. Le mécanisme à l’origine des effets sonochimiques dans les liquides est le phénomène de cavitation acoustique.
Les appareils à ultrasons Hielscher de laboratoire et industriels sont utilisés dans un large éventail de procédés sonochimiques. La cavitation ultrasonore intensifie et accélère les réactions chimiques telles que la synthèse et la catalyse.
Réactions sonochimiques
Les effets sonochimiques suivants peuvent être observés dans les réactions et les procédés chimiques :
- augmentation de la vitesse de réaction
- augmentation de la production de la réaction
- utilisation plus efficace de l’énergie
- méthodes sonochimiques permettant de modifier la voie réactionnelle
- amélioration des performances des catalyseurs de transfert de phase
- suppression du recours aux catalyseurs de transfert de phase
- utilisation de réactifs bruts ou de qualité technique
- 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
7 homogénéisateurs à ultrasons du modèle UIP1000hdT (7x 1kW de puissance ultrasonore) installés en groupe pour des réactions sonochimiques à l’échelle industrielle.
Avantages des réactions chimiques intensifiées par ultrasons
Les réactions chimiques favorisées par ultrasons constituent une technique éprouvée d’intensification des procédés dans le domaine de la synthèse et du traitement chimiques. En exploitant la puissance des ondes ultrasonores, ces réactions offrent de nombreux avantages par rapport aux méthodes conventionnelles, améliorant ainsi la catalyse et la synthèse chimiques. Des vitesses de conversion extrêmement élevées, d’excellents rendements, une sélectivité accrue, une meilleure efficacité énergétique et un impact environnemental réduit sont les principaux avantages des réactions sonochimiques.
Le tableau ci-dessous présente quelques avantages majeurs des réactions favorisées par ultrasons par rapport aux réactions chimiques conventionnelles :
| Réaction | Temps de réaction Méthode conventionnelle |
Temps de réaction Ultrasons |
Rendement Méthode conventionnelle (%) |
Rendement Ultrasons (%) |
|---|---|---|---|---|
| Cyclisation de Diels-Alder | 35 h | 3,5 h | 77,9 | 97,3 |
| Oxydation de l’indane en indane-1-one | 3 h | 3 h | moins de 27% | 73% |
| Réduction du méthoxyaminosilane | aucune réaction | 3 h | 0% | 100% |
| Époxydation d’esters gras insaturés à longue chaîne | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxydation d’aryl alcanes | 4 h | 4 h | 12% | 80% |
| Addition de Michael de nitroalcanes sur des esters α,β-insaturés monosubstitués | 2 jours | 2 h | 85% | 90% |
| Oxydation du 2-octanol par le permanganate | 5 h | 5 h | 3% | 93% |
| Synthèse de chalcones par condensation de Claisen-Schmidt | 60 min | 10 min | 5% | 76% |
| Couplage d’Ullmann du 2-iodonitrobenzène | 2 h | 2h | moins de 1,5% | 70,4% |
| Réaction de Reformatsky | 12h | 30 min | 50% | 98% |
Cavitation ultrasonore dans les liquides
La cavitation correspond à la formation, à la croissance et à l’effondrement implosif de bulles dans un liquide. L’effondrement cavitationnel produit un échauffement local intense (~5000 K), des pressions élevées (~1000 atm), des vitesses de chauffage et de refroidissement considérables (>10⁹ K/sec) ainsi que des jets de liquide (~400 km/h). (Suslick 1998)
Cavitation à l’aide du UIP1000hd:
Les bulles de cavitation sont des bulles de vide. Le vide est créé par une surface se déplaçant rapidement 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’adhésion au sein du liquide.
La cavitation peut être produite de différentes manières, notamment au moyen de buses Venturi, de buses à haute pression, d’une rotation à grande vitesse ou de transducteurs ultrasonores. Dans tous ces systèmes, l’énergie fournie est transformée en frottement, en turbulences, en ondes et en cavitation. La fraction de l’énergie fournie qui est 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 influençant la transformation efficace de l’énergie en cavitation. Une accélération plus élevée crée des différences de pression plus importantes. Cela augmente à son tour la probabilité de formation de bulles de vide plutôt que d’ondes se propageant dans le liquide. Ainsi, plus l’accélération est élevée, plus la fraction de l’énergie transformée en cavitation est importante. Dans le cas d’un transducteur ultrasonore, l’intensité de l’accélération est décrite par l’amplitude d’oscillation.
Des amplitudes plus élevées permettent une création plus efficace de cavitation. Les appareils industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent produire des amplitudes allant jusqu’à 115 µm. Ces amplitudes élevées permettent un taux élevé de transmission de puissance, ce qui permet à son tour de créer des densités de puissance élevées allant jusqu’à 100 W/cm³.
Outre l’intensité, le liquide doit être accéléré de manière à minimiser les pertes dues aux turbulences, au frottement et à la génération d’ondes. Pour cela, la solution optimale est un mouvement dans une seule direction.
Réacteur à ultrasons de 16 000 watts pour la transestérification en ligne améliorée par sonochimie.
- préparation de métaux activés par réduction de sels métalliques
- production de métaux activés par sonication
- synthèse sonochimique de particules par précipitation d’oxydes métalliques (Fe, Cr, Mn, Co), par exemple pour une utilisation comme catalyseurs
- imprégnation de supports avec des métaux ou des halogénures métalliques
- préparation de solutions de métaux activés
- réactions impliquant des métaux par l’intermédiaire d’espèces organoélémentaires générées in situ
- réactions impliquant des solides non métalliques
- cristallisation et précipitation de métaux, d’alliages, de zéolithes et d’autres solides
- modification de la morphologie de surface et de la taille des particules par des collisions interparticulaires à grande vitesse
- formation de matériaux nanostructurés amorphes, notamment des métaux de transition à grande surface spécifique, des alliages, des carbures, des oxydes et des colloïdes
- agglomération de cristaux
- lissage et élimination de la couche d’oxyde passivante
- micromanipulation (fractionnement) de petites particules
- dispersion de solides
- préparation de colloïdes (Ag, Au, CdS de taille quantique)
- intercalation de molécules invitées dans des solides hôtes inorganiques lamellaires
- sonochimie des polymères
- dégradation et modification des polymères
- synthèse de polymères
- sonolyse de polluants organiques dans l’eau
Équipements sonochimiques
La plupart des procédés sonochimiques mentionnés peuvent être adaptés pour fonctionner en ligne. Nous serons heureux de vous aider à choisir l’équipement sonochimique répondant à vos besoins de traitement. Pour la recherche et les essais de procédés, nous recommandons nos appareils de laboratoire ou le kit UIP1000hdT.
Si nécessaire, des appareils et des réacteurs à ultrasons certifiés FM et ATEX (par exemple UIP1000-Exd) sont disponibles pour la sonication de produits chimiques inflammables et de formulations de produits dans des environnements dangereux.
La cavitation ultrasonore modifie les réactions d’ouverture de cycle
La sonication constitue un mécanisme alternatif à la chaleur, à la pression, à la lumière ou à l’électricité pour déclencher des réactions chimiques. Jeffrey S. Moore, Charles R. Hickenboth et leur équipe de la faculté de chimie de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont utilisé la puissance ultrasonore pour déclencher et manipuler des réactions d’ouverture de cycle. Sous sonication, les réactions chimiques ont généré des produits différents de ceux prédits par les règles de symétrie orbitale (Nature 2007, 446, 423). Le groupe a relié des isomères de benzocyclobutène 1,2-disubstitués sensibles aux contraintes mécaniques à deux chaînes de polyéthylène glycol, a appliqué de l’énergie ultrasonore et a analysé les solutions dans leur ensemble en utilisant le C13 en spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Les spectres ont montré que les isomères cis et trans donnent le même produit d’ouverture de cycle, celui attendu à partir de l’isomère trans. Alors que l’énergie thermique provoque un mouvement brownien aléatoire des réactifs, l’énergie mécanique de la sonication donne une direction aux mouvements atomiques. Les effets cavitationnels orientent donc efficacement l’énergie en soumettant la molécule à une contrainte, remodelant ainsi la surface d’énergie potentielle.
Les appareils à ultrasons à sonde tels que le UP400St intensifient la synthèse de nanoparticules. La voie sonochimique est simple, efficace et rapide ; elle utilise des produits chimiques non toxiques dans des conditions douces.
Appareils à ultrasons haute performance pour la sonochimie
Hielscher Ultrasonics fournit des processeurs à ultrasons pour le laboratoire et l’industrie. Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont des machines très puissantes et robustes, conçues pour un fonctionnement continu 24/7 à pleine charge. La commande numérique, les réglages programmables, la surveillance de la température, l’enregistrement automatique des données et la commande à distance par navigateur ne sont que quelques-unes des fonctionnalités des appareils à ultrasons Hielscher. Conçus pour offrir des performances élevées et une utilisation confortable, les équipements Hielscher Ultrasonics sont appréciés des utilisateurs pour leur manipulation sûre et facile. Les processeurs à ultrasons industriels Hielscher délivrent des amplitudes allant jusqu’à 200µm et sont idéaux pour les applications exigeantes. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| non applicable | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| non applicable | plus élevé | groupe de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d’émulsification et d’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
Bibliographie / Références
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- 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.
- Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis (2019): Chapter 4 ENERGY – PI Approaches in Thermodynamic Domain. in: The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Published 2019 by Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.(page 136)
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance allant de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.