Réactions sonochimiques et synthèse
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 et industriels à ultrasons Hielscher sont utilisés dans une large gamme de processus sonochimiques. La cavitation ultrasonique 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 processus chimiques :
- augmentation de la vitesse de réaction
- augmentation du rendement de la réaction
- une utilisation plus efficace de l'énergie
- méthodes sonochimiques pour la commutation de la voie de réaction
- l'amélioration des performances des catalyseurs à transfert de phase
- éviter les catalyseurs à transfert de phase
- l'utilisation de réactifs bruts ou techniques
- l'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)
- l'amélioration de la synthèse des particules
- revêtement de nanoparticules
7 homogénéisateurs à ultrasons de la Modèle UIP1000hdT (7x 1kW de puissance ultrasonique) installés comme cluster pour les réactions sonochimiques à l'échelle industrielle.
Avantages des réactions chimiques intensifiées par ultrasons
Les réactions chimiques favorisées par les ultrasons sont une technique établie d'intensification des processus 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 taux de conversion ultrarapides, d'excellents rendements, une sélectivité accrue, une meilleure efficacité énergétique et un impact réduit sur l'environnement sont les principaux avantages des réactions sonochimiques.
Le tableau ci-dessous présente les principaux avantages de la réaction favorisée par les ultrasons par rapport aux réactions chimiques conventionnelles :
| réaction | Temps de réaction Conventionnel |
Temps de réaction ultrasons |
rendement Conventionnel (%) |
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% |
| Epoxydation des esters gras insaturés à longue chaîne | 2 h | 15 min | 48% | 92% |
| Oxydation des arylalcanes | 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 minutes | 10 min | 5% | 76% |
| Couplage d'UIllmann du 2-iodonitrobenzène | 2 h | 2H | moins de 1,5 % | 70.4% |
| Réaction de Reformatsky | 12h | 30 minutes | 50% | 98% |
Cavitation ultrasonique dans les liquides
La cavitation, c'est-à-dire la formation, la croissance et l'effondrement implosif de bulles dans un liquide. L'effondrement cavitationnel produit un chauffage local intense (~5000 K), des pressions élevées (~1000 atm) et d'énormes taux de chauffage et de refroidissement (>109 K/sec) et des courants-jets liquides (~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 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'adhésion au sein du liquide.
La cavitation peut être produite de différentes manières, notamment par des buses Venturi, des buses à haute pression, une rotation à grande vitesse ou des transducteurs à ultrasons. Dans tous ces systèmes, l'énergie d'entrée est transformée en friction, turbulences, ondes et cavitation. La fraction de l'énergie d'entrée 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 qui influencent la transformation efficace de l'énergie en cavitation. Une accélération plus forte crée des différences de pression plus importantes. Cela augmente la probabilité de création de bulles de vide au lieu de la création d'ondes se propageant dans le liquide. Ainsi, plus l'accélération est élevée, plus la fraction d'énergie transformée en cavitation est importante. Dans le cas d'un transducteur ultrasonique, l'intensité de l'accélération est décrite par l'amplitude de l'oscillation.
Des amplitudes plus élevées permettent de créer une cavitation plus efficace. Les appareils industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent créer des amplitudes allant jusqu'à 115 µm. Ces amplitudes élevées permettent un rapport de transmission de puissance élevé, 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 créer un minimum de pertes en termes de turbulences, de friction et de génération de vagues. Pour cela, le meilleur moyen est une direction unilatérale du mouvement.
Réacteur à ultrasons de 16 000 watts pour une transestérification en ligne améliorée par sonochimie.
- 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
- réactions impliquant des métaux par l'intermédiaire d'espèces d'organo-éléments générées in situ
- réactions impliquant des solides non métalliques
- cristallisation et précipitation des métaux, alliages, zéolithes et autres solides
- modification de la morphologie de la surface et de la taille des particules par des collisions interparticulaires à grande vitesse
- la formation de matériaux nanostructurés amorphes, y compris des métaux de transition, des alliages, des carbures, des oxydes et des colloïdes à surface élevée
- agglomération de cristaux
- lissage et enlèvement d'une couche d'oxyde passivante
- micromanipulation (fractionnement) de petites particules
- la dispersion des solides
- préparation de colloïdes (Ag, Au, CdS de taille Q)
- Intercalation de molécules invitées dans des solides en couches inorganiques hôtes
- 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 le test des procédés, nous recommandons nos appareils de laboratoire ou le UIP1000hdT set.
Si nécessaire, des appareils et réacteurs à ultrasons certifiés FM et ATEX (par ex. UIP1000-Exd) sont disponibles pour la sonication de produits chimiques inflammables et de formulations de produits dans des environnements dangereux.
La cavitation ultrasonique modifie les réactions d'ouverture des bagues
Les ultrasons sont 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, et leur équipe au sein de l'Institut de recherche sur la santé. Faculté de chimie à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a utilisé la puissance des ultrasons 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 lié des isomères de benzocyclobutène 1,2-disubstitués mécaniquement sensibles à deux chaînes de polyéthylène glycol, a appliqué une énergie ultrasonique et a analysé les solutions en vrac à l'aide de C13 spectroscopie de résonance magnétique nucléaire. Les spectres ont montré que les isomères cis et trans donnent le même produit à anneau ouvert, celui attendu de l'isomère trans. Alors que l'énergie thermique provoque un mouvement brownien aléatoire des réactifs, l'énergie mécanique de l'ultrasonication donne une direction aux mouvements atomiques. Par conséquent, les effets de cavitation dirigent efficacement l'énergie en soumettant la molécule à des contraintes, remodelant ainsi la surface d'énergie potentielle.
Les ultrasons de type sonde comme le UP400St intensifier la synthèse des nanoparticules. La voie sonochimique est simple, efficace, rapide et fonctionne avec des produits chimiques non toxiques dans des conditions douces.
Ultrasons à haute performance pour la sonochimie
Hielscher Ultrasonics fournit des processeurs à ultrasons pour les laboratoires et l'industrie. Tous les appareils à ultrasons Hielscher sont des machines à ultrasons très puissantes et robustes, conçues pour fonctionner en continu 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge. La commande numérique, les réglages programmables, la surveillance de la température, l'enregistrement automatique des données et le contrôle à distance par navigateur ne sont que quelques-unes des caractéristiques des ultrasons Hielscher. Conçus pour des performances élevées et un fonctionnement confortable, les utilisateurs apprécient la sécurité et la facilité d'utilisation des équipements Hielscher Ultrasonics. Les processeurs ultrasoniques industriels Hielscher délivrent des amplitudes allant jusqu'à 200µm et sont idéaux pour les applications lourdes. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Littérature / 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 très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.