Sonochimie et réacteurs sonochimiques
La sonochimie est le domaine de la chimie dans lequel des ultrasons de haute intensité sont utilisés pour induire, accélérer et modifier des réactions chimiques (synthèse, catalyse, dégradation, polymérisation, hydrolyse, etc.) La cavitation générée par les ultrasons se caractérise par des conditions uniques de densité énergétique, qui favorisent et intensifient les réactions chimiques. Des taux de réaction plus rapides, des rendements plus élevés et l'utilisation de réactifs verts et plus doux font de la sonochimie un outil très avantageux pour obtenir des réactions chimiques améliorées.
sonochimie
La sonochimie est le domaine de recherche et de traitement dans lequel les molécules subissent une réaction chimique en raison de l'application d'ultrasons de haute intensité (par exemple, 20 kHz). Le phénomène responsable des réactions sonochimiques est la cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonique se produit lorsque de puissantes ondes ultrasoniques sont couplées à un liquide ou à une boue. L'alternance des cycles haute et basse pression provoquée par les ondes ultrasonores puissantes dans le liquide génère des bulles de vide (cavitation) qui se développent sur plusieurs cycles de pression. Lorsque la bulle de vide cavitationnelle atteint une taille telle qu'elle ne peut plus absorber d'énergie, elle implose violemment et crée un point chaud très dense en énergie. Ce point chaud local se caractérise par des températures et des pressions très élevées, ainsi que par des micro-écoulements de jets liquides extrêmement rapides.
Le réacteur discontinu fermé en acier inoxydable est équipé d'un système de contrôle de la qualité. ultrasonateur UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Cavitation acoustique et effets de l'ultrasonication à haute intensité
La cavitation acoustique, souvent également appelée cavitation ultrasonique, peut être distinguée en deux formes : la cavitation stable et la cavitation transitoire. Au cours de la cavitation stable, la bulle de cavitation oscille de nombreuses fois autour de son rayon d'équilibre, tandis qu'au cours de la cavitation transitoire, une bulle de courte durée subit des changements de volume spectaculaires en quelques cycles acoustiques et se termine par un effondrement violent (Suslick 1988). La cavitation stable et transitoire peut se produire simultanément dans la solution et une bulle subissant une cavitation stable peut devenir une cavité transitoire. L'implosion de la bulle, qui est caractéristique de la cavitation transitoire et de la sonication à haute intensité, crée diverses conditions physiques, notamment des températures très élevées de 5 000 à 25 000 K, des pressions allant jusqu'à plusieurs milliers de bars et des courants liquides dont la vitesse peut atteindre 1 000 m/s. Étant donné que l'effondrement/implosion des bulles de cavitation se produit en moins d'une nanoseconde, des taux de chauffage et de refroidissement très élevés, supérieurs à 1011 K/s peuvent être observés. Des taux de chauffage et des différentiels de pression aussi élevés peuvent déclencher et accélérer des réactions. En ce qui concerne les flux de liquides, ces microjets à grande vitesse présentent des avantages particulièrement importants lorsqu'il s'agit de boues hétérogènes solide-liquide. Les jets de liquide frappent la surface avec toute la température et la pression de la bulle qui s'effondre et provoquent une érosion par collision interparticulaire ainsi qu'une fusion localisée. En conséquence, on observe une amélioration significative du transfert de masse dans la solution.
La cavitation ultrasonique est plus efficace dans les liquides et les solvants à faible pression de vapeur. Par conséquent, les milieux à faible pression de vapeur sont propices aux applications sonochimiques.
Grâce à la cavitation ultrasonique, les forces intenses créées peuvent faire basculer les voies de réaction vers des voies plus efficaces, ce qui permet d'éviter des conversions plus complètes et/ou la production de sous-produits indésirables.
L'espace énergétiquement dense créé par l'effondrement des bulles de cavitation est appelé point chaud. Les ultrasons à basse fréquence et à haute puissance de l'ordre de 20 kHz et la capacité de créer des amplitudes élevées sont bien établis pour la génération de points chauds intenses et les conditions sonochimiques favorables.
Les équipements de laboratoire à ultrasons ainsi que les réacteurs industriels à ultrasons pour les procédés sonochimiques commerciaux sont facilement disponibles et se sont révélés fiables, efficaces et respectueux de l'environnement à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'ensemble de l'industrie. Les réactions sonochimiques peuvent être effectuées par lots (c'est-à-dire dans un récipient ouvert) ou en ligne à l'aide d'un réacteur à cellules fermées.
sono-synthèse
La sono-synthèse ou synthèse sonochimique est l'application de la cavitation générée par les ultrasons afin d'initier et de promouvoir des réactions chimiques. Les ultrasons de forte puissance (par exemple, 20 kHz) ont des effets importants sur les molécules et les liaisons chimiques. Par exemple, les effets sonochimiques résultant d'une sonication intense peuvent entraîner la division de molécules, la création de radicaux libres et/ou la commutation de voies chimiques. La synthèse sonochimique est donc intensément utilisée pour la fabrication ou la modification d'une large gamme de matériaux nanostructurés. Les nanomatériaux produits par sono-synthèse sont par exemple des nanoparticules (NPs) (par exemple, NPs d'or, NPs d'argent), des pigments, des nanoparticules core-shell, nano-hydroxyapatite, les cadres organiques métalliques (MOF)Les nanoparticules, les ingrédients pharmaceutiques actifs (API), les nanoparticules décorées de microsphères, les nanocomposites et bien d'autres matériaux encore.
Exemples : Transestérification ultrasonique des esters méthyliques d'acides gras (biodiesel) ou la transestérification de polyols à l'aide d'ultrasons.
Image TEM (A) et distribution de la taille des particules (B) des nanoparticules d'argent (Ag-NP), qui ont été synthétisées par voie sonochimique dans des conditions optimales.
La cristallisation favorisée par les ultrasons (sono-cristallisation) est également très répandue. Les ultrasons de puissance sont utilisés pour produire des solutions sursaturées, pour initier la cristallisation/précipitation et pour contrôler la taille et la morphologie des cristaux par le biais des paramètres du processus ultrasonique. Cliquez ici pour en savoir plus sur la sono-cristallisation !
Sono-Catalyse
La sonification d'une suspension ou d'une solution chimique peut améliorer considérablement les réactions catalytiques. L'énergie sonochimique réduit le temps de réaction, améliore le transfert de chaleur et de masse, ce qui se traduit par une augmentation des constantes de vitesse chimiques, des rendements et des sélectivités.
Il existe de nombreux processus catalytiques qui bénéficient considérablement de l'application des ultrasons de puissance et de leurs effets sonochimiques. Toute réaction hétérogène de catalyse par transfert de phase (CTP) impliquant deux ou plusieurs liquides non miscibles ou une composition liquide-solide bénéficie de la sonication, de l'énergie sonochimique et de l'amélioration du transfert de masse.
Par exemple, l'analyse comparative de l'oxydation catalytique silencieuse et assistée par ultrasons du phénol dans l'eau a révélé que la sonication réduisait la barrière énergétique de la réaction, mais n'avait pas d'impact sur la voie de réaction. L'énergie d'activation pour l'oxydation du phénol sur RuI3 du catalyseur pendant la sonication était de 13 kJ mol-1qui était quatre fois plus faible par rapport au processus d'oxydation silencieuse (57 kJ mol-1). (Rokhina et al, 2010)
La catalyse sonochimique est utilisée avec succès pour la fabrication de produits chimiques ainsi que pour la fabrication de matériaux inorganiques microstructurés et nanostructurés tels que les métaux, les alliages, les composés métalliques, les matériaux non métalliques et les composites inorganiques. La transestérification d'acides gras libres en ester méthylique (biodiesel), l'hydrolyse, la saponification d'huiles végétales, la réaction sono-Fenton (processus de type Fenton), la dégradation sonocatalytique, etc. sont des exemples courants de CTP assistée par ultrasons.
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Autres applications sonochimiques
En raison de leur utilisation polyvalente, de leur fiabilité et de leur simplicité d'utilisation, les systèmes sonochimiques tels que le UP400St ou UIP2000hdT sont appréciés en tant qu'équipement efficace pour les réactions chimiques. Les appareils sonochimiques de Hielscher Ultrasonics peuvent être facilement utilisés pour la sonication par lots (bécher ouvert) et la sonication continue en ligne à l'aide d'une cellule d'écoulement sonochimique. La sonochimie, y compris la sono-synthèse, la sono-catalyse, la dégradation ou la polymérisation, est largement utilisée en chimie, en nanotechnologie, en science des matériaux, en pharmacie, en microbiologie ainsi que dans d'autres industries.
ultrasons industriels UIP2000hdT (2kW) avec réacteur sonochimique en ligne.
Équipement sonochimique de haute performance
Hielscher Ultrasonics est votre principal fournisseur d'ultrasons innovants et de pointe, de cellules d'écoulement sonochimique, de réacteurs et d'accessoires pour des réactions sonochimiques efficaces et fiables. Tous les ultrasons Hielscher sont exclusivement conçus, fabriqués et testés au siège de Hielscher Ultrasonics à Teltow (près de Berlin), en Allemagne. Outre les normes techniques les plus élevées, une robustesse exceptionnelle et un fonctionnement 24/7/365 pour un fonctionnement hautement efficace, les ultrasons Hielscher sont faciles et fiables à utiliser. Une grande efficacité, un logiciel intelligent, un menu intuitif, un protocole de données automatique et une commande à distance par navigateur ne sont que quelques-unes des caractéristiques qui distinguent Hielscher Ultrasonics des autres fabricants d'équipements sonochimiques.
Amplitudes réglables avec précision
L'amplitude est le déplacement à l'avant (pointe) de la sonotrode (également appelée sonde ou cornet à ultrasons) et constitue le principal facteur d'influence de la cavitation ultrasonique. Des amplitudes plus élevées signifient une cavitation plus intense. L'intensité requise de la cavitation dépend fortement du type de réaction, des réactifs chimiques utilisés et des résultats ciblés de la réaction sonochimique spécifique. Cela signifie que l'amplitude doit être réglable avec précision afin d'ajuster l'intensité de la cavitation acoustique au niveau idéal. Tous les appareils à ultrasons Hielscher peuvent être réglés de manière fiable et précise sur l'amplitude idéale grâce à une commande numérique intelligente. Il est également possible de réduire ou d'augmenter mécaniquement l'amplitude à l'aide de cornes d'amplification. Ultrasons’ Les processeurs industriels à ultrasons peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.
Contrôle précis de la température lors des réactions sonochimiques
Dans le point chaud de la cavitation, des températures extrêmement élevées de plusieurs milliers de degrés Celsius peuvent être observées. Toutefois, ces températures extrêmes sont limitées localement à l'intérieur et à l'environnement de la bulle de cavitation en implosion. Dans la solution en vrac, l'augmentation de température due à l'implosion d'une seule ou de quelques bulles de cavitation est négligeable. Mais une sonication continue et intense pendant de longues périodes peut entraîner une augmentation progressive de la température du liquide en vrac. Cette augmentation de la température contribue à de nombreuses réactions chimiques et est souvent considérée comme bénéfique. Cependant, les températures optimales de réaction varient selon les réactions chimiques. Lorsque des matériaux sensibles à la chaleur sont traités, il peut être nécessaire de contrôler la température. Afin de permettre des conditions thermiques idéales pendant les processus sonochimiques, Hielscher Ultrasonics propose diverses solutions sophistiquées pour un contrôle précis de la température pendant les processus sonochimiques, tels que les réacteurs sonochimiques et les cellules d'écoulement équipées de chemises de refroidissement.
Nos cellules d'écoulement sonochimique et nos réacteurs sont disponibles avec des chemises de refroidissement qui assurent une dissipation efficace de la chaleur. Pour une surveillance continue de la température, les ultrasons Hielscher sont équipés d'un capteur de température enfichable, qui peut être inséré dans le liquide pour une mesure constante de la température globale. Un logiciel sophistiqué permet de définir une plage de température. Lorsque la limite de température est dépassée, l'ultrasoniseur se met automatiquement en pause jusqu'à ce que la température du liquide soit redescendue à un certain point de consigne et recommence automatiquement à sonifier. Toutes les mesures de température ainsi que d'autres données importantes du processus ultrasonique sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée et peuvent être facilement révisées pour le contrôle du processus.
La température est un paramètre crucial des processus sonochimiques. La technologie élaborée de Hielscher vous aide à maintenir la température de votre application sonochimique dans la plage de température idéale.
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- CIP (clean-in-place)
Réacteur sonochimique : La sonication intense et la cavitation qui en résulte déclenchent et intensifient les réactions chimiques et peuvent même changer de voie.
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 |
Contactez nous ! / Demandez-nous !
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.
Exemples de réactions chimiques améliorées par ultrasons par rapport aux réactions conventionnelles
Le tableau ci-dessous donne un aperçu de plusieurs réactions chimiques courantes. Pour chaque type de réaction, le rendement et la vitesse de conversion sont comparés entre la réaction classique et la réaction intensifiée par ultrasons.
| 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 | pas de 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% |
(cf. Andrzej Stankiewicz, Tom Van Gerven, Georgios Stefanidis : The Fundamentals of Process Intensification, First Edition. Publié en 2019 par Wiley)
Littérature / Références
- 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.
- Ekaterina V. Rokhina, Eveliina Repo, Jurate Virkutyte (2010): Comparative kinetic analysis of silent and ultrasound-assisted catalytic wet peroxide oxidation of phenol. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 17, Issue 3, 2010. 541-546.
- Brundavanam, R. K.; Jinag, Z.-T., Chapman, P.; Le, X.-T.; Mondinos, N.; Fawcett, D.; Poinern, G. E. J. (2011): Effect of dilute gelatine on the ultrasonic thermally assisted synthesis of nano hydroxyapatite. Ultrason. Sonochem. 18, 2011. 697-703.
- Poinern, G.E.J.; Brundavanam, R.K.; Thi Le, X.; Fawcett, D. (2012): The Mechanical Properties of a Porous Ceramic Derived from a 30 nm Sized Particle Based Powder of Hydroxyapatite for Potential Hard Tissue Engineering Applications. American Journal of Biomedical Engineering 2/6; 2012. 278-286.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.; Thi Le, X.; Djordjevic, S.; Prokic, M.; Fawcett, D. (2011): Thermal and ultrasonic influence in the formation of nanometer scale hydroxyapatite bio-ceramic. International Journal of Nanomedicine 6; 2011. 2083–2095.
- Poinern, G.J.E.; Brundavanam, R.K.; Mondinos, N.; Jiang, Z.-T. (2009): Synthesis and characterisation of nanohydroxyapatite using an ultrasound assisted method. Ultrasonics Sonochemistry, 16 /4; 2009. 469- 474.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, Vol. 26, 1998. 517-541.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.