Sonochimie et réacteurs sonochimiques

La sonochimie est le domaine de la chimie où les ultrasons de haute intensité sont utilisés pour induire, accélérer et modifier les 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 (20 kHz, par exemple). Le phénomène responsable des réactions sonochimiques est la cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonique se produit lorsque de puissantes ondes ultrasoniques sont couplées dans un liquide ou une boue. En raison des cycles alternés haute pression / basse pression provoqués par les ondes ultrasonores de puissance dans le liquide, des bulles de vide (vides de cavitation) sont générées, qui croissent sur plusieurs cycles de pression. Lorsque la bulle de vide cavitationnelle atteint une certaine taille où elle ne peut plus absorber d'énergie, la bulle de vide implose violemment et crée un point chaud à forte densité énergétique. Ce point chaud, qui se produit localement, est caractérisé par des températures et des pressions très élevées, ainsi que par des micro-projections de jets liquides extrêmement rapides.

Cavitation acoustique et effets de l'ultrasonication de haute intensité

La cavitation acoustique, souvent appelée aussi cavitation ultrasonique, peut être distinguée en deux formes, la cavitation stable et la cavitation transitoire. Lors d'une cavitation stable, la bulle de cavitation oscille de nombreuses fois autour de son rayon d'équilibre, tandis que lors d'une 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 la cavitation transitoire peuvent 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 pouvant atteindre plusieurs milliers de bars et des courants liquides dont la vitesse peut atteindre 1 000 m/s. Comme l'effondrement/implosion des bulles de cavitation se produit en moins d'une nanoseconde, des vitesses de chauffage et de refroidissement très élevées, supérieures à 10¹¹ K/s peuvent être observés. Des taux de chauffage et des différentiels de pression aussi élevés peuvent déclencher et accélérer les réactions. En ce qui concerne les flux de liquide, ces micro-jets à grande vitesse présentent des avantages particulièrement importants pour les boues solides-liquides hétérogènes. 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. Par conséquent, on observe une amélioration significative du transfert de masse dans la solution.

La cavitation ultrasonique est plus efficacement générée dans les liquides et les solvants à faible pression de vapeur. Les milieux à faible pression de vapeur sont donc favorables aux applications sonochimiques.
Grâce à la cavitation ultrasonique, les forces intenses créées peuvent inverser les voies de réaction vers des voies plus efficaces, de sorte que des conversions plus complètes et/ou la production de sous-produits indésirables sont évitées.
L'espace dense en énergie créé par l'effondrement des bulles de cavitation est appelé point chaud. Les ultrasons de basse fréquence et de 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 avérés fiables, efficaces et respectueux de l'environnement à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie. Les réactions sonochimiques peuvent être réalisées par lots (c'est-à-dire en cuve ouverte) ou en ligne à l'aide d'un réacteur à cellules fermées.

Sono-Synthèse

La sono-synthèse ou synthèse sonochimique est l'application d'une cavitation générée par ultrasons afin d'initier et de promouvoir des réactions chimiques. Les ultrasons de haute puissance (par exemple, à 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 exemples de nanomatériaux produits par sono-synthèse sont les nanoparticules (NPs) (par exemple, NPs d'or, NPs d'argent), les pigments, les nanoparticules core-shell, nano-hydroxyapatite, les cadres organiques métalliques (MOF)les principes pharmaceutiques actifs (API), les nanoparticules décorées de microsphères, les nanocomposites et bien d'autres matériaux encore.
Exemples: Transestérification par ultrasons d'esters méthyliques d'acides gras (biodiesel) ou la transestérification des polyols à l'aide d'ultrasons.

Image TEM (A) et sa distribution granulométrique (B) de nanoparticules d'argent (Ag-NPs), qui ont été synthétisées par sonochimie dans des conditions optimales.

La cristallisation favorisée par les ultrasons (sono-cristallisation) est également largement appliquée. Les ultrasons puissants sont utilisés pour produire des solutions sursaturées, pour initier la cristallisation/précipitation et pour contrôler la taille et la morphologie des cristaux via les paramètres du processus ultrasonique. Cliquez ici pour en savoir plus sur la sono-cristallisation !

Sono-Catalyse

La sonication 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, des rendements et des sélectivités chimiques.
Il existe de nombreux procédés catalytiques qui bénéficient considérablement de l'application des ultrasons et de leurs effets sonochimiques. Toute réaction de catalyse par transfert de phase hétérogène (PTC) impliquant deux ou plusieurs liquides non miscibles ou une composition liquide-solide, bénéficie de la sonication, de l'énergie sonochimique et du transfert de masse amélioré.
Par exemple, l'analyse comparative de l'oxydation catalytique silencieuse et assistée par ultrasons du peroxyde humide 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 a été trouvé à 13 kJ mol^-1qui était quatre fois plus faible que le 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 microniques et nanostructurés tels que des métaux, des alliages, des composés métalliques, des matériaux non métalliques et des composites inorganiques. Des exemples courants de CTP assistée par ultrasons sont 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.
En savoir plus sur la sono-catalyse et ses applications spécifiques !

Autres applications sonochimiques

En raison de leur utilisation polyvalente, de leur fiabilité et de leur simplicité de fonctionnement, les systèmes sonochimiques tels que le UP400St ou UIP2000hdT sont appréciés en tant qu'équipements efficaces pour les réactions chimiques. Les appareils de sonochimie Hielscher Ultrasons peuvent être facilement utilisés pour la sonication par lot (bécher ouvert) et en ligne continue à l'aide d'une cellule à flux 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.

Équipement sonochimique de haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre fournisseur principal d'ultrasons innovants et de pointe, de cellules à flux 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 et une robustesse exceptionnelle, ainsi qu'un fonctionnement 24/7/365 pour une exploitation hautement efficace, les ultrasons Hielscher sont faciles à utiliser et fiables. Une efficacité élevée, un logiciel intelligent, un menu intuitif, un enregistrement automatique des données et un contrôle à distance par navigateur ne sont que quelques caractéristiques qui distinguent Hielscher Ultrasons 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 de cavitation requise dépend fortement du type de réaction, des réactifs chimiques utilisés et des résultats visés par 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 ultrasons Hielscher peuvent être réglés de manière fiable et précise sur l'amplitude idéale grâce à une commande numérique intelligente. Des cornes d'amplification peuvent être utilisées en complément pour diminuer ou augmenter mécaniquement l'amplitude. Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200 µm peuvent facilement être exploitées en continu, 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

Contrôle précis de la température pendant les réactions sonochimiques

Dans le point chaud de la cavitation, on peut observer des températures extrêmement élevées, de plusieurs milliers de degrés Celsius. Cependant, ces températures extrêmes sont limitées localement à l'intérieur et à l'environnement minuscules de la bulle de cavitation en implosion. Dans la solution en vrac, l'augmentation de température due à l'implosion d'une ou de quelques bulles de cavitation est négligeable. Mais une sonication intense et continue pendant de longues périodes peut provoquer 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 différentes réactions chimiques ont des températures de réaction optimales différentes. 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 procédés sonochimiques, Hielscher Ultrasons propose diverses solutions sophistiquées pour un contrôle précis de la température pendant les procédés sonochimiques, comme des réacteurs sonochimiques et des cellules à écoulement équipés de chemises de refroidissement.
Nos cellules d'écoulement et réacteurs sonochimiques sont disponibles avec des enveloppes de refroidissement, qui favorisent 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 émettre des ultrasons. 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 révisées facilement pour le contrôle du processus.
La température est un paramètre crucial des processus sonochimiques. La technologie élaborée par Hielscher vous aide à maintenir la température de votre application sonochimique dans la plage de température idéale.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: