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 ultrasons se caractérise par des conditions uniques à haute densité énergétique, qui favorisent et intensifient les réactions chimiques. Des vitesses 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 des molécules subissent une réaction chimique sous l’effet de l’application d’ultrasons de haute intensité (p. ex. 20 kHz). Le phénomène responsable des réactions sonochimiques est la cavitation acoustique. La cavitation acoustique ou ultrasonore se produit lorsque de puissantes ondes ultrasonores sont couplées dans un liquide ou une suspension. En raison des cycles alternés de haute pression / basse pression provoqués dans le liquide par les ondes ultrasonores de puissance, des bulles de vide (vides de cavitation) se forment et grossissent au fil de plusieurs cycles de pression. Lorsque la bulle de vide de cavitation atteint une certaine taille à laquelle elle ne peut plus absorber d’énergie, elle implose violemment et crée un point chaud à très haute densité énergétique. Ce point chaud local se caractérise par des températures et des pressions très élevées ainsi que par un micro-écoulement de jets liquides extrêmement rapides.

Cavitation acoustique et effets de la sonication à haute intensité

La cavitation acoustique, souvent aussi appelée cavitation ultrasonore, se distingue en deux formes : la cavitation stable et la cavitation transitoire. Pendant la cavitation stable, la bulle de cavitation oscille de nombreuses fois autour de son rayon d’équilibre, tandis que pendant la cavitation transitoire, une bulle à courte durée de vie subit des variations de volume spectaculaires en quelques cycles acoustiques et se termine par un effondrement violent (Suslick 1988). Les cavitations stable et transitoire peuvent se produire simultanément dans la solution, et une bulle en cavitation stable peut devenir une cavité transitoire. L’implosion des bulles, caractéristique de la cavitation transitoire et de la sonication à haute intensité, crée diverses conditions physiques, notamment des températures très élevées de 5000–25 000 K, des pressions allant jusqu’à plusieurs 1000 bar et des courants liquides atteignant des vitesses allant jusqu’à 1000m/s. Comme l’effondrement/implosion des bulles de cavitation se produit en moins d’une nanoseconde, on peut observer des vitesses de chauffage et de refroidissement très élevées, supérieures à 10¹¹ K/s. De telles vitesses de chauffage et de tels différentiels de pression peuvent initier et accélérer des réactions. Quant aux courants liquides générés, ces microjets à grande vitesse présentent des avantages particulièrement importants dans le cas de suspensions hétérogènes solide–liquide. Les jets liquides frappent la surface avec la pleine température et la pleine pression de la bulle qui s’effondre et provoquent une érosion par collision interparticulaire ainsi qu’une fusion localisée. Par conséquent, on observe un transfert de masse nettement amélioré dans la solution.

La cavitation ultrasonore est générée le plus efficacement dans les liquides et solvants à faible pression de vapeur. Par conséquent, les milieux à faible pression de vapeur sont favorables aux applications sonochimiques.
Sous l’effet de la cavitation ultrasonore, les forces intenses créées peuvent orienter les réactions vers des voies plus efficaces, de sorte que des conversions plus complètes et/ou la production de sous-produits indésirables sont évitées.
L’espace à haute densité énergétique créé par l’effondrement des bulles de cavitation est appelé point chaud. Les ultrasons basse fréquence et haute puissance dans la gamme de 20kHz, ainsi que la capacité à générer des amplitudes élevées, sont bien établis pour la génération de points chauds intenses et de conditions sonochimiques favorables.

Les équipements de laboratoire à ultrasons ainsi que les réacteurs à ultrasons industriels destinés aux procédés sonochimiques commerciaux sont facilement disponibles et ont fait leurs preuves en termes de fiabilité, d’efficacité et de respect de l’environnement à l’échelle du laboratoire, pilote et pleinement industrielle. Les réactions sonochimiques peuvent être réalisées en mode discontinu (c.-à-d. en récipient ouvert) ou en procédé en ligne à l’aide d’un réacteur à cellule à circulation fermée.

Sono-synthèse

La sono-synthèse ou synthèse sonochimique est l’application de la cavitation générée par ultrasons afin d’initier et de favoriser des réactions chimiques. La sonication à haute puissance (p. ex. à 20 kHz) exerce des effets importants sur les molécules et les liaisons chimiques. Par exemple, les effets sonochimiques résultant d’une sonication intense peuvent entraîner la scission de molécules, la création de radicaux libres et/ou la modification de voies chimiques. La synthèse sonochimique est donc largement utilisée pour la fabrication ou la modification d’un large éventail de matériaux nanostructurés. Parmi les nanomatériaux produits par sono-synthèse figurent les nanoparticules (NP) (p. ex. NP d’or, NP d’argent), les pigments, les nanoparticules cœur-coquille, la nano-hydroxyapatite, les réseaux métallo-organiques (MOF), les principes actifs pharmaceutiques (API), les nanoparticules décorées de microsphères, les nanocomposites, parmi de nombreux autres matériaux.
Exemples : Transestérification par ultrasons d’esters méthyliques d’acides gras (biodiesel) ou la transestérification de polyols par ultrasons.

Image MET (A) et distribution granulométrique correspondante (B) de nanoparticules d’argent (Ag-NP) synthétisées par voie sonochimique dans des conditions optimales.

Également largement appliquée, la cristallisation favorisée par ultrasons (sono-cristallisation), dans laquelle les ultrasons de puissance sont utilisés pour produire des solutions sursaturées, initier la cristallisation / précipitation et contrôler la taille et la morphologie des cristaux via les paramètres du procédé ultrasonore. 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 et améliore le transfert de chaleur et de masse, ce qui se traduit ensuite par des constantes de vitesse chimique, des rendements et des sélectivités accrus.
De nombreux procédés catalytiques bénéficient considérablement de l’application des ultrasons de puissance et de leurs effets sonochimiques. Toute réaction hétérogène de catalyse par transfert de phase (PTC) impliquant deux liquides non miscibles ou plus, 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 du phénol par voie humide au peroxyde dans l’eau, en conditions silencieuses et assistée par ultrasons, a révélé que la sonication réduisait la barrière énergétique de la réaction, mais n’avait aucun impact sur la voie réactionnelle. L’énergie d’activation de l’oxydation du phénol sur le catalyseur RuI₃ pendant la sonication s’est avérée être de 13 kJ mol^-1, soit quatre fois moins que pour le procédé d’oxydation silencieux (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 production de matériaux inorganiques micro- et nanostructurés tels que les métaux, les alliages, les composés métalliques, les matériaux non métalliques et les composites inorganiques. Des exemples courants de PTC 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 (procédés de type Fenton), la dégradation sonocatalytique, etc.
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Autres applications sonochimiques

Grâce à leur polyvalence, leur fiabilité et leur simplicité d’utilisation, les systèmes sonochimiques tels que UP400St ou UIP2000hdT sont appréciés comme des équipements efficaces pour les réactions chimiques. Les appareils sonochimiques de Hielscher Ultrasonics peuvent être facilement utilisés pour la sonication en mode discontinu (bécher ouvert) et en ligne continue à l’aide d’une cellule à circulation 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, dans l’industrie pharmaceutique, en microbiologie ainsi que dans d’autres industries.

Équipements sonochimiques haute performance

Hielscher Ultrasonics est votre fournisseur de premier plan d’ultrasonicateurs innovants et à la pointe de la technologie, de cellules à circulation sonochimiques, de réacteurs et d’accessoires pour des réactions sonochimiques efficaces et fiables. Tous les ultrasonicateurs 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 une exploitation hautement efficace, les ultrasonicateurs Hielscher sont faciles et fiables à utiliser. Haute efficacité, logiciel intelligent, menu intuitif, enregistrement automatique des données et 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 (extrémité) de la sonotrode (également appelée sonde ultrasonore ou corne) et constitue le principal facteur d’influence de la cavitation ultrasonore. 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 pour 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 ultrasonicateurs Hielscher peuvent être réglés de manière fiable et précise sur l’amplitude idéale grâce à une commande numérique intelligente. Des cornes d’amplification (boosters) peuvent en outre être utilisées pour diminuer ou augmenter mécaniquement l’amplitude. Les processeurs à ultrasons industriels d’Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores personnalisées sont disponibles.

Contrôle précis de la température pendant les réactions sonochimiques

Dans le point chaud de cavitation, on peut observer des températures extrêmement élevées de plusieurs milliers de degrés Celsius. Cependant, ces températures extrêmes sont limitées localement à l’intérieur minuscule et aux abords immédiats de la bulle de cavitation qui implose. Dans la solution globale, l’élévation de température due à l’implosion d’une seule ou de quelques bulles de cavitation est négligeable. Mais une sonication intense et continue pendant des périodes prolongées peut entraîner une augmentation progressive de la température du liquide dans son ensemble. Cette élévation de température contribue à de nombreuses réactions chimiques et est souvent considérée comme bénéfique. Cependant, différentes réactions chimiques ont des températures de réaction optimales différentes. Lors du traitement de matériaux sensibles à la chaleur, un contrôle de la température peut être nécessaire. Afin de permettre des conditions thermiques idéales pendant les procédés sonochimiques, Hielscher Ultrasonics propose diverses solutions sophistiquées pour un contrôle précis de la température pendant les procédés sonochimiques, telles que des réacteurs sonochimiques et des cellules à circulation équipés de chemises de refroidissement.
Nos cellules à circulation et réacteurs sonochimiques sont disponibles avec des chemises de refroidissement, qui favorisent une dissipation efficace de la chaleur. Pour une surveillance continue de la température, les ultrasonicateurs Hielscher sont équipés d’un capteur de température enfichable, qui peut être inséré dans le liquide pour mesurer en permanence la température globale. Un logiciel sophistiqué permet de définir une plage de température. Lorsque la limite de température est dépassée, l’ultrasonicateur se met automatiquement en pause jusqu’à ce que la température du liquide soit redescendue à une valeur de consigne définie, puis reprend automatiquement la sonication. Toutes les mesures de température ainsi que les autres données importantes du procédé ultrasonore sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée et peuvent être facilement consultées pour le contrôle du procédé.
La température est un paramètre crucial des procédés sonochimiques. La technologie élaborée de 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 ultrasonicateurs :