Sonochimie : notes d’application

La sonochimie désigne l’effet de la cavitation ultrasonore sur les systèmes chimiques. En raison des conditions extrêmes qui règnent dans le « hot spot » de cavitation, les ultrasons de puissance constituent une méthode très efficace pour améliorer le résultat d’une réaction chimique (rendement plus élevé, meilleure qualité), sa conversion et sa durée. Certaines transformations chimiques ne peuvent être obtenues que sous sonication, comme le revêtement d’étain nanométrique du titane ou de l’aluminium.

Vous trouverez ci-dessous une sélection de particules et de liquides, accompagnée de recommandations sur la manière de traiter le matériau afin de broyer, disperser, désagglomérer ou modifier les particules à l’aide d’un homogénéisateur à ultrasons.

Vous trouverez ci-dessous quelques protocoles de sonication pour des réactions sonochimiques réussies !

Par ordre alphabétique :

α-Époxycétones – réaction d’ouverture de cycle

Application ultrasonore :
L’ouverture catalytique du cycle des α-époxycétones a été réalisée en combinant les ultrasons et des méthodes photochimiques. Le tétrafluoroborate de 1-benzyl-2,4,6-triphénylpyridinium (NBTPT) a été utilisé comme photocatalyseur. La combinaison de la sonication (sonochimie) et de la photochimie de ces composés en présence de NBTPT a permis d’obtenir l’ouverture du cycle époxyde. Il a été démontré que l’utilisation des ultrasons augmentait significativement la vitesse de la réaction photo-induite. Les ultrasons peuvent influencer fortement l’ouverture photocatalytique du cycle des α-époxycétones, principalement en raison du transfert de masse efficace des réactifs et de l’état excité du NBTPT. De plus, le transfert d’électrons entre les espèces actives dans ce système homogène soumis à la sonication se produit
plus rapidement que dans le système sans sonication. Des rendements plus élevés et des temps de réaction plus courts sont les avantages de cette méthode.

Ouverture photocatalytique du cycle des α-époxycétones assistée par ultrasons (étude et graphique : ©Memarian et al 2007)

Protocole de sonication :
Les α-époxycétones 1a-f et le tétrafluoroborate de 1-benzyl-2,4,6-triphénylpyridinium 2 ont été préparés selon les procédures publiées. Le méthanol a été acheté auprès de Merck et distillé avant utilisation. L’appareil à ultrasons utilisé était un appareil à sonde ultrasonore UP400S de Hielscher Ultrasonics GmbH. Une corne d’immersion ultrasonore S3 (également appelée sonde ou sonotrode), émettant des ultrasons à 24 kHz à des niveaux d’intensité réglables jusqu’à une densité de puissance acoustique maximale de 460Wcm^-2 a été utilisée. La sonication a été effectuée à 100% (amplitude maximale 210μm). La sonotrode S3 (profondeur d’immersion maximale de 90mm) a été immergée directement dans le mélange réactionnel. Les irradiations UV ont été réalisées à l’aide d’une lampe à vapeur de mercure haute pression de 400W de Narva, avec refroidissement des échantillons dans du verre Duran. Les spectres de RMN ¹H du mélange de photoproduits ont été mesurés dans des solutions de CDCl₃ contenant du tétraméthylsilane (TMS) comme étalon interne, sur un Bruker drx-500 (500 MHz). La chromatographie préparative sur couche (PLC) a été réalisée sur des plaques de 20 × 20cm² recouvertes d’une couche de 1mm de gel de silice Merck PF₂₅₄ préparées en appliquant la silice sous forme de suspension et en la séchant à l’air. Tous les produits sont connus et leurs données spectrales ont déjà été publiées.
Appareil recommandé :
UP400S avec la corne ultrasonore S3
Référence / article de recherche :
Memarian, Hamid R.; Saffar-Teluri, A. (2007): Photosonochemical catalytic ring opening of α-epoxyketones. Beilstein Journal of Organic Chemistry 3/2, 2007.

Catalyseur aluminium/nickel : nanostructuration de l’alliage Al/Ni

Application ultrasonore :
Les particules d’Al/Ni peuvent être modifiées par voie sonochimique grâce à la nanostructuration de l’alliage Al/Ni initial. On obtient ainsi un catalyseur efficace pour l’hydrogénation de l’acétophénone.
Préparation ultrasonore du catalyseur Al/Ni :
5g de l’alliage Al/Ni commercial ont été dispersés dans de l’eau purifiée (50mL) et soniqués jusqu’à 50 min. avec le sonicateur à sonde UIP1000hd (1kW, 20kHz) équipé de la corne ultrasonore BS2d22 (surface de tête de 3,8 cm²) et du booster B2-1.8. L’intensité maximale a été calculée à 140 Wcm⁻² pour une amplitude mécanique de 106μm. Pour éviter l’augmentation de température pendant la sonication, l’expérience a été réalisée dans une cellule thermostatée. Après la sonication, l’échantillon a été séché sous vide à l’aide d’un pistolet à air chaud.
Appareil recommandé :
UIP1000hd avec la sonotrode BS2d22 et la corne booster B2–1,2
Référence / article de recherche :
Dulle, Jana ; Nemeth, Silke ; Skorb, Ekaterina V. ; Irrgang, Torsten ; Senker, Jürgen ; Kempe, Rhett ; Fery, Andreas ; Andreeva, Daria V. (2012) : Sonochemical Activation of Al/Ni Hydrogenation Catalyst (Activation sonochimique du catalyseur d’hydrogénation Al/Ni). Advanced Functional Materials 2012. DOI : 10.1002/adfm.201200437

Transestérification du biodiesel à l’aide d’un catalyseur MgO

Application ultrasonore :
La réaction de transestérification a été étudiée sous mélange ultrasonore constant avec le sonicateur UP200S pour différents paramètres tels que la quantité de catalyseur, le rapport molaire méthanol/huile, la température de réaction et la durée de réaction. Les expériences en batch ont été réalisées dans un réacteur en verre dur (300 ml, diamètre intérieur de 7 cm) muni d’un couvercle rodé à deux cols. L’un des cols était relié à la sonotrode en titane S7 (diamètre de pointe 7 mm) du processeur ultrasonore UP200S (200W, 24kHz). L’amplitude des ultrasons a été réglée à 50% avec 1 cycle par seconde. Le mélange réactionnel a été soniqué pendant toute la durée de la réaction. L’autre col de la chambre du réacteur était équipé d’un condenseur sur mesure en acier inoxydable refroidi à l’eau, destiné à faire refluer le méthanol évaporé. L’ensemble de l’appareillage a été placé dans un bain d’huile à température constante, commandé par un régulateur de température proportionnel intégral dérivé. La température peut être portée jusqu’à 65°C avec une précision de ±1°C. De l’huile usagée et du méthanol pur à 99,9% ont été utilisés comme matières pour la transestérification du biodiesel. Du MgO nanométrique déposé par fumée (ruban de magnésium) a été utilisé comme catalyseur.
Un excellent résultat de conversion a été obtenu avec 1,5 wt% de catalyseur ; avec un rapport molaire méthanol/huile de 5:1 à 55°C, une conversion de 98,7% a été atteinte après 45 min.
Appareil recommandé :
UP200S avec la sonotrode ultrasonore S7
Référence / article de recherche :
Sivakumar, P.; Sankaranarayanan, S.; Renganathan, S.; Sivakumar, P.(): Études sur la production sonochimique de biodiesel à l’aide d’un catalyseur de MgO nanométrique obtenu par dépôt de fumée. Bulletin of Chemical Reaction Engineering & Catalysis 8/ 2, 2013. 89 – 96.

Synthèse de nanocomposites cadmium(II)-thioacétamide

Application ultrasonore :
Des nanocomposites cadmium(II)-thioacétamide ont été synthétisés par voie sonochimique en présence et en l’absence d’alcool polyvinylique. Pour la synthèse sonochimique (sono-synthèse), 0,532 g d’acétate de cadmium (II) dihydraté (Cd(CH3COO)2.2H2O), 0,148 g de thioacétamide (TAA, CH3CSNH2) et 0,664 g d’iodure de potassium (KI) ont été dissous dans 20mL d’eau désionisée bidistillée. Cette solution a été soniquée avec un sonicateur à sonde de haute puissance UP400S (24 kHz, 400W) à température ambiante pendant 1 h. Pendant la sonication du mélange réactionnel, la température est montée à 70-80degC, mesurée à l’aide d’un thermocouple fer–constantin. Au bout d’une heure, un précipité jaune vif s’est formé. Il a été isolé par centrifugation (4 000 rpm, 15 min), lavé à l’eau bidistillée puis à l’éthanol absolu afin d’éliminer les impuretés résiduelles, et enfin séché à l’air (rendement : 0,915 g, 68%). Point de décomposition : 200°C. Pour préparer le nanocomposite polymère, 1,992 g d’alcool polyvinylique ont été dissous dans 20 mL d’eau désionisée bidistillée, puis ajoutés à la solution ci-dessus. Ce mélange a été irradié par ultrasons avec la sonde ultrasonore UP400S pendant 1 h, jusqu’à la formation d’un produit orange vif.
Les résultats MEB ont montré qu’en présence de PVA, la taille des particules diminuait d’environ 38 nm à 25 nm. Nous avons ensuite synthétisé des nanoparticules de CdS hexagonales de morphologie sphérique par décomposition thermique du nanocomposite polymère cadmium(II)-thioacétamide/PVA utilisé comme précurseur. La taille des nanoparticules de CdS a été mesurée à la fois par DRX et par MEB, et les résultats concordaient très bien entre eux.
Ranjbar et al. (2013) ont également constaté que le nanocomposite polymère de Cd(II) est un précurseur approprié pour la préparation de nanoparticules de sulfure de cadmium aux morphologies intéressantes. L’ensemble des résultats a montré que la synthèse par ultrasons peut être employée avec succès comme méthode simple, efficace, peu coûteuse, respectueuse de l’environnement et très prometteuse pour la synthèse de matériaux nanométriques, sans nécessiter de conditions particulières telles qu’une température élevée, de longs temps de réaction ou une pression élevée.
Appareil recommandé :
UP400S
Référence / article de recherche :
Ranjbar, M. ; Mostafa Yousefi, M. ; Nozari, R. ; Sheshmani, S. (2013) : Synthèse et caractérisation des nanocomposites cadmium-thioacétamide. Int. J. Nanosci. Nanotechnol. 9/4, 2013. 203-212.

CaCO3 – enrobage par ultrasons avec de l’acide stéarique

Application ultrasonore :
Enrobage par ultrasons de CaCO₃ nanoprécipité (NPCC) avec de l’acide stéarique afin d’améliorer sa dispersion dans le polymère et de réduire l’agglomération. 2g de CaCO₃ nanoprécipité (NPCC) non enrobé ont été soniqués avec le sonicateur UP400S dans 30ml d’éthanol. 9 wt% d’acide stéarique ont été dissous dans de l’éthanol. L’éthanol contenant l’acide stéarique a ensuite été mélangé à la suspension soniquée.
Appareil recommandé :
UP400S avec une sonotrode de 22mm de diamètre (H22D) et une cellule à circulation à double enveloppe de refroidissement
Référence / article de recherche :
Kow, K. W.; Abdullah, E. C.; Aziz, A. R. (2009): Effets des ultrasons sur l’enrobage de CaCO3 nanoprécipité par l’acide stéarique. Asia‐Pacific Journal of Chemical Engineering 4/5, 2009. 807-813.

Silane dopé au nitrate de cérium

Application ultrasonore :
Des panneaux d’acier au carbone laminés à froid (6,5cm, 6,5cm, 0,3cm ; nettoyés chimiquement et polis mécaniquement) ont été utilisés comme substrats métalliques. Avant l’application du revêtement, les panneaux ont été nettoyés par ultrasons à l’acétone, puis nettoyés avec une solution alcaline (solution de NaOH 0,3mol L1) à 60°C pendant 10 min. Pour une utilisation comme primaire, avant le prétraitement du substrat, une formulation type comprenant 50 parties de γ-glycidoxypropyltriméthoxysilane (γ-GPS) a été diluée avec environ 950 parties de méthanol, à pH 4,5 (ajusté avec de l’acide acétique), puis laissée pour l’hydrolyse du silane. La procédure de préparation du silane dopé avec des pigments de nitrate de cérium était identique, à ceci près que 1, 2, 3 wt% de nitrate de cérium ont été ajoutés à la solution de méthanol avant l’ajout du (γ-GPS) ; cette solution a ensuite été mélangée avec un agitateur à hélice à 1600 rpm pendant 30 min. à température ambiante. Les dispersions contenant du nitrate de cérium ont ensuite été soniquées pendant 30 min à 40°C avec un bain de refroidissement externe. La sonication a été réalisée avec le sonicateur UIP1000hd (1000W, 20 kHz) avec une puissance ultrasonore d’entrée d’environ 1 W/mL. Le prétraitement du substrat a été effectué en rinçant chaque panneau pendant 100 sec. avec la solution de silane appropriée. Après le traitement, les panneaux ont été laissés sécher à température ambiante pendant 24 h, puis les panneaux prétraités ont été revêtus d’un époxy bicomposant durci aux amines (Epon 828, shell Co.) pour obtenir une épaisseur de film humide de 90μm. Les panneaux revêtus d’époxy ont été laissés durcir pendant 1h à 115°C ; après durcissement des revêtements époxy, l’épaisseur du film sec était d’environ 60μm.
Appareil recommandé :
UIP1000hd
Référence / article de recherche :
Zaferani, S.H. ; Peikari, M. ; Zaarei, D. ; Danaei, I. (2013) : Effets électrochimiques des prétraitements au silane contenant du nitrate de cérium sur les propriétés de décollement cathodique de l’acier revêtu d’époxy. Journal of Adhesion Science and Technology 27/22, 2013. 2411-2420.

Structures cuivre-aluminium : synthèse de structures poreuses Cu-Al

Application ultrasonore :
Le cuivre–aluminium poreux stabilisé par un oxyde métallique est un nouveau catalyseur alternatif prometteur pour la déshydrogénation du propane, exempt de métaux nobles ou dangereux. La structure de l’alliage Cu–Al poreux oxydé (éponge métallique) est similaire à celle des métaux de type Raney. Les ultrasons de haute puissance sont un outil de chimie verte pour la synthèse de structures poreuses cuivre–aluminium stabilisées par un oxyde métallique. Elles sont peu coûteuses (coût de production d’environ 3 EUR/litre) et la méthode peut être facilement transposée à plus grande échelle. Ces nouveaux matériaux poreux (ou « éponges métalliques ») ont un cœur en alliage et une surface oxydée, et peuvent catalyser la déshydrogénation du propane à basse température.
Procédure de préparation du catalyseur par ultrasons :
Cinq grammes de poudre d’alliage Al–Cu ont été dispersés dans de l’eau ultrapure (50mL) et soniqués pendant 60 min avec le sonicateur à sonde Hielscher UIP1000hd (20kHz, puissance de sortie max. 1000W). L’appareil à sonde ultrasonore était équipé d’une sonotrode BS2d22 (surface de pointe 3,8cm²) et de la corne booster B2–1,2. L’intensité maximale a été calculée à 57 W/cm² pour une amplitude mécanique de 81μm. Pendant le traitement, l’échantillon a été refroidi dans un bain de glace. Après le traitement, l’échantillon a été séché à 120°C pendant 24 h.
Appareil recommandé :
UIP1000hd avec la sonotrode BS2d22 et la corne booster B2–1,2
Référence / article de recherche :
Schäferhans, Jana ; Gómez-Quero, Santiago ; Andreeva, Daria V. ; Rothenberg, Gadi (2011) : Nouveaux catalyseurs efficaces de déshydrogénation du propane à base de cuivre et d’aluminium. Chem. Eur. J. 2011, 17, 12254-12256.

Dégradation de la Phathlocyanine de cuivre

Application ultrasonore :
Décoloration et destruction des métallophtalocyanines
La phathlocyanine de cuivre est soniquée avec de l’eau et des solvants organiques à température ambiante et à pression atmosphérique, en présence d’une quantité catalytique d’oxydant, à l’aide du sonicateur UIP500hd de 500W avec une chambre « fold-trough », à un niveau de puissance de 37–59 W/cm²: 5 mL d’échantillon (100 mg/L), 50 d’eau D/D avec du choloform et de la pyridine, à 60% de l’amplitude ultrasonore. Température de réaction : 20°C.
Appareil recommandé :
UIP500hd

Or : modification morphologique de nanoparticules d’or

Application ultrasonore :
Des nanoparticules d’or ont été modifiées morphologiquement sous irradiation ultrasonore intense. Pour fusionner des nanoparticules d’or en une structure en forme d’haltère, un traitement ultrasonore de 20 min. dans de l’eau pure et en présence de tensioactifs s’est avéré suffisant. Après 60 min. de sonication, les nanoparticules d’or acquièrent dans l’eau une structure vermiforme ou annulaire. Des nanoparticules fusionnées de forme sphérique ou ovale ont été formées par ultrasons en présence de solutions de dodécylsulfate de sodium ou de dodécylamine.
Protocole du traitement ultrasonore :
Pour la modification par ultrasons, la solution d’or colloïdal, constituée de nanoparticules d’or préformées protégées par du citrate, d’un diamètre moyen de 25nm (± 7nm), a été soniquée dans une chambre de réacteur fermée (volume d’environ 50mL). La solution d’or colloïdal (0,97 mmol·L^-1) a été irradiée par ultrasons à haute intensité (40 W/cm^-2) à l’aide d’un sonicateur Hielscher UIP1000hdT (20kHz, 1000W) équipé d’une sonotrode BS2d18 en alliage de titane (diamètre de pointe de 0,7 pouce), immergée à environ 2 cm sous la surface de la solution soniquée. L’or colloïdal a été traité par barbotage d’argon (O₂ < 2 ppmv, Air Liquid) 20 min. avant et pendant la sonication, à un débit de 200 mL·min^-1 afin d’éliminer l’oxygène de la solution. Une portion de 35-mL de chaque solution de tensioactif sans ajout de citrate trisodique dihydraté a été réunie avec 15 mL d’or colloïdal préformé, avec barbotage d’argon 20 min. avant et pendant le traitement ultrasonore.
Appareil recommandé :
UIP1000hd avec la sonotrode BS2d18 et un réacteur à cellule à circulation
Référence / article de recherche :
Radziuk, D. ; Grigoriev,D. ; Zhang, W. ; Su, D. ; Möhwald, H. ; Shchukin, D. (2010) : Ultrasound-Assisted Fusion of Preformed Gold Nanoparticles (Fusion assistée par ultrasons de nanoparticules d’or préformées). Journal of Physical Chemistry C 114, 2010. 1835-1843.

Engrais inorganiques – lixiviation du Cu, du Cd et du Pb pour analyse

Application ultrasonore :
Extraction du Cu, du Cd et du Pb à partir d’engrais inorganiques à des fins analytiques :
Pour l’extraction par ultrasons du cuivre, du plomb et du cadmium, des échantillons contenant un mélange d’engrais et de solvant sont soniqués avec un appareil à ultrasons tel que le sonicateur VialTweeter pour une sonication indirecte. Les échantillons d’engrais ont été soniqués en présence de 2mL d’une solution à 50% (v/v) de HNO₃ dans des tubes en verre pendant 3 minutes. Les extraits de Cu, Cd et Pb peuvent être dosés par spectrométrie d’absorption atomique de flamme (FAAS).
Appareil recommandé :
VialTweeter
Référence / article de recherche :
Lima, A. F.; Richter, E. M.; Muñoz, R. A. A. (2011): Alternative Analytical Method for Metal Determination in Inorganic Fertilizers Based on Ultrasound-Assisted Extraction. Journal of the Brazilian Chemical Society 22/ 8. 2011. 1519-1524.

Synthèse de latex

Application ultrasonore :
Préparation du latex P(St-BA)
Des particules de latex de poly(styrène-r-acrylate de butyle) P(St-BA) ont été synthétisées par polymérisation en émulsion en présence du tensioactif DBSA. 1 g de DBSA a d’abord été dissous dans 100mL d’eau dans un ballon tricol, et le pH de la solution a été ajusté à 2,0. Les monomères mélangés, 2,80g de St et 8,40g de BA, avec l’amorceur AIBN (0,168g), ont été versés dans la solution de DBSA. L’émulsion H/E a été préparée par agitation magnétique pendant 1 h, suivie d’une sonication avec le sonicateur UIP1000hd équipé d’une corne ultrasonore (sonde/ sonotrode) pendant encore 30 min. dans le bain de glace. Enfin, la polymérisation a été réalisée à 90degC dans un bain d’huile pendant 2h sous atmosphère d’azote.
Appareil recommandé :
UIP1000hd
Référence / article de recherche :
Fabrication de films conducteurs flexibles dérivés du poly(3,4-éthylène-dioxythiophène)époly(acide styrénesulfonique) (PEDOT:PSS) sur le substrat de tissus non tissés. Materials Chemistry and Physics 143, 2013. 143-148.
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Élimination du plomb (sono-lixiviation)

Application ultrasonore :
Lixiviation par ultrasons du plomb présent dans un sol contaminé :
Les expériences de lixiviation par ultrasons ont été réalisées avec un homogénéisateur à ultrasons UP400S doté d’une sonde en titane (diamètre 14mm), qui fonctionne à une fréquence de 20kHz. La sonde ultrasonore (sonotrode) a été étalonnée par calorimétrie, l’intensité ultrasonore étant réglée à 51 ± 0,4 W cm^-2 pour toutes les expériences de sono-lixiviation. Les expériences de sono-lixiviation ont été thermostatées à l’aide d’une cellule en verre à double enveloppe et à fond plat, à 25 ± 1°C. Trois systèmes ont été utilisés comme solutions de lixiviation du sol (0,1L) sous sonication : 6 mL à 0,3 mol L^-2 d’une solution d’acide acétique (pH 3,24), une solution d’acide nitrique à 3% (v/v) (pH 0,17) et un tampon acide acétique/acétate (pH 4,79) préparé en mélangeant 60mL 0f 0,3 mol L^-1 d’acide acétique avec 19 mL à 0,5 mol L^-1 de NaOH. Après le processus de sono-lixiviation, les échantillons ont été filtrés sur papier filtre afin de séparer le lixiviat du sol, puis ont suivi l’électrodéposition du plomb à partir du lixiviat et la digestion du sol après l’application des ultrasons.
Les ultrasons se sont révélés être un outil précieux pour améliorer la lixiviation du plomb à partir de sols pollués. Les ultrasons constituent également une méthode efficace pour l’élimination quasi totale du plomb lixiviable du sol, ce qui rend le sol beaucoup moins dangereux.
Appareil recommandé :
UP400S avec la sonotrode H14
Référence / article de recherche :
Sandoval-González, A.; Silva-Martínez, S.; Blass-Amador, G. (2007): Ultrasound Leaching and Electrochemical Treatment Combined for Lead Removal Soil. Journal of New Materials for Electrochemical Systems 10, 2007. 195-199.

PbS – synthèse de nanoparticules de sulfure de plomb

Application ultrasonore :
À température ambiante, 0,151 g d’acétate de plomb (Pb(CH₃COO)2.3H₂O) et 0,03 g de TAA (CH₃CSNH₂) ont été ajoutés à 5mL du liquide ionique, [EMIM] [EtSO₄], et à 15mL d’eau bidistillée dans un bécher de 50mL soumis à une irradiation ultrasonore avec le sonicateur Hielscher UP200S pendant 7 min. La pointe de la sonde ultrasonore/ sonotrode S1 a été immergée directement dans la solution réactionnelle. La suspension brun foncé formée a été centrifugée pour en extraire le précipité, puis lavée deux fois, respectivement à l’eau bidistillée et à l’éthanol, afin d’éliminer les réactifs n’ayant pas réagi. Pour étudier l’effet des ultrasons sur les propriétés des produits, un échantillon comparatif supplémentaire a été préparé en maintenant constants les paramètres de réaction, à ceci près que le produit est préparé sous agitation continue pendant 24 h sans l’aide de l’irradiation ultrasonore.
La synthèse assistée par ultrasons dans un liquide ionique aqueux à température ambiante a été proposée pour la préparation de nanoparticules de PbS. Cette méthode verte, réalisée à température ambiante et respectueuse de l’environnement, est rapide et sans gabarit, ce qui raccourcit remarquablement le temps de synthèse et évite les procédures de synthèse complexes. Les nanoclusters tels que préparés présentent un énorme décalage vers le bleu de 3,86 eV, qui peut être attribué à la très petite taille des particules et à l’effet de confinement quantique.
Appareil recommandé :
UP200S
Référence / article de recherche :
Behboudnia, M.; Habibi-Yangjeh, A.; Jafari-Tarzanag, Y.; Khodayari, A. (2008): Préparation simple à température ambiante et caractérisation de nanoparticules de PbS en solution aqueuse [EMIM][EtSO4] de liquide ionique par irradiation ultrasonore. Bulletin of Korean Chemical Society 29/ 1, 2008. 53-56.

Dégradation du phénol

Application ultrasonore :
Rokhina et al. (2013) ont utilisé la combinaison d’acide peracétique (PAA) et d’un catalyseur hétérogène (MnO₂) pour la dégradation du phénol en solution aqueuse sous irradiation ultrasonore. La sonication a été réalisée à l’aide d’un sonicateur à sonde UP400S de 400W, capable de soniquer en continu ou en mode pulsé (c.-à-d. 4 sec. de marche et 2 sec. d’arrêt) à une fréquence fixe de 24 kHz. La puissance totale calculée, la densité de puissance et l’intensité de puissance dissipées dans le système étaient de 20 W, 9,5×10^-2 W/cm^-3, et 14,3 W/cm^-2, respectivement. La puissance fixe a été utilisée tout au long des expériences. Un thermoplongeur à circulation a été utilisé pour réguler la température à l’intérieur du réacteur. Le temps de sonication effectif était de 4 h, bien que le temps de réaction réel ait été de 6 h en raison du fonctionnement en mode pulsé. Dans une expérience type, le réacteur en verre a été rempli de 100mL de solution de phénol (1,05 mM) et de doses appropriées du catalyseur MnO2 et de PAA (2%), comprises entre 0–2 g L^-1 et 0–150 ppm, respectivement. Toutes les réactions ont été réalisées à pH proche de la neutralité, à pression atmosphérique et à température ambiante (22 ± 1 °C).
La sonication a augmenté la surface spécifique du catalyseur, donnant une surface 4 fois plus grande sans modification structurelle. Les fréquences de rotation (TOF) sont passées de 7 x 10^-3 à 12,2 x 10^-3 min^-1, par rapport au procédé sans ultrasons. En outre, aucune lixiviation significative du catalyseur n’a été détectée. L’oxydation isotherme du phénol à des concentrations relativement faibles de réactifs a montré des taux d’élimination du phénol élevés (jusqu’à 89%) dans des conditions douces. De manière générale, les ultrasons ont accéléré le processus d’oxydation pendant les 60 premières min. (70% d’élimination du phénol contre 40% lors du traitement sans ultrasons).
Appareil recommandé :
UP400S
Référence / article de recherche :
Rokhina, E. V.; Makarova, K.; Lahtinen, M.; Golovina, E. A.; Van As, H.; Virkutyte, J. (2013): Ultrasound-assisted MnO₂ homolyse catalysée de l’acide peracétique pour la dégradation du phénol : The assessment of process chemistry and kinetics. Chemical Engineering Journal 221, 2013. 476-486.

Phénol : oxydation du phénol avec RuI₃ comme catalyseur

Application ultrasonore :
Oxydation aqueuse hétérogène du phénol sur RuI₃ avec du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) : l’oxydation catalytique du phénol (100 ppm) sur RuI₃ comme catalyseur a été étudiée dans un réacteur en verre de 100 mL équipé d’un agitateur magnétique et d’un régulateur de température. Le mélange réactionnel a été agité à une vitesse de 800 rpm pendant 1–6 heures afin d’assurer un mélange complet pour une distribution uniforme et une mise en suspension totale des particules de catalyseur. Aucune agitation mécanique de la solution n’a été effectuée pendant la sonication, en raison de la perturbation causée par l’oscillation et l’implosion des bulles de cavitation, qui assure à elle seule un mélange extrêmement efficace. L’irradiation ultrasonore de la solution a été réalisée avec un transducteur ultrasonore UP400S équipé d’un dispositif ultrasonore (appelé sonicateur de type sonde), capable de fonctionner en continu ou en mode pulsé à une fréquence fixe de 24 kHz et avec une puissance de sortie maximale de 400W.
Pour l’expérience, du RuI₃ non traité comme catalyseur (0,5–2 gL^-1) a été introduit sous forme de suspension dans le milieu réactionnel, suivi de l’ajout de H2O2 (30%, concentration dans la plage de 200–1200 ppm).
Rokhina et al. ont constaté dans leur étude que l’irradiation ultrasonore jouait un rôle prépondérant dans la modification des propriétés texturales du catalyseur, produisant une structure microporeuse de plus grande surface spécifique par fragmentation des particules de catalyseur. De plus, elle a eu un effet promoteur, en empêchant l’agglomération des particules de catalyseur et en améliorant l’accessibilité du phénol et du peroxyde d’hydrogène aux sites actifs du catalyseur.
Le doublement de l’efficacité du procédé assisté par ultrasons par rapport au procédé d’oxydation sans ultrasons a été attribué à l’amélioration du comportement catalytique du catalyseur et à la génération d’espèces oxydantes telles que •OH, •HO2 et •I₂ via la rupture des liaisons hydrogène et la recombinaison de radicaux.
Appareil recommandé :
UP400S
Référence / article de recherche :
Rokhina, E. V. ; Lahtinen, M. ; Nolte, M. C. M. ; Virkutyte, J. (2009) : Ultrasound-Assisted Heterogeneous Ruthenium Catalyzed Wet Peroxide Oxidation of Phenol. Applied Catalysis B : Environmental 87, 2009. 162- 170.

Particules d’Ag/ZnO enrobées de PLA

Application ultrasonore :
Enrobage de particules d’Ag/ZnO par du PLA : des micro- et submicroparticules d’Ag/ZnO enrobées de PLA ont été préparées par la technique d’évaporation de solvant en émulsion huile dans eau. Cette méthode a été mise en œuvre de la manière suivante. Premièrement, les 400 mg de polymère ont été dissous dans 4 ml de chloroforme. La concentration résultante de polymère dans le chloroforme était de 100 mg/ml. Deuxièmement, la solution de polymère a été émulsionnée dans une solution aqueuse de divers systèmes tensioactifs (agent émulsifiant, PVA 8-88) sous agitation continue avec un homogénéisateur à une vitesse d’agitation de 24 000 rpm. Le mélange a été agité pendant 5 min. et, pendant cette période, l’émulsion en formation a été refroidie avec de la glace. Le rapport entre la solution aqueuse de tensioactif et la solution chloroformique de PLA était identique dans toutes les expériences (4:1). Ensuite, l’émulsion obtenue a été soniquée avec un appareil à sonde ultrasonore UP400S (400W, 24kHz) pendant 5 min. au cycle 0,5 et à une amplitude de 35%. Enfin, l’émulsion préparée a été transférée dans l’erlenmeyer, agitée, et le solvant organique a été évaporé de l’émulsion sous pression réduite, ce qui conduit finalement à la formation d’une suspension de particules. Après élimination du solvant, la suspension a été centrifugée trois fois afin d’éliminer l’émulsifiant.
Appareil recommandé :
UP400S
Référence / article de recherche :
Kucharczyk, P.; Sedlarik, V.; Stloukal, P.; Bazant, P.; Koutny, M.; Gregorova, A.; Kreuh, D.; Kuritka, I. (2011): Poly (L-Lactic Acid) Coated Microwave Synthesized Hybrid Antibacterial Particles. Nanocon 2011.

Composite de polyaniline

Application ultrasonore :
Préparation d’un composite aqueux de nano-polyaniline auto-dopée (SPAni) (Sc-WB)
Pour préparer le composite aqueux de SPAni, 0,3 gr de SPAni, synthétisée par polymérisation in situ en milieu ScCO2, ont été dilués dans de l’eau et soniqués pendant 2 minutes avec un homogénéisateur à ultrasons UIP1000hd de 1000W. Ensuite, la suspension obtenue a été homogénéisée en ajoutant 125 gr de matrice durcisseur aqueuse pendant 15 min., et la sonication finale a été effectuée à température ambiante pendant 5 min.
Appareil recommandé :
UIP1000hd
Référence / article de recherche :
Bagherzadeh, M.R. ; Mousavinejad, T. ; Akbarinezhad, E. ; Ghanbarzadeh, A. (2013) : Performance protectrice du revêtement époxy à base d’eau contenant de la nanopolyaniline autodopée synthétisée par ScCO2. 2013.

Hydrocarbures aromatiques polycycliques : dégradation sonochimique du naphtalène, de l’acénaphtylène et du phénanthrène

Application ultrasonore :
Pour la dégradation sonochimique des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) naphtalène, acénaphtylène et phénanthrène dans l’eau, des mélanges d’échantillons ont été soniqués à 20◦C et à 50 µg/l de chaque HAP cible (150 µg/l de concentration initiale totale). La sonication a été appliquée par un sonicateur à corne UP400S (400W, 24kHz), capable de fonctionner en mode continu ou pulsé. Le sonicateur UP400S était équipé d’une sonde en titane H7 avec une pointe de 7 mm de diamètre. Les réactions ont été réalisées dans un récipient réactionnel cylindrique en verre de 200 mL, la corne en titane étant montée sur le dessus du récipient et l’étanchéité assurée par des joints toriques et une vanne en Téflon. Le récipient réactionnel a été placé dans un bain-marie pour réguler la température du procédé. Pour éviter toute réaction photochimique, le récipient a été recouvert d’une feuille d’aluminium.
Les résultats d’analyse ont montré que la conversion des HAP augmente avec la durée de sonication.
Pour le naphtalène, la conversion assistée par ultrasons (puissance ultrasonore réglée à 150W) est passée de 77,6% après 30 min. de sonication à 84,4% après 60 min. de sonication.
Pour l’acénaphtylène, la conversion assistée par ultrasons (puissance ultrasonore réglée à 150W) est passée de 77,6% après 30 min. de sonication avec une puissance ultrasonore de 150W à 84,4% après 60 min. de sonication avec des ultrasons de 150W, est passée de 80,7% après 30 min. de sonication avec une puissance ultrasonore de 150W à 96,6% après 60 min. de sonication.
Pour le phénanthrène, la conversion assistée par ultrasons (puissance ultrasonore réglée à 150W) est passée de 73,8% après 30 min. de sonication à 83,0% après 60 min. de sonication.
Pour améliorer l’efficacité de la dégradation, le peroxyde d’hydrogène peut être utilisé plus efficacement lorsque des ions ferreux sont ajoutés. Il a été démontré que l’ajout d’ions ferreux a des effets synergiques simulant une réaction de type Fenton.
Appareil recommandé :
UP400S avec H7
Référence / article de recherche :
Psillakis, E. ; Goula, G. ; Kalogerakis, N. ; Mantzavinos, D. (2004) : Dégradation des hydrocarbures aromatiques polycycliques en solutions aqueuses par irradiation ultrasonique. Journal of Hazardous Materials B108, 2004. 95-102.

Élimination de la couche d’oxyde des substrats

Application ultrasonore :
Pour préparer le substrat avant la croissance de nanofils de CuO sur des substrats de Cu, la couche d’oxyde intrinsèque à la surface du Cu a été éliminée en soniquant l’échantillon dans de l’acide chlorhydrique 0,7 M pendant 2 min. avec un Hielscher UP200S. L’échantillon a été nettoyé par ultrasons dans de l’acétone pendant 5 min. afin d’éliminer les contaminants organiques, soigneusement rincé à l’eau désionisée (DI) et séché à l’air comprimé.
Appareil recommandé :
UP200S ou UP200St
Référence / article de recherche :
Mashock, M. ; Yu, K. ; Cui, S. ; Mao, S. ; Lu, G. ; Chen, J. (2012) : Modulation des propriétés de détection de gaz des nanofils de CuO par la création de jonctions p-n nanométriques discrètes sur leurs surfaces. ACS Applied Materials & Interfaces 4, 2012. 4192-4199.

Expériences de voltampérométrie

Application ultrasonore :
Pour les expériences de voltampérométrie assistée par ultrasons, un sonicateur Hielscher UP200S de 200 watts équipé d’une corne en verre (pointe de 13-mm de diamètre) a été utilisé. Les ultrasons ont été appliqués avec une intensité de 8 W/cm^–2.
En raison de la faible vitesse de diffusion des nanoparticules en solution aqueuse et du nombre élevé de centres redox par nanoparticule, la voltampérométrie directe en phase solution des nanoparticules est dominée par des effets d’adsorption. Pour détecter des nanoparticules sans accumulation due à l’adsorption, il faut choisir une approche expérimentale avec (i) une concentration suffisamment élevée de nanoparticules, (ii) de petites électrodes pour améliorer le rapport signal/bruit de fond, ou (iii) un transport de masse très rapide.
C’est pourquoi McKenzie et al. (2012) ont utilisé des ultrasons de puissance pour améliorer considérablement la vitesse de transport de masse des nanoparticules vers la surface de l’électrode. Dans leur dispositif expérimental, l’électrode est directement exposée à des ultrasons de haute intensité, avec une distance électrode–corne de 5 mm et 8 W/cm^–2 d’intensité de sonication, ce qui entraîne une agitation et un nettoyage par cavitation. Un système redox test, la réduction monoélectronique de Ru(NH3)₆³⁺ dans du KCl aqueux 0,1 M, a été utilisé pour calibrer la vitesse de transport de masse obtenue dans ces conditions.
Appareil recommandé :
UP200S ou UP200St
Référence / article de recherche :
McKenzie, K. J. ; Marken, F. (2001) : Électrochimie directe de Fe2O3 nanoparticulaire en solution aqueuse et adsorbé sur de l’oxyde d’indium dopé à l’étain. Pure Applied Chemistry, 73/ 12, 2001. 1885-1894.

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