Extraction catalytique assistée par ultrasons

Les réacteurs à ultrasons Hielscher sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels pour faciliter et améliorer les procédés d’extraction catalytique (CEP), également appelés extraction par transfert de phase (PTE). L’extraction catalytique met en jeu un système hétérogène de phases non miscibles, tel qu’un système liquide-liquide ou liquide-solide. Le cisaillement élevé et les forces de cavitation produits par les ultrasons augmentent considérablement la vitesse de dissolution des solutés, permettant une extraction plus rapide et plus complète. Cet effet peut également être exploité pour réduire la quantité de solvant ou d’acide utilisée. Technique éprouvée, l’extraction assistée par ultrasons est de plus en plus utilisée pour répondre à une demande croissante de techniques d’extraction respectueuses de l’environnement, offrant des temps d’extraction plus courts et une consommation réduite de solvants organiques.

Extraction catalytique / extraction par transfert de phase – Principes fondamentaux

L’expression « procédé d’extraction catalytique (CEP) » ou « extraction par transfert de phase (PTE) » décrit la répartition liquide-liquide ou solide-liquide lorsque l’objectif est l’extraction et l’élimination d’analytes. Le diluant liquide ou solide doit donc être dispersé ou émulsionné dans le solvant (phase liquide). Le terme « extractant » désigne uniquement la substance active présente dans le solvant (c’est-à-dire la « phase organique » homogène comprenant l’extractant, le diluant et/ou le modificateur), qui est principalement responsable du transfert du soluté de la phase « aqueuse » vers la phase « organique ». [IUPAC]. La matière cible extraite est appelée extrait.
Les méthodes d’extraction traditionnelles, telles que l’extraction Soxhlet, la macération, l’extraction par micro-ondes, la percolation, l’extraction sous reflux et la distillation à la vapeur, ou la turbo-extraction, sont souvent lentes et inefficaces et/ou nécessitent de grandes quantités de solvants dangereux, ce qui rend le procédé coûteux, long et nocif pour l’environnement.
Les ultrasons constituent une alternative éprouvée aux méthodes d’extraction classiques, permettant une extraction plus rapide et plus complète avec moins de solvants dangereux, voire sans aucun ! Les ultrasons sont une technique puissante pour des procédés verts et respectueux de l’environnement.

Principe de l’extraction catalytique assistée par ultrasons

Pour extraire une substance, les phases non miscibles doivent être mélangées afin que la substance à extraire puisse se dissoudre et passer de la phase porteuse à la phase solvant. Les extractions par transfert de phase s’effectuent le plus souvent d’une phase dispersée vers une phase continue, ce qui signifie que les gouttelettes et les particules doivent être dispersées de manière homogène dans le solvant.
Les ultrasons de puissance constituent une technologie bien connue de mélange et d’extraction, qui exerce plusieurs effets positifs sur le procédé d’extraction :

Avantages de l’extraction par ultrasons :

• rompre les couches limites
• vaincre les forces de van der Waals
• amener le liquide non saturé à la surface de contact
• réduire ou supprimer le besoin d’agents de transfert
• réduire le temps, la température et/ou la concentration
• réduire l’excédent par rapport au volume nécessaire à une saturation complète
• réduire le volume à purifier (par exemple par distillation, évaporation ou séchage)
• se passer de réacteurs à agitation continue (CSR)
• économiser de l’énergie
• traiter en ligne plutôt que par lots
• utiliser un solvant moins acide ou moins coûteux
• éviter les solvants et utiliser à la place un milieu aqueux
• traiter des concentrations élevées en solides ou des suspensions très visqueuses
• procédé vert : respectueux de l’environnement
• utiliser des acides organiques, tels que l’acide malique ou l’acide citrique
• éviter les procédés d’extraction à plusieurs étapes

Extraction liquide-liquide

Procédé classique : L’extraction liquide-liquide est une méthode de partage permettant d’extraire des substances d’une phase liquide vers une autre, en fonction de leurs solubilités relatives dans les deux phases liquides non miscibles. L’utilisation des ultrasons augmente la vitesse de transfert du soluté entre les deux phases grâce à des opérations performantes de mélange, émulsification, et de dissolution !
L’extraction liquide-liquide est une technique de séparation permettant d’isoler et de concentrer des composants de valeur à partir d’une solution aqueuse à l’aide d’un solvant organique. Elle est souvent utilisée lorsque d’autres techniques de séparation (par exemple la distillation) sont inefficaces. L’extraction liquide-liquide est utilisée dans les industries pharmaceutique et cosmétique (composés actifs, principes actifs pharmaceutiques, parfums), ainsi que dans les industries agroalimentaire et agricole, en chimie organique et inorganique, dans l’industrie pétrochimique et en hydrométallurgie.

Problème : Un problème courant est la non-miscibilité des phases liquides (le solvant et le diluant sont non miscibles), qui impose une méthode de mélange appropriée. Un mélange homogène des deux phases liquides favorisant le transfert de phase entre le diluant et le solvant, une méthode fiable de dispersion ou d’émulsification est essentielle. Plus le mélange est fin et plus la surface de contact entre les deux phases est grande, plus le solvant peut facilement passer d’une phase liquide à l’autre. Les procédés d’extraction classiques favorisent généralement insuffisamment le transfert de matière, ce qui rend l’extraction lente et souvent incomplète. Pour améliorer l’extraction, on utilise souvent des quantités excessives de solvant, ce qui rend le procédé coûteux et polluant pour l’environnement.
 

 
Solution : L’extraction liquide-liquide par ultrasons surpasse les techniques traditionnelles d’extraction liquide-liquide sur plusieurs points :
Les ultrasons de puissance mélangent facilement et de manière fiable deux phases liquides ou plus. La sonication permet de réduire les gouttelettes à une taille nanométrique, de sorte que de fines microémulsions et nanoémulsions sont obtenues. Les forces de cavitation ainsi produites favorisent le transfert de matière entre les phases liquides. Comme la sonication peut être réalisée dans un système continu en ligne, de grands volumes et des liquides très visqueux peuvent être traités sans difficulté.
La microextraction, par exemple à des fins analytiques, peut également être améliorée par sonication (par exemple la microextraction à base de liquides ioniques avec émulsification par ultrasons).

Avantages de l’extraction par ultrasons :
Les puissantes forces ultrasonores – produites par des ultrasons de basse fréquence et de haute puissance – contribuent à

• modifier la forme des gouttelettes
• éviter les agents de transfert d’émulsion ou les catalyseurs amphiphiles
• éviter l’utilisation de détergents ou de tensioactifs
• éviter les catalyseurs amphiphiles, les détergents ou les tensioactifs
• produire des émulsions turbulentes et instables sans couches de tensioactifs

Extraction solide-liquide améliorée par les ultrasons

L’objectif de l’extraction solide-liquide ou de l’extraction en phase solide (SPE) est de séparer des analytes dissous ou en suspension dans un mélange liquide et de les isoler d’une matrice en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques. La substance isolée est donc éluée du sorbant à l’aide d’un solvant approprié. La substance extraite est appelée éluat.
Les techniques classiques de SPE comprennent la macération, l’extraction Soxhlet, la percolation, la combinaison du reflux et de la distillation à la vapeur, ou le mélange à grande vitesse / la turbo-extraction. L’extraction solide-liquide est une procédure courante pour séparer des composés en biologie, en chimie ainsi que dans les industries agroalimentaire, pharmaceutique et cosmétique. L’extraction des métaux est également appelée lixiviation.
Problème : Les techniques classiques de SPE sont connues pour être longues et nécessitent des quantités relativement importantes de solvants, qui sont généralement dangereux pour l’environnement et polluants. Des températures de traitement élevées peuvent même entraîner la destruction d’extraits thermosensibles.
Solution : L’extraction solide-liquide assistée par ultrasons permet généralement de surmonter les problèmes courants de la SPE traditionnelle. La sonication assure une dispersion fine des solides dans la phase solvant, ce qui augmente la surface interfaciale disponible et améliore le transfert de matière de la substance cible vers le solvant. Cela permet une extraction plus rapide et plus complète, tout en réduisant ou en supprimant totalement l’utilisation de solvant (en utilisant à la place de l’eau comme phase liquide). L’application d’ultrasons de puissance rend l’extraction en phase solide plus efficace, plus économique et plus respectueuse de l’environnement. Grâce à la réduction ou à l’élimination des solvants polluants ou dangereux, l’extraction par ultrasons peut être considérée comme un procédé vert respectueux de l’environnement. Sur le plan économique, les coûts du procédé sont réduits grâce aux économies d’énergie, de solvant et de temps.

Extraction par solvant assistée par ultrasons

Dans l’extraction par solvant, un solvant (par exemple un solvant organique) est utilisé pour dissoudre et séparer un composé d’un autre liquide (par exemple une phase aqueuse). En général, les solutés les plus polaires se dissolvent dans le solvant le plus polaire, et les solutés les moins polaires dans le solvant le moins polaire. L’extraction par solvant permet de séparer les thiophènes oxydés (sulfoxydes, sulfones) d’une phase huileuse à l’aide d’acétonitrile ou d’autres solvants polaires. Elle est également utilisée pour extraire des matières telles que l’uranium, le plutonium ou le thorium de solutions acides vers un organophosphate, le phosphate de tri-n-butyle (procédé PUREX).
Réduisez votre consommation de solvant : L’utilisation des ultrasons minimise la consommation de solvants dans le procédé et optimise la charge en produit dans le solvant. Elle permet également une extraction plus rapide et plus complète.
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Extraction Soxhlet assistée par ultrasons

L’extraction Soxhlet est une technique d’extraction solide-liquide fréquemment utilisée dans les laboratoires de synthèse et d’analyse. Elle est principalement employée lorsqu’une substance n’a qu’une solubilité limitée dans un solvant et que l’impureté est insoluble dans ce solvant.
Les ultrasons peuvent être combinés avec succès à l’extraction Soxhlet, ce qui augmente les rendements et raccourcit le temps d’extraction.
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Extraction dans les milieux fondus par sonication

Les extractions liquide-liquide peuvent être réalisées dans des mélanges où l’une ou les deux phases liquides sont des milieux fondus, tels que des sels fondus ou des métaux liquides, comme le mercure. Une sonication puissante en ligne dans des réacteurs à ultrasons équipés de cellules à circulation permet de traiter même des liquides très visqueux, tels que les milieux fondus.

Lixiviation assistée par ultrasons

La lixiviation désigne l’utilisation d’acides, de solvants ou d’eau chaude pour dissoudre sélectivement un soluté à partir d’un support solide inerte et insoluble. Elle est souvent utilisée dans l’industrie minière pour extraire les métaux des minerais.
Avantages de la lixiviation par ultrasons :

• nettoyer les petits orifices des matériaux poreux
• surmonter les sélectivités des membranes
• détruire, délaminer et désagglomérer les solides
• éliminer les couches passivantes
• éliminer les couches d’oxyde
• mouiller toute la surface du matériau, en particulier avec les liquides à tension superficielle élevée
• réduire la viscosité par cisaillement

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Sonicateurs Hielscher pour tous les volumes de production

Sonication à l’échelle du laboratoire, de la paillasse et de la production : tous les appareils à ultrasons Hielscher sont conçus pour fonctionner 24h/7d ; même les homogénéisateurs à ultrasons de laboratoire peuvent traiter des volumes considérables, en mode discontinu ou en circulation continue. Les appareils à ultrasons de paillasse et industriels sont conçus et fabriqués selon des standards industriels, afin de traiter sans difficulté de grands volumes et des produits très visqueux – même dans des conditions exigeantes, telles que des pressions et des températures élevées (par exemple en combinaison avec du CO2 supercritique, pour les procédés d’extrusion, etc.). Les appareils à ultrasons robustes de Hielscher peuvent traiter des solvants, des liquides abrasifs et des substances corrosives. Des accessoires adaptés permettent d’ajuster de manière optimale le système à ultrasons aux exigences du procédé d’extraction. Pour une installation dans des environnements dangereux, des systèmes à ultrasons antidéflagrants certifiés ATEX ou FM sont disponibles.
Ainsi, les sonicateurs robustes et puissants de Hielscher et la vaste gamme d’accessoires permettent de soumettre à la sonication des matières telles que l’eau ou les liquides chauds, les acides, les métaux fondus, les sels fondus et les solvants (par exemple le méthanol, l’hexane ; les solvants organiques et polaires tels que l’acétonitrile).

Schéma de procédé : étapes de l’extraction par transfert de phase par ultrasons