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1 - PRINCIPE DE LA SONOCHIMIE

2 - RECHERCHES ET ENJEUX ASSOCIÉS

3 - ÉVOLUTION DES ÉQUIPEMENTS ET MONTÉE EN ÉCHELLE

4 - SONOCHIMIE FRANÇAISE, PIONNIÈRE ET INNOVANTE

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

7 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : J8200 v1

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Sonochimie : innovations et enjeux

Auteur(s) : Grégory CHATEL

Relu et validé le 23 nov. 2023

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RÉSUMÉ

L’utilisation des ultrasons de puissance en chimie repose sur les effets physicochimiques provoqués par le phénomène de cavitation acoustique. Après une description des principes théoriques de la sonochimie, cet article démontre l’intérêt d’utiliser cette technologie d’activation non conventionnelle à travers de récents exemples de réactions et procédés innovants en chimie organique, en chimie des matériaux, en catalyse, en polymères, en extraction, etc. L’évolution des équipements et les enjeux liés à la montée en échelle sont ensuite décrits. Enfin, la place particulière de la sonochimie française est abordée d’un point de vue historique et structurelle de la recherche dans le domaine.

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ABSTRACT

Sonochemistry: innovations and challenges

The use of power ultrasound in chemistry is based on the physicochemical effects caused by the phenomenon of acoustic cavitation. After a description of the theoretical principles of sonochemistry, this article demonstrates the interest of using this unconventional activation technology through recent examples of reactions and processes in organic chemistry, materials chemistry, catalysis, polymers, extraction, etc. The evolution of equipment and the issues related to scaling-up are then described. Finally, the particular place of French sonochemistry is approached from a historical and structural point of view of research in the field.

Auteur(s)

  • Grégory CHATEL : Maître de conférences HDR - Laboratoire EDYTEM, Univ. Savoie Mont Blanc/CNRS, Chambéry, France

INTRODUCTION

Les ultrasons sont des ondes sonores qui se propagent grâce à l’élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales alternant les zones de compression et de dilatation du milieu traversé. Comme toutes les ondes, les ultrasons sont caractérisés par une période (T, exprimée en secondes) désignant le temps nécessaire à une oscillation, et une fréquence (f, exprimée en Hertz) qui définit le nombre de périodes par unité de temps. La gamme de fréquences des ultrasons se situe entre 20 kHz et 200 MHz, au-dessus des fréquences du domaine de l’audible, mais peut être divisée en deux régions distinctes : les ultrasons de diagnostics (entre 2 et 200 MHz), utilisés en imagerie médicale notamment, et les ultrasons de puissance (entre 20 kHz et 2 MHz) utilisés en chimie et qui font l’objet de cet article.

Les effets des ultrasons sont à l’origine du phénomène de cavitation qui se définit par la formation, la croissance et l'effondrement de microbulles gazeuses en phase liquide. Les effets locaux intenses dus à l'effondrement brutal de ces bulles de cavitation sont à l'origine de toutes les applications de la sonochimie. Ces conditions extrêmes, à la fois physiques (ondes de choc, microjets, phénomène de microconvection, microémulsion, etc.), thermiques (températures supérieures à quelques milliers de degrés au cœur de la bulle de cavitation) et chimiques (production d’espèces radicalaires en solution) conduisent parfois à de plus grandes efficacités de transformation de molécules, matériaux ou polymères, mais aussi à de nouvelles réactivités ou fonctionnalisations, parfois complètement inattendues par rapport à des conditions plus classiques. Ces résultats uniques constituent un atout de taille pour le développement de potentielles futures innovations impliquant l’utilisation des ultrasons.

En effet, l’industrie chimique est confrontée à de nouveaux enjeux et à la nécessité de faire émerger de nouvelles innovations technologiques, à la fois pour réduire les impacts environnementaux des procédés mais aussi pour augmenter la productivité. Ainsi, la chimie fait de plus en plus appel à des méthodes d’activation physique et des technologies de rupture mettant en œuvre les ultrasons, mais aussi les micro-ondes, le plasma froid, le broyage réactif, les fluides supercritiques ou d’autres. Ces technologies avancées permettant notamment l’activation de synthèses chimiques ou de préparations de matériaux, ou encore de nouvelles applications en écoextraction, dans la valorisation de biomasses et de déchets, ou dans le secteur de la dépollution d’effluents liquides. L’utilisation des ondes ultrasonores peut donc jouer un rôle clé en termes d’innovation dans différentes applications dans un contexte de chimie verte et de décarbonation de l’industrie.

Cet article explique dans les grandes lignes le principe de la sonochimie en détaillant les différents paramètres influençant les phénomènes associés et en discutant la contribution de cette technologie à une chimie plus verte. Les recherches de ces dernières années dans le domaine sont ensuite abordées pour montrer les enjeux actuels de la sonochimie dans différents champs d’application. L’évolution des équipements et de l’industrialisation des procédés sonochimiques est ensuite discutée. Enfin, après un bref historique sur le développement de la sonochimie, la structuration du paysage français des sonochimistes est également décrite. L’article conclut sur une série de recommandations dans le cadre de l’utilisation des ultrasons en chimie.

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KEYWORDS

applications   |   ultrasound   |   Green chemistry

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j8200


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2. Recherches et enjeux associés

2.1 Innovations dans la préparation de matériaux et polymères

Les effets mécaniques des ultrasons ont été largement étudiés ces dernières années pour la préparation de catalyseurs et de matériaux mais également pour la synthèse et la dépolymérisation/dégradation de polymères .

En effet, les ultrasons ont été largement utilisés à l’échelle laboratoire pour modifier les propriétés de poudres et de surfaces de solides : activation de métaux solides par les effets de la cavitation pour réduire les tailles de particules et dépassiver la surface pour la rendre plus réactive ; fonctionnalisation de métaux et nanomatériaux composites ; actions de délaminage et d’exfoliation de solides stratifiés ; cristallisation sous ultrasons pour réduire le temps de nucléation et mieux contrôler la taille des cristaux formés ; etc. . La préparation de nanoparticules sous ultrasons présente également des avantages en termes de distributions de taille et de propriétés colloïdales. Globalement, l'utilisation des ultrasons permet de réduire le temps de préparation et la quantité de solvant engagée, mais aussi de changer la nature, la taille, la structure et/ou la distribution des particules préparées. De plus, les ultrasons permettent parfois de synthétiser des matériaux présentant de nouvelles...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PETRIER (C.), GONDREXON (N.), BOLDO (P.) -   Ultrasons et sonochimie.  -  Techniques de l’ingénieur [AF 6 310] (2008).

  • (2) - SUSLICK (K.S.), HAMMERTON (D.A.), JR CLINE (R.E.) -   The sonochemical hot-spot.  -  J. Am. Chem. Soc., p. 5641-5642 (1986).

  • (3) - NIKITENKO (S.I.) -   Plasma formation during acoustic cavitation : toward a new paradigm for sonochemistry.  -  Adv. Phys. Chem. ID 173878 (2014).

  • (4) - MARGULIS (M.A.) -   Sonochemistry and cavitation.  -  Gordon and Breach Publishers (1995).

  • (5) - BLAKE (F.G.) -   Onset of cavitation in liquids.  -  Acoustics Research Laboratory, Harvard University (1949).

  • (6) - MARTINEZ (J.M.), DELSO (C.), AGUILAR (D.E.), ALVAREZ (I.), RASO (J.) -   Organic-solvent-free extraction of...

1 Brevets

Dispositif d’extraction solide/liquide par irradiation ultrasonore radiale, et procédé d’extraction associé, WO2021250251A1.

Sonochemistry US20080217160A1.

Revêtement sonochimique de surfaces comportant des particules superhydrophobes, WO2019102459.

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

R.E.U.S :

https://www.etsreus.com/

SINAPTEC :

https://www.sinaptec.fr/

Hielscher Ultrasonics :

https://www.hielscher.com/fr/

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2.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)

GDR CAVITATION :

https://gdr-cavitation.cnrs.fr/...

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