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RÉSUMÉ
La sonochimie exploite les processus physico-chimiques qui ont lieu sous l'action des ultrasons en solution. Ces processus sont liés à la cavitation qui implique la formation et l'implosion de microbulles de gaz dans les liquides soumis aux ondes ultrasonores. Lors de leur effondrement, ces microbulles libèrent de l'énergie sous forme d’une intense chaleur locale, comparable à la température de la surface du Soleil (~ 5000 K), de pression élevée (≤ 1000 atm), d’ondes de choc et de microcourants acoustiques. Chaque bulle de cavitation peut être comparée à un microréacteur capable d'initier des réactions chimiques sans apport extérieur de chaleur, de réactifs ou de catalyseurs. Cet article présente un panorama des principales applications de la sonochimie en chimie organique.
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Micheline DRAYE : Professeure des universités, Docteur en chimie de l’université Claude Bernard Lyon 1 - Laboratoire EDYTEM UMR CNRS 5204, Université Savoie Mont Blanc, Le Bourget du Lac, France
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Julien ESTAGER : Project Manager en intensification des procédés, Docteur en chimie de l’université Savoie Mont Blanc - Certech, Seneffe, Belgique
INTRODUCTION
Apparues pour la première fois dans le registre fossile juste après le maximum thermique du Paléocène-Éocène (–55,93 Ma), les chauves-souris produisent naturellement des ultrasons dans une gamme de fréquences allant de 30 à 80 kHz. Cependant, ce n’est qu’au début du XXe siècle que l’être humain a appris à utiliser ces vibrations de manière fiable.
Inaudibles par l’oreille humaine, les ultrasons ont été découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton (1822-1911) lors de l’invention du « sifflet à ultrasons ». Toutefois, c’est la découverte, en 1880, de la piézoélectricité par les frères Pierre (1859-1906) et Jacques (1856-1941) Curie qui a véritablement permis leur production facile et répétable, ouvrant la voie à leur utilisation pratique. Dès 1910, il a été possible de générer des ultrasons dans l’eau grâce à la disponibilité de matériaux piézoélectriques et d’appareillages électroniques puissants.
Après le drame du Titanic en 1912, Paul Langevin (1872-1946) propose leur utilisation pour la détection d’icebergs, puis, en 1915, il met au point la détection des sous-marins au moyen de ces vibrations non audibles, inaugurant ainsi leur première utilisation industrielle.
Des études en milieu aqueux permettent d’observer que les ultrasons entraînent des modifications du milieu dans lequel ils se propagent. Les travaux de Robert William Wood (1868-1955) et d’Alfred Lee Loomis (1887-1975) en biologie ainsi que de Théodore William Richards (1868-1928) et Alfred Lee Loomis en chimie sont considérés comme les premières expérimentations sonochimiques.
Cependant, ce n’est qu’à partir des années 1950, avec la mise à disposition des premiers générateurs à ultrasons fiables, que des chercheurs démontrent le potentiel des ondes ultrasonores en chimie.
Les années 1980 marquent une explosion du nombre de réactions de composés organiques réalisées dans des solvants organiques sous l’influence des ultrasons. Le terme de « sonochimie » est alors utilisé la première fois par Neppiras dans une revue consacrée à la cavitation.
Avec l’essor de la chimie durable, les propriétés remarquables des ultrasons placent la sonochimie au premier plan des technologies innovantes et durables, en proposant des solutions efficaces, plus respectueuses de l’environnement et en adéquation avec les exigences environnementales et industrielles actuelles.
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- Version archivée 1 de mai 2009 par Micheline DRAYE, Julien ESTAGER, Max MALACRIA, Jean-Philippe GODDARD, Cyril OLLIVIER
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Application à la synthèse organique2. Équipement de laboratoire et équipement industriel
Les ultrasons sont générés à l’aide de convertisseurs mécaniques, piézoélectriques ou magnétostrictifs appelés transducteurs :
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les convertisseurs mécaniques transforment l’énergie de circulation d’un liquide en vibrations mécaniques ;
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les convertisseurs piézoélectriques, également appelés transducteurs, se déforment sous l’effet d’une tension électrique alternative, produisant ainsi des vibrations mécaniques ;
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les convertisseurs magnétostrictifs fonctionnent de manière similaire, mais leur déformation est induite par un champ magnétique généré par un courant électrique alternatif.
Ces vibrations ultrasonores, une fois couplées aux autres éléments du système, sont transmises au réacteur contenant au moins une phase liquide.
Les transducteurs (figure 3) sont composés de matériaux piézoélectriques, qui seront décrits dans cette section, ainsi que les appareils qu’ils équipent.
Les transducteurs sont fabriqués à partir de monocristaux naturels ou synthétiques, comme le quartz, ou de céramiques en titanate de baryum ou en titano-zirconate de plomb (PZT) de formule chimique Pb(ZrxTi1–x)O3, qui sont fortement piézoélectriques et facilement usinables. Ils se présentent le plus souvent sous forme de disques, de plaques ou d’anneaux, sur les faces desquels sont fixées deux électrodes métallisées et utilisent l’effet piézoélectrique inverse des matériaux qui les constituent. Sous l’effet d’une tension électrique appliquée aux électrodes, le matériau se dilate ou se comprime en fonction de la polarisation de la céramique.
Ainsi, l’épaisseur de la céramique augmente si le champ électrique appliqué est dans le même sens que le champ électrique de polarisation de la céramique. Si l’on inverse le sens du champ électrique, l’allongement change de signe, c’est-à-dire que l’on passe d’une dilatation à une compression. Ces variations, de l’ordre de quelques micromètres, peuvent cependant être trop faibles pour produire des effets significatifs dans le réacteur. Pour les amplifier jusqu’à plusieurs dizaines de micromètres, les matériaux piézoélectriques...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - THORNICROFT (J.), BARNABY (S.W.) - Torpedo-boat destroyers. – - Minutes Proc. Inst. Civil. Engineers 122, p. 51-69 (1895).
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(2) - BROTCHIE (A.), GRIESER (F.), ASHOKKUMAR (M.) - Effect of Power and Frequency on Bubble-Size Distributions in Acoustic Cavitation. – - Phys. Rev. Lett. 102, p. 084302 (2009).
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(3) - YASUI (K.), TUZIUTI (T.), LEE (J.), KOZUKA (T.), TOWATA (A.), LIDA (Y.) - Numerical simulations of acoustic cavitation noise with temporal fluctuation in the number of bubbles. – - Ultrasonics Sonochem. 17, p. 460-472 (2010).
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(4) - SUSLICK (K.S.) - The chemical effects of ultrasound. - Scientific American 260, p. 80-86 (1989).
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(5) - LAUGIER (F.) - Les ultrasons en procédés polyphasiques : transfert gaz-liquide et réaction liquide-liquide. – - Thèse de doctorat, Institut Polytechnique de Toulouse, p. 10 (2007).
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