Bibliographie & annexes
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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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Conclusion et perspectives des ultrasons en chimie organique4. Limitations de la sonochimie
Malgré ses nombreux avantages, l’utilisation des ultrasons en chimie présente certaines contraintes et limitations inhérentes aux principes et à l’usage de la sonochimie.
4.1 Reproductibilité
Comme indiqué précédemment, la reproductibilité des résultats en sonochimie est un défi majeur en raison de la multitude de paramètres influençant les expériences. En effet, de nombreux paramètres sont à prendre en compte lors d’une expérience tels que la géométrie du réacteur utilisé, le type de sonde ou, encore, le milieu traversé par l’onde ultrasonore. La concentration en gaz dissous peut elle aussi affecter le phénomène de cavitation, essentiel aux effets sonochmiques. Pour assurer une comparaison fiable entre différentes expériences réalisées sous ultrasons, il est nécessaire d’utiliser des appareillages identiques et de décrire de manière très détaillée les conditions expérimentales. Le suivi des bonnes pratiques de laboratoire, telles qu’indiquées précédemment, est donc primordial pour la fiabilité et la reproductibilité des résultats en sonochimie organique.
HAUT DE PAGE4.2 Homogénéité du champ ultrasonore
Lors d’une expérience réalisée sous ultrasons, le champ ultrasonore présente des variations spatiales auxquelles contribue la géométrie du réacteur. Aussi, la forme du faisceau ultrasonore émis par le transducteur dépend de la distance par rapport à la source, ainsi que de sa configuration : il est alors possible de définir deux zones distinctes (figure 20), la zone de Fresnel et la zone de Fraunhofer.
Pour une source cylindrique, 90 % de l’énergie est concentrée dans une zone cylindrique, située immédiatement devant le transducteur. Elle est appelée zone de Fresnel (champ proche) et son diamètre est celui de la source.
Plus éloignée de la source et de forme conique, la zone de Fraunhofer constitue le champ lointain ; le front d’onde y est convexe et l’intensité y diminue rapidement car la surface sur laquelle elle se répartit augmente.
Cette inhomogénéité du champ ultrasonore est non seulement problématique pour la...
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Limitations de la sonochimie
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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