Activité sonochimique et taille des bulles acoustiques en solutions aqueuses

La cavitation acoustique définie comme la formation, la croissance et l’effondrement de bulles de gaz et/ou de vapeurs dans un liquide soumis aux ultrasons est à l’origine des réactions chimiques (sonochimie) via la génération de conditions extrêmes lors de l’effondrement des bulles [1]. Des températures de quelques milliers de Kelvin et des pressions de quelques centaines d’atmosphères sont atteintes au cœur des bulles (les principaux travaux et les températures maximales estimées au moment de l’implosion au cours des dernières années sont présentés sur la Figure 1) [2]. Dans ces conditions, les liaisons chimiques des molécules volatiles présentes dans les bulles peuvent être rompues, formant, dans le cas de solutions aqueuses, des radicaux •OH et H• [15,16]. Ces radicaux peuvent être associés avec d’autres molécules et atomes présents dans la bulle pour former d’autres espèces réactives telles que HO2•, O et H2O2 [17]. Les radicaux ainsi formés peuvent diffusés de la bulle à la solution pour servir comme oxydants [17]. Par ailleurs, l’effondrement violent des bulles de cavitation peut être accompagné par l’émission de lumière, la SonoLuminescence (SL) [18]. Il existe deux types de sonoluminescence : la sonoluminescence émise par une seule bulle (Single Bubble Sonoluminescence, SBSL) et la sonoluminescence émise par plusieurs bulles (Multibubble Sonoluminescence, MBSL) [14]. Cette émission lumineuse est formée d’un continuum de l’ultraviolet au proche infrarouge [14,18]. L’effondrement de la bulle engendre de plus une onde de choc violente qui est capable d’endommager des structures solides, des macromolécules et des structures biologiques (cellules, tissus) [19,20].

Malgré l’utilisation des ultrasons et de la sonochimie dans une variété d’applications (nettoyage, extraction, émulsification, dégradation des polluants, synthèse organique et inorganique, biologie,… [20]), les études consacrées à la compréhension des caractéristiques fondamentales des bulles de cavitation acoustique sont très limitées. Les bulles de cavitation acoustique peuvent être caractérisées par la dynamique d’oscillation (y compris la taille des bulles) et les températures et les pressions maximales développées dans les cavités suite à l’effondrement [21]. Ces aspects fondamentaux peuvent être étudiés théoriquement et expérimentalement pour un système à bulle unique. Dans le cadre de la présente thèse, un modèle théorique, qui combine la dynamique d’oscillation d’une bulle isolée de cavitation acoustique avec un modèle de cinétique chimique consistant en une série de réactions chimiques se déroulant à l’intérieur de la bulle au moment de l’implosion, est utilisé pour étudier quelques aspects fondamentaux des bulles de cavitation acoustique. Ceci inclut la production des radicauxlibres, la taille et l’énergie des bulles actives et les températures et pressions maximales développées dans les bulles actives suite à leur implosion.

Procédure de la simulation numérique

Les simulations numériques des réactions chimiques (Tableau I.1) débutent par la phase adiabatique. Les données d’entrée pour le calcul numérique du système réactionnel sont la composition de la bulle en vapeur et en oxygène au temps où R=Rmax, les profils temporels de température et de pression dans la bulle durant la phase adiabatique et la durée d’implosion. Ces paramètres sont obtenus lors de la résolution numérique de l’équation de la dynamique . L’implosion engendre une augmentation de la température de la bulle ce qui mène à l’évolution du système réactionnel et ainsi à la formation des radicaux à partir de la dissociation thermique des molécules de H2O et d’O2 et de leurs réactions associées à l’intérieur de la bulle de cavitation. Ainsi, la composition de la bulle en toutes espèces chimiques susceptibles d’être présentes dans la bulle (O2, H2O, •OH, H•, O, HO2•, H2 et H2O2) est déterminée à n’importe quel temps t de la phase adiabatique (phase d’implosion). Les simulations numériques des réactions chimiques (Tableau I.1) sont arrêtées après la fin de l’implosion de la bulle.

Résultats et discussion

De nombreux travaux expérimentaux ont établi que l’optimum de fréquence à appliquer pour la sonochimie se situe autour de 300 kHz [43–48] du fait que les vitesses d’oxydation dans cette gamme de fréquence sont élevées et la production de peroxyde d’hydrogène est maximale. Dans cette étude, les simulations numériques sont conduites à une fréquence de 300 kHz.

Dynamique de la bulle

L’évolution théorique du rayon de la bulle pendant un cycle acoustique (3,3 µs) sous l’action d’une onde ultrasonore de 300 kHz de fréquence et de 2,5 atm d’amplitude acoustique est présentée sur la Figure I.1. Le rayon ambiant de la bulle, R0, est fixé à 5,25 µm [49]. Durant la phase de raréfaction, il est observé qu’au fur et à mesure que la pression du liquide diminue, la bulle se dilate jusqu’à environ 3,4 fois son rayon initial (le rayon maximal Rmax est de 17,9 µm), ce qui correspond à une augmentation d’environ 40 fois son volume initial. Pendant la phase de compression de l’onde ultrasonore, la bulle cesse de croître au début et puis elle s’effondre violentement jusqu’à environ 7 %de son rayon maximal (le rayon minimal Rmin est de 1,49 µm). La durée d’expansion de la bulle est environ trois fois plus grande que celle de l’implosion. A la fin de l’implosion, des conditions extrêmes de pression et de température sont développées à l’intérieur de la bulle.

Analyse chimique

L’analyse chimique effectuée  que les •OH sont formés dans la bulle principalement par les réactions H2O+M→H•+•OH+M, H2O2+M→2•OH et HO2•+O→•OH+O2 et consommés surtout par les réactions 2 •OH→O+H2O, HO2•+•OH→H2O+O2 et •OH+M→H•+O+M. Les atomes d’oxygène sont créés principalement par 2•OH→O+H2O et •OH+M→H•+O+M et consommés surtout par O+•OH→O2+H•, HO2•+O→•OH+O2 et 2O+M→O2+M. Les radicaux HO2• sont créés à partir de H+O2+M→HO2•+M et consommés principalement par les réactions HO2•+•OH→H2O+O2, O+HO2•→•OH+O2, 2HO2•→H2O2+O2 et 2HO2•+H•→H2O2+•OH. Les radicaux H• sont formés par H2O+M→H•+•OH+M, O+•OH→O2+H• et •OH+M→O+H•+M et consommés par H•+O2+M→HO2•+M. L’hydrogène H2 n’est pas formé par recombinaison des radicaux H• (H•+H•+M→H2+M) comme il est rapporté dans la littérature, mais à partir de la réaction H•+•OH→ H2+O et consommé principalement par •OH+H2→H•+H2O.

Effet de l’amplitude acoustique

Des simulations numériques des réactions chimiques se déroulant dans la bulle ont été effectuées à 300 kHz pour plusieurs amplitudes acoustiques (1,5, 2, 2,5 et 3 atm) où la pression statique et la température du liquide sont de 1 atm et 20 °C respectivement. Selon certaines études expérimentales [52,53], le rayon ambiant (R0) d’une bulle active dépend fortement de l’amplitude acoustique et les résultats de ces études ont montré que R0 d’une bulle active augmente lorsque l’amplitude acoustique augmente. Dans notre précédent travail [49], nous avons étudié en détail l’effet de la fréquence ultrasonore et de l’amplitude acoustique sur le rayon ambiant (R0) pour une bulle d’oxygène en utilisant le même modèle adopté dans cette étude. Les résultats obtenus ont été en bon accord avec les observations expérimentales. Ainsi, dans les présentes simulations numériques, le rayon ambiant (R0) a été choisi en fonction de l’amplitude acoustique selon notre étude précédente [49]. Les valeurs sélectionnées sont de 3,5 µm pour 1,5 atm, 4,25 µm pour 2 atm, 5,25 µm pour 2,5 atm et 6 µm pour 3 atm. À notre connaissance, cette approche de variation de R0 avec l’amplitude acoustique a rarement été utilisée dans les calculs numériques existants.

Malheureusement, une comparaison directe entre les résultats de ce modèle établi sur la base d’une bulle unique et les résultats expérimentaux obtenus en solution (système à multibulles) est impossible. Ceci est dû à la complexité du système à multibulles qui inclut des phénomènes d’interactions bulle-bulle (coalescence, clusters,…etc,) qui ne sont pas pris en compte dans cette étude de simulation numérique. Néanmoins, la tendance globale obtenue est en accord avec celle obtenue en solutions. Plusieurs travaux expérimentaux ont rapporté que l’activité sonochimique est nettement améliorée lorsque la puissance ultrasonore (ou acoustique) augmente. Par exemple, Koda et al. [47] ont analysé la variation de l’efficacité sonochimique dans plusieurs réacteurs ultrasonores opérant à différentes fréquences (25–1200 kHz) et diverses puissances électriques (35–220 W). Leurs résultats ont montré que dans toutes les conditions de sonolyse, l’activité sonochimique, quantifiée par les dosimétries sonochimiques, augmente de façon linéaire avec l’augmentation de la puissance. Dans nos précédents travaux [54], nous avons trouvé à 300 kHz que la vitesse de production de I3ˉ, Fe3+ et de H2O2 en solutions aqueuses augmente avec l’augmentation de la puissance acoustique dans l’intervalle 17,7 à 25,5 W. Mark et al. [55] ont mesuré la production sonochimique des •OH en fonction de la puissance électrique. Ils ont trouvé que la production des •OH augmente avec la puissance jusqu’à atteindre un plateau. Kanthale et al. [56] ont montré que la production de H2O2 ainsi que l’intensité de sonoluminescence dans l’eau pure augmentent avec la puissance acoustique (2–20 W) pour toutes les fréquences d’irradiation utilisées (213, 355, 647 et 1056 kHz).

Table des matières

INTRODUCTION
Références bibliographiques
CHAPITRE I SIMULATION PAR ORDINATEUR DES REACTIONS CHIMIQUES SE DEROULANT DANS UNE BULLE DE CAVITATION ACOUSTIQUE : DEPENDANCE DE LA PRODUCTION DES RADICAUX LIBRES AUX CONDITIONS OPERATOIRES
Introduction
I.1 Modèle
I.1.1. Modèle de la dynamique
I.1.2. Modèle de la cinétique chimique
I.1.3. Procédure de la simulation numérique
I.2. Résultats et discussion
I.2.1. Dynamique de la bulle
I.2.2. Production des oxydants
I.2.3. Analyse chimique
I.2.4. Effet de l’amplitude acoustique
I.2.5. Effet de la pression statique
I.2.6. Effet de la température du liquide
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE II EFFETS DE LA FREQUENCE ULTRASONORE ET DE L’AMPLITUDE ACOUSTIQUE SUR LA TAILLE DES BULLES SONOCHIMIQUEMENT ACTIVES : ETUDE THEORIQUE
Introduction
II.1 Modèle
II.2. Résultats et discussion
II.2.1. Effet du rayon ambiant sur la production des oxydants
II.2.2. Effet de la fréquence ultrasonore sur la taille des bulles actives
II.2.3. Effet de l’amplitude acoustique sur la taille des bulles actives
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE III ESTIMATION THEORIQUE DE LA TEMPERATURE ET LA PRESSION A L’INTERIEUR D’UNE BULLE DE CAVITATION ACOUSTIQUE
Introduction
III.1. Modèle
III.2. Résultats et discussion
III.2.1. Température et pression optimales pour la production des radicaux •OH
Conclusion
Références bibliographiques
CHAPITRE IV ANALYSE ENERGETIQUE D’UNE BULLE DE CAVITATION ACOUSTIQUE : RELATION ENTRE L’ENERGIE DE LA BULLE ET LES PARAMETRES SONOCHIMIQUES
Introduction
IV.1. Modèle
IV.2. Résultats et discussion
IV.2.1. Dynamique de la bulle et analyse énergétique
IV.2.2. Effet de l’amplitude acoustique
IV.2.3. Effet de la fréquence ultrasonore
IV.2.4. Effet de la pression statique
IV.2.5. Effet de la température du liquide
Conclusion
Références bibliographiques
CONCLUSION GENERALE
ANNEXES

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