Jean-Luc Dion, ing., D. Sc. [1]
Professeur titulaire retraité - Département de Génie électrique et Génie informatique
Université du Québec à Trois-Rivières
Vice-président de SonerTec inc.
Avril 2008
Version française de : « Contamination-free high capacity converging
waves sonoreactors for the chemical industry »
Ultrasonics
Sonochemistry, Volume 16, no 2, Février 2009, Pages
212-220
Table des matières
1. Introduction
2. Les sonoréacteurs connus. 3
3. Un système de sonoréacteur unique. 3
4. Des ondes convergentes... 4
5. Fonctionner sous pression. 7
6. Les systèmes en fonction. 8
7. L’effet puissant de la cavitation acoustique confinée. 10
8. Détermination des conditions de traitement. 13
9. Versatilité. 14
10. Domaines d’applications démontrés et marché. 14
11. Efficacité. 17
12. Capacité de traitement. 18
13. Coût de fonctionnement. 18
14. Conclusions
Nous présentons ici une nouvelle technique exclusive de
sonoréacteur qui ouvre de vastes perspectives dans divers champs des industries
chimique et pharmaceutique, en rendant possibles à l’échelle industrielle les
applications connues de la sonochimie. Ces systèmes uniques utilisent de
puissantes ondes ultrasonores convergentes
dans un tube de polymère qui produisent une zone de cavitation acoustique
concentrique et confinée, relativement grande dans les liquides ou réactifs en
circulation. Il est bien connu que de nombreuses réactions chimiques sont
fortement accélérées en présence de cavitation acoustique. Les nouveaux
sonoréacteurs cylindriques ne contaminent pas les réactifs comme dans les
autres appareils. D’autre part, ils peuvent servir efficacement à la production
de nanoparticules et nanofibres, au désencrage et au blanchiment des pâtes à
papier, à la dégradation des boues, à la décontamination de l’eau, etc. Les
conditions de fonctionnement peuvent varier largement selon la puissance, la
pression, la température, les gaz en solution et le débit. La capacité de
traitement du modèle industriel peut être de plusieurs tonnes à l’heure, avec
une puissance électrique de 50 kW à l’entrée.
Depuis que Richards et Loomis ont rapporté les premiers
effets chimiques de la cavitation acoustique en 1927 [], les attentes de l’industrie chimique n’ont cessé de
croître, surtout au cours des vingt dernières années, mais sans être
satisfaites. Au cours de cette période, de très nombreuses publications ont
démontré que beaucoup de procédés chimiques pouvaient être considérablement
activés en présence de cavitation acoustique surtout dans le domaine de la
chimie organique [], de la cristallisation [], et de la pharmacologie []. Suslick a observé que la cavitation acoustique pouvait
accélérer certaines réactions par un facteur de 100 000 [] ! L’effet catalytique de la cavitation ultrasonore est
maintenant bien démontré [].
De nombreuses autres applications sont maintenant
démontrées, par exemple : l’extraction de molécules bioactives à partir de
plantes et de résidus animaux [], la production de nanoparticules [], la dégradation des boues [], la décontamination de l’eau [], etc.
Le très lent développement des applications industrielles de
la sonochimie a deux causes principales liées aux sonoréacteurs existants avant
ceux de SonerTec. Premièrement, la
cavitation acoustique est un phénomène très violent qui se produit sur les
surfaces métalliques vibrantes de la plupart des sonoréacteurs, ce qui produit
l’érosion de ces surfaces avec dégagement de métaux contaminants. Même les sonotrodes en titane sont érodées !
Cette contamination interdit donc leur utilisation dans la plupart des procédés
de chimie fine. Deuxièmement, ces sonoréacteurs n’ont pas la capacité de
traiter de grandes quantités de liquides.
Alors, faute de sonoréacteurs appropriés, il n’existe actuellement
que peu d’applications industrielles à petite échelle, surtout pour la
cristallisation, le mélange de produits, etc. [,]. Le vaste domaine des procédés chimiques industriels est
essentiellement inoccupé. Mais, les choses pourraient changer, nous l’espérons,
avec le nouveau type de sonoréacteurs cylindriques à ondes convergentes mis au
point par SonerTec, une entreprise du
Québec.
La figure 1 tirée du site de la société Hielscher [] montre le principe de ses sonoréacteurs, qui s’apparentent
à tous les autres, sauf ceux de SonerTec,
et illustre clairement ces deux derniers points. Cette photo est celle d’un
montage spécial où l’enveloppe d’un sonoréacteur conventionnel est
transparente. Elle entoure la sonotrode qui est le cylindre concentrique qu’on
distingue. À gauche, des éléments piézoélectriques moteurs sont excités par un
courant électrique à une fréquence telle que le cylindrique vibre dans un de
ses modes de résonance longitudinaux. On observe que la cavitation (zones
claires) ne se produit qu’en certaines zones de volume relativement faible.
Comme le montre la figure 2, la cavitation acoustique est induite aux points où
le déplacement est élevé (extrémité A) ou maximal (contours B). Il n’y en a pas
là où la vibration est minimale ou faible : les régions C. Comme les ondes
produites sont divergentes, leur intensité diminue rapidement avec
l’éloignement de la sonotrode. On comprend alors que la cavitation ne se
produise qu’au voisinage immédiat de la surface vibrante, ce qui entraîne
l’érosion de cette surface et un faible volume de traitement. On observe de
plus que la cavitation ne se produit que le long de certaines lignes de forme
arbitraire, pratiquement toujours aux mêmes endroits. Le volume actif des zones
de cavitation est donc relativement faible.
Figure 1 - Cavitation sur une
sonotrode conventionnelle. | 
Figure 2 - Principe de la sonotrode conventionnelle. |
Nous décrirons ici un type de
sonoréacteurs entièrement nouveaux qui diffèrent de tous les autres dans leurs
principes de fonctionnement. Deux modèles existent présentement avec
d’importantes capacités de traitement : un de 5 kW, et un de 50 kW. Ces
sonoréacteurs sont particulièrement adaptés aux procédés chimiques du fait
qu’ils ne contaminent pas les réactifs par des produits d’érosion comme les
autres []. La raison en est que la puissante zone de cavitation
produit sous pression est confinée hors de la paroi d’un tube de PTFE (polytétrafluoroéthylène ou Téflonmd) qui transmet
l’énergie acoustique dans le liquide en circulation libre (figure 3). Comme on
l’a vu plus haut, les sonotrodes des autres sonoréacteurs sont graduellement
détruites par la cavitation qui se produit sur leur surface et doivent être
remplacées périodiquement. De plus, dans la plupart des configurations, le
liquide doit changer de direction plusieurs fois au cours du transit, ce qui
n’est pas l’idéal pour les liquides épais et les boues [].
Une caractéristique exclusive et brevetée des sonoréacteurs
de SonerTec est schématisée dans la
figure 3 []. Des transducteurs piézoélectriques spéciaux en forme de
barres prismatiques Tr produisent des ondes ultrasonores quasi-cylindriques convergentes
dans le liquide sous pression circulant dans le tube central de traitement T.
Ainsi, l’intensité acoustique est normalement maximale au centre du tube où la
cavitation commence quand la puissance fournie atteint un certain seuil. Cette
réalisation résulte d’un concept initial longuement simulé avec le logiciel Atila, un code de calcul par éléments
finis, en 2 ou 3 dimensions, de structures électromécaniques comportant des
éléments piézoélectriques ou magnétostrictifs []. Les calculs ont été faits en deux dimensions pour un
ensemble formé d’un transducteur appliqué sur une section de tube limitant un
milieu infini. C’est une approximation valide du fait que, en régime de
cavitation, la zone de cavitation absorbe presque totalement l’énergie acoustique.
La conception mécanique du sonoréacteur est telle que les douze transducteurs
spéciaux sont appliqués uniformément sur le tube et que leur poussée est
partiellement équilibrée par la pression du liquide circulant dans le tube.
|
Figure
3 Coupe schématique du sonoréacteur à
ondes convergentes.
|
Figure
4 Zone de cavitation dans le
sonoréacteur SR-31..
|
Par conséquent, la zone de cavitation cylindrique est concentrique au tube comme le montre la figure 4.
Cette photo est tirée d’une vidéo tournée à travers le hublot du modèle SR-31
dans de l’eau en circulation. Cette cavitation est produite avec une puissance
d’entrée de 4 kW à 45 kHz, sous une pression de 4 bars (400 kPa). La photo
montre clairement que la zone de cavitation est confinée, à l’écart de la paroi du tube : une caractéristique exclusive des
sonoréacteurs de SonerTec. Le
diamètre interne du tube de ce modèle est de 75 mm. Le diamètre relatif de la
zone de cavitation et sa distribution sur le rayon dépendent, d’une façon
complexe, particulièrement de la puissance, de la fréquence, de la viscosité et
de la pression du liquide. À certaines
conditions, l’intensité peut même être inférieure au centre, du fait que la
cavitation dans une zone annulaire absorbe fortement l’énergie
acoustique : un genre de « trou noir » pour l’énergie
acoustique… Chaque procédé requiert des conditions optimales.
Il est impossible de mesurer l’amplitude de vibration à la
surface du tube. Mais on peut la déduire approximativement à partir de la
mesure de la puissance acoustique de cavitation dissipée en chaleur dans le
liquide. C’est cette puissance qui est importante. La symétrie circulaire de la
zone de cavitation (fig. 4) et l’érosion produite sur des lames d’aluminium
(fig. 9-10) indiquent de faibles différences de phase entre les surfaces des
transducteurs adjacents : probablement moins de 60°. Ceci s’explique par
la qualité de l’adaptation de l’impédance acoustique des transducteurs à celle
présenté par le tube et le liquide, une caractéristique exclusive du système.
La zone de la figure 4 paraît noire du fait que la lumière
venant du fond est bloquée par les milliers de bulles de cavitation par cm3
qui se forment, oscillent pendant quelques périodes et implosent violemment. La
compression adiabatique des gaz résiduels dans les bulles produit des ondes de
choc dont la pression peut dépasser 1000
bars et des températures locales supérieures à 5000 K selon Suslick [] : il y a formation d’un plasma.
La conception de la structure et des transducteurs requis
pour produire ces ondes cylindriques a constitué un défi très intéressant. On
peut mentionner que cela requiert un assez grand nombre de céramiques piézoélectriques.
Ainsi, pour produire une grande puissance totale, chaque céramique ne fournit
qu’une faible fraction de sa puissance maximale et chauffe relativement peu. En
fait la température de l’huile servant au refroidissement est facilement maintenue
à moins de 50°C. La vie utile des céramiques et du sonoréacteur est donc
beaucoup plus longue que dans les appareils piézoélectriques courants.
On observe que les bulles se forment en amas et en filaments
violemment agités qui rayonnent à partir du centre, avec l’apparence de l’effet
couronne en haute tension électrique (figure 4). Ceci est accompagné d’un bruit
typique de cavitation perçu à travers à structure massive en acier et aluminium
du sonoréacteur. On obtient une variété de conditions de traitement en variant
la pression et la puissance fournie, qui entraînent une variation du volume
relatif de la zone de cavitation sans jamais détruire la paroi du tube ou
libérer des contaminants. L’étendue et la distribution d’intensité de la
cavitation selon le rayon sont des fonctions non linéaires de la puissance
fournie, de la pression, de la température, de la nature du liquide traité, de
sa viscosité, de la concentration du gaz en solution, etc.
C’est dans cette zone de cavitation que se produisent les
réactions physico-chimiques intéressantes. On sait maintenant que les
conditions extrêmes créées permettent de dissocier n’importe quelle molécule
organique et de produire des radicaux libres très actifs, particulièrement dans
l’eau. Il a même été rapporté par Taleyarkhan, Lahey et al. qu’il peut y avoir fusion thermonucléaire dans un liquide
contenant du deutérium [,]. Cette démonstration a été faite avec un petit montage de
laboratoire à la pression atmosphérique!
Dans les nouveaux sonoréacteurs de SonerTec, les liquides circulent librement, sans obstructions comme
dans la plupart des autres systèmes []. Le débit peut ainsi être très élevé, si désiré. Par
exemple, un fort débit peut être requis pour des procédés en cuvée requérant
plusieurs passages dans le sonoréacteur pour maximiser le traitement. Comme
dans les autres sonoréacteurs, une partie du liquide peut ne pas circuler dans
la zone de cavitation au cours d’un seul passage. Toutefois, le volume relatif
de la zone confinée des appareils SonerTec
est élevé par rapport à celui des autres systèmes. Comparer les figures 4 et 1,
et [].
Une autre caractéristique exclusive des sonoréacteurs de SonerTec est leur capacité de
fonctionner avec des liquides sous des pressions de plusieurs atmosphères, où
l’intensité de la cavitation acoustique, pour la même puissance électrique
fournie, peut être des centaines de fois supérieure à celle qu’on observe à la pression atmosphérique,
sans autodestruction. Ce phénomène a été démontré au début des années 1960 dans
l’ancienne URSS, grâce aux travaux de Sirotyuk []. On a étudié l’effet de la pression en mesurant la masse
d’aluminium dégagée par cavitation d’un petit bloc d’aluminium placée au foyer d’un
dispositif hémisphérique produisant des ondes quasi-sphériques convergentes.
Par exemple, il a été démontré que l’intensité de cavitation à 4 bars (400 kPA)
était environ 40 fois supérieure à celle mesurée à la pression atmosphérique
(100 kPA), ce rapport étant encore plus élevé pour une plus grande puissance à l’entrée
(figure 5). Comme nous le verrons aussi dans d’autres figures, cette méthode de
mesure par érosion est simple et pratique pour comparer les effets de la
cavitation acoustique.
Plus récemment, Matula et Crum ont observe qu’une
augmentation de la pression hydrostatique dans une solution pouvait accroître
de deux ordres de grandeur la sonoluminescence, mais ils ne connaissaient
apparemment pas les travaux de Sirotyuk [].
Ce phénomène a inspiré la conception des sonoréacteurs de SonerTec, et ils ont été fabriqués pour
fonctionner normalement à des pressions supérieures à la pression
atmosphériques où la cavitation est vraiment efficace. Les modèles actuels
peuvent fonctionner avec une pression de 6 bars (600 kPa). Dans l’avenir, cette
pression pourra être portée à des pressions bien supérieures, comme 50 bars (5
MPa) où l’activité de cavitation peut être des
milliers de fois supérieure à celle mesurée à 1 bar. Ceci peut être
particulièrement utile pour la décontamination de grandes quantités d’eau ou la
dégradation efficace des boues. En effet, par exemple, un nombre considérable
de publications rapportent que la cavitation acoustique peut être utilisée pour
réduire radicalement la concentration d’une foule de polluants chlorés et
fluorés jusqu’à moins de 1 ppm [,]. Une cavitation très énergique est particulièrement
efficace avec de l’eau fortement contaminée.
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Figure 5 Effet de la pression hydrostatique sur la
masse d’aluminium érodée d’un petit bloc placé au foyer d’ondes sphériques
convergentes dans l’eau, en fonction de la tension appliquée aux
transducteurs, pour diverses valeurs de la pression [Sirotyuk]. On note
qu’avec la même excitation de 20 V (ligne rouge), l’efficacité de la
cavitation à 4 bars est environ 40 fois plus élevée qu’à 1 bar, et 80 fois
plus élevée à 10 bars. Si l’excitation est doublée à 4 bars, le graphique
montre que l’intensité de cavitation est environ 250 fois celle à 20 V et 1
bar…
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Deux
modèles de sonoréacteurs SonerTec ont été conçus et réalisés. Le plus petit, modèle SR-31, qui a une puissance
nominale de 5 kW, a un volume de traitement de 1 litre dans un tube de 75 mm.
Il est bien adapté aux bancs d’essais pour la mise au point de divers procédés
et les petites productions. Il est équipé d’un système de commande automatique
permettant de commander avec précision la puissance, la pression, la
température, le débit, dans des procédés en cuvée ou en continu. La figure 6
montre une des versions où l’on aperçoit le sonoréacteur cylindrique à droite
(jaune), monté sur un cabinet contenant le générateur de 5 kW à fréquence
moyenne (45 kHz) ainsi que le système de commande automatique.
Le noyau
du sonoréacteur est formé de 12 transducteurs prismatiques, chacun pouvant être
excité à plus de 400 watts. Le système peut fonctionner en circuit fermé avec
le réservoir à gauche contenant le liquide à traiter. Dans ce modèle
particulier servant au développement d’un procédé de traitement des boues sous
pression, une pompe à volume progressif (pompe à vis) force le liquide à
travers le tube central sans obstacles, et une valve à manchon sert à maintenir
automatiquement la pression. Ce modèle n’a pas de hublot pour l’observation.
Les valeurs appropriées de puissance, pression et débit sont maintenues
automatiquement. D’autres configurations sont possibles : par exemple, on
peut utiliser une pompe centrifuge pour la circulation, et un gaz comprimé pour
maintenir la pression dans le système avec un réservoir approprié. La photo de
la zone de cavitation de la figure 4 a été prise avec un tel dispositif équipé
de hublots.
Figure 6 - Le
banc d’essai SonerTec SR-31 de 5 kW
pour la mise au point de procédés ou la
petite production.
L’autre modèle, le SR-42 de 50 kW (tube de 100 mm), appelé
« Digest Sonic », est destiné aux applications industrielles. Son
noyau est composé de deux groupes de 12 transducteurs prismatiques d’une
longueur d’environ 900 mm chacun (tourné de 90° dans la figure 7). Chaque
transducteur peut être alimenté avec un courant HF de 2 kW à environ 39 kHz. La
figure 8 montre un système expérimental installé à l’usine de traitement d’eau
d’Achères, près de Paris (France), la plus grande usine du genre en Europe. Il
sert à des essais sur le traitement des boues en amont d’un digesteur
anaérobie, afin de déterminer l’augmentation du volume de biogaz produit et la
diminution des résidus. La boue est injectée par une pompe à vis au bas du
sonoréacteur qui fait environ 2 m de haut, et la pression est maintenue par une
grosse valve à manchon qu’on distingue partiellement. À gauche, on aperçoit le
système de commande automatique et le générateur de courant HF. Ce système peut
fonctionner avec une pression interne variant de 1 à 6 bars (100 – 600 kPa).
Dans ce modèle, la pression est aussi limitée par la tuyauterie utilisée,
présentement du CPVC. Comme pour les petits modèles, la pression et les effets
de la cavitation pourront éventuellement être augmentés en utilisant une
tuyauterie appropriée, et en redessinant un peu la structure interne du
sonoréacteur.
Figure 7 - Le cœur du sonoréacteur de 50 kW (tourné de
90°).
Figure 8 - Le système SR-42 « Digest Sonec »
servant au traitement de la boue en France.
Quand une lame d’alliage d’aluminium dur de 0,6 mm
d’épaisseur est insérée dans la zone de cavitation de la figure 4, on observe
que le centre est percé en moins d’une minute. La photo de la figure 9 montre
clairement l’effet d’une irradiation de 3 minutes dans le petit sonoréacteur
SR-31, à 4 kW, 4,4 bars. La longueur totale de la région érodée est d’environ
240 mm, la zone centrale fortement érodée fait environ 100 mm, alors que les
transducteurs ont une longueur d’environ 210 mm. Le diamètre du tube étant de
75 mm, le rapport longueur/diamètre est d’environ 3. Cette photo illustre
particulièrement les effets de bout prédits par la théorie de diffraction des
ondes. Si le même tube était beaucoup plus long, les effets de bout seraient
sensiblement les mêmes, tandis que la zone d’intensité relativement uniforme
serait plus longue et efficace. Ceci a été bien confirmé dans le modèle de 50
kW (fig. 8) équipé d’un tube de PTFE d’une longue de 1800 mm, où le rapport
longueur/diamètre est de 18.
Figure
9 -
Érosion d’une lame d’alliage d’aluminium dur de 0,6 mm pendant 3 minute
dans le modèle SR-31
La figure 10 montre l’effet de la cavitation acoustique sur une lame de 1,5 mm d’épaisseur insérée dans le tube, avec une irradiation de 50 kW, 39 kHz à 6 bars pendant 5 minutes. Les figures 9 et 10 sont peut-être les meilleures illustrations des capacités uniques des nouveaux sonoréacteurs de SonerTec.
Figure
10 -
Érosion d’une lame d’alliage d’aluminium dur de 1,5 mm
pendant 5 minute dans le modèle SR-42.
Un autre effet impressionnant d’une zone de cavitation
acoustique confinée dans ces sonoréacteurs est la fragmentation des particules
de boue telle qu’illustrée dans les figures 11 et 12. Dans la première, le
cylindre 1 contient de la boue secondaire non traitée provenant d’une usine de
papier (Kruger, Trois-Rivières). Les autres cylindres contiennent la même boue
qui a été traitée avec une énergie spécifique
de cavitation (ESC) croissante de gauche à droite (2 à 9) d’environ 10 à
200 joules/cm3. Cette énergie est le produit de la puissance
électrique d’entrée par le temps de traitement. Pendant ces essais, la
puissance maximale utilisée était seulement de 1200 W, avec une pression de 2,5
bars. Plus tard, avec un nouveau générateur, la puissance a pu être portée à
près de 5 kW avec une pression de 4,5 bars. On observe qu’avec une ESC de
seulement 10 joules/cm3 la partie solide noire est déjà modifiée et
surnage la partie liquide. Les microphotographies à 100X de la figure 12
comparent la boue non traitée (#1) avec celle traitée à 10 joules/cm3
(#2). On peut constater que les flocs présents dans la boue non traitée sont
largement dispersés avec cette faible ESC. De plus, une forte proportion des
micro-organismes tels que celui à côté du -100X- sont détruits.
À mesure qu’on augmente l’énergie spécifique de cavitation,
un autre effet apparaît à cause de la puissante action oxydante de la
cavitation acoustique dans l’eau : la stérilisation. Tous les tubes ont
été scellés après le traitement. Or, après 15 jours à la température de la
pièce, aucune moisissure n’est apparue sur le liquide dans les cylindres 8 et 9
(~100 et ~200 joules/cm3, ce qui indique la destruction efficace des
micro-organismes.
Figure 11 - Effet de la cavitation acoustique sur la boue
secondaire d’une usine de papier (Kruger).
Nous avons aussi observé l’action oxydante de la cavitation
en traitant de petites cuvées de jeunes whiskys et brandies avec le modèle
SR-31. Un traitement d’une vingtaine de minutes leur a donné une
« rondeur » que certains goûteurs ont comparée à celle donnée par une
maturation de 8 à 10 ans!
Nous avons aussi fait quelques essais de production de nanoparticules
de cuivre et de silicium dans le sonoréacteur SR-31. Le matériau de base était
de la poudre de cuivre servant au brasage et de la poudre de silicium fournie
par un fabricant local (Industries SKW
inc., Bécancour). La grosseur initiale de ces particules était voisine de
100 micromètres. Dans les deux cas on a traité une boue préparée avec 3 kg de
poudre dans 40 litres d’eau déminéralisée. On a traité avec une puissance
maximale de 2 kW disponible à l’époque, sous une pression de 3 bars, pendant 40
minutes. Les particules résultantes ont été comparées aux particules initiales
au moyen d’un microscope optique avec un grossissement maximale de 800X. Dans
les deux cas, on a observé un fort décalage vers les petites dimensions, et on
a évalué en gros que 15% des particules avaient moins de 10 micromètres. Nous
n’avions pas l’équipement pour mesurer de plus petites particules.
Figure 12 -
Microphotographies à 100X. À gauche : boue non traitée.
À droite : boue traitée avec une énergie spécifique de cavitation de 10
joules/cm3.
Les conditions de fonctionnement doivent être déterminées
pour chaque procédé avec un banc d’essai avant de passer à l’échelle
industrielle. Selon le procédé en cause, on peut avoir besoin de cavitation
énergique ou faible. Chaque procédé requiert une certaine énergie spécifique de
cavitation (ESC) pour une valeur donnée de pression et de puissance au-dessus
du seuil de cavitation. Par exemple, comme nous l’avons vu plus haut, nos essais
ont montré que les boues municipales ou industrielles commencent à être
visuellement modifiées avec une ESC de 10 joules/cm3, avec une
puissance de 1200 W sous une pression de 2,5 bars. Avec une ESC supérieure à
200 joules/cm3, la boue semble complètement stérilisée du fait de
l’éclatement micro-organismes et de leur oxydation par les radicaux libres
produits. Avec le nouveau générateur de courant HF de 5 kW installé plus tard,
une destruction plus complète aurait normalement été observée, mais le temps
n’était pas disponible pour de nouveaux essais.
Nous avons de plus fait quelques essais sur la
cristallisation du sucre. Nous avons observé une plus grande production de
cristaux fins et uniformes à basse pression et faible puissance au-dessus du
seuil de cavitation. Une forte cavitation semble détruire les cristaux aussitôt
formés.
Une caractéristique intéressante de ce type de sonoréacteurs
est leur capacité d’être facilement adaptés à des applications très diverses
avec un minimum de modifications, y compris aux systèmes périphériques :
tuyauterie, pompes, électronique, etc. Par exemple, s’il faut traiter des
liquides corrosifs on utilisera une tuyauterie externe en acier inoxydable
approprié ou en PTFE. Diverses
améliorations sont prévues pour les prochains modèles qui augmenteront le
volume relatif de la zone de cavitation et le rendement. Il faut noter que ces
systèmes de sonoréacteur sont conçus pour être simplement insérés dans un
procédé existant, avec un minimum de changements. La superficie occupée par un
SR-42 est typiquement de seulement 2 x 3 m environ (figure 8). De plus, pour
traiter de très grands volumes, on peut mettre plusieurs unités en série ou en
parallèle, ou les deux.
·
La
chimie industrielle : ces nouveaux sonoréacteurs pourront remplacer de nombreux types de
réacteurs chimiques industriels conventionnels existants, en plus de remplacer
certaines autres techniques pour faire plus vite et mieux. De
nombreux travaux de recherche ont démontré que la cinétique d’un nombre considérable de réactions chimiques peut
être très fortement activée en
présence de cavitation acoustique, particulièrement en chimie organique :
jusqu’à 100 000 fois ! []. La cavitation
peut souvent remplacer largement les
coûteux catalyseurs utilisés dans de nombreux procédés.
·
La réactivation des catalyseurs en
poudre (zéolithe et autres) dans l’industrie pétrochimique et d’autres, une
opération de valorisation :
la cavitation produit un nettoyage profond des pores du catalyseur. Une
raffinerie typique peut utiliser plusieurs tonnes par jour de catalyseurs
spéciaux qui coûtent près de 2000$ la tonne.
·
La cristallisation
d’une foule de composés peut être accélérée et améliorée en présence de
cavitation acoustique. Il y a déjà quelques applications remarquables dans le
domaine pharmaceutique []. À plus grande échelle industrielle, on a déjà
réalisé un système qui améliore considérablement la cristallisation et la
purification de l’alumine à partir de la bauxite [].
·
Le traitement
des pâtes à papier : de nombreux travaux en laboratoire ont démontré
que le traitement des pâtes à papier par cavitation acoustique permet
d’améliorer le blanchiment des pâtes et produit une fibrillation qui donne plus
de force et d’opacité au papier []. De nombreux autres travaux démontrent aussi que
ce traitement peut améliorer fortement le désencrage des fibres de papiers
usagés [].
·
La production
de nanoparticules et nanofibres
[]. Les poudres nanométriques, sont de plus en plus en demande pour de
nombreuses utilisations : peintures, produits pharmaceutiques, etc. D’autre part, « Les fibrilles de cellulose, qui
sont noyées dans une matrice de lignine dans les parois cellulaires du bois,
confèrent à ce dernier sa stabilité et son extraordinaire résistance à la
traction; des fonctionnalités qui sont aussi recherchées dans les matériaux en
général. Les fibrilles de cellulose isolées
selon ces différentes méthodes ont été utilisées pour produire des composites
avec des polymères tels que l’alcool polyvinylique ou l’hydroxypropylcellulose.
Les essais réalisés sur ces composites montrent que leur résistance à la
traction augmente avec l’accroissement de leur teneur en fibres pour atteindre
jusqu’à cinq fois celle du polymère seul, cela même lorsque les fibres sont
dispersées de manière désordonnée dans la matrice de polymère » [,].
Considérant la capacité de la cavitation acoustique de fractionner et nettoyer
les particules, ainsi que les résultats de certains travaux, on fait
l’hypothèse que des nanofibrilles de cellulose peuvent être produites
efficacement dans un sonoréacteur [] ce
qui ouvre la porte à la création de nouveaux produits à valeur ajoutée :
pellicules transparentes et biodégradables pour l’emballage qui pourront
remplacer les plastiques, matériaux composites, additifs pour renforcer le
papier et utiliser moins de matière première...
·
L’extraction de diverses substances à grande valeur
ajoutée de la matière première organique est une voie d’avenir. La
cavitation acoustique produit la rupture des cellules de nombreuses plantes
terrestres et marines, graines, etc. et favorise grandement l’extraction de
substances utiles, plus rapidement que les procédés conventionnels de
macération et agitation. Par exemple, diverses molécules qui font partie de la
famille des taxanes dont le paclitaxel
ou « taxol » (plus de 600$
le gramme!) qui a des propriétés anticancéreuses sont extraites beaucoup plus
rapidement en présence de cavitation acoustique. [,] Un
autre exemple est l’extraction de la chitine et du chitosane des carapaces de
crustacés, un autre produit ayant une grande valeur ajoutée dans la
pharmacologie [].
·
La décontamination de l’eau fortement
contaminée sans aucun produit chimique ajouté. De nombreux travaux de
recherche ont démontré que la destruction des contaminants biologiques
(tous les micro-organismes) et organiques (composés chlorés, fluorés,
aromatiques, polycycliques...) est efficace et radicale, contrairement à
celle produite par les ultraviolets (UV) : ces derniers ont surtout pour
effet de détraquer le code génétique des micro-organismes, ce qui les
empêcherait de se reproduire; on les considère comme morts []. Ce qui n’empêche pas les mutations éventuellement
dangereuses...[]
·
La décontamination
des sols est aussi une application démontrée qui est prometteuse dans
plusieurs cas.
·
La production
d’émulsions stables de carburants et d’eau qui sont plus efficace et moins
polluantes que les carburants purs.
·
L’hydrogénation
des huiles...
·
La dégradation
des boues industrielles et municipales est une
application démontrée des sonoréacteurs dont le potentiel est énorme. Le
traitement par sonoréacteur fait éclater les cellules de la matière biologique
des boues et la rend plus digestible dans les digesteurs anaérobies des usines
modernes de traitement des eaux usées qui servent à réduire la masse des
résidus. Des essais et des installations
particulièrement en Allemagne ont démontré une diminution supplémentaire des
résidus de l’ordre de 15 à 30% après traitement par cavitation acoustique,
accompagnée d’une augmentation du même ordre de la quantité de biogaz produits
[]. D’une façon générale, on considère des
applications au traitement des effluents industriels pour leur
destruction, leur recyclage et leur valorisation (purins, rejets d’abattoirs,
etc.)
·
La maturation
accélérée des boissons alcooliques par oxydation. Etc.
L’énergie E en
joules (J) utilisée pour élever la température du liquide qui traverse le
sonoréacteur est donnée par :
E = m c DT (1)
où m est la masse du
liquide en grammes, c est sa chaleur
spécifique (4,18 J g-1 °C-1), et DT est l’élévation de température en °C.
L’efficacité ou rendement d’un sonoréacteur est une grandeur
qui n’est pas très bien définie dans plusieurs publications. La plupart du
temps, c’est cette énergie E divisée par l’énergie électrique fournie Ee :
(2)
Mais, dans la plupart des autres sonoréacteurs, une grande
partie de l’élévation de température du liquide traité est causée par le
refroidissement des transducteurs! Il en résulte donc une surestimation du
rendement de la cavitation acoustique. Dans les systèmes de SonerTec, les
transducteurs à haut rendements sont refroidis séparément par une circulation
d’huile et ils sont assez bien isolés du liquide traité par le tube en PTFE (Téflonmd), un bon isolant.
D’autre part, le tube absorbe une certaine fraction de l’énergie acoustique à
40 kHz qui traverse sa paroi. C’est pourquoi son épaisseur est généralement
inférieure à 5 mm.
Ainsi, la majeure partie de l’élévation de température dans
un sonoréacteur SonerTec est due à l’énergie acoustique de cavitation Ea. L’énergie électrique à
l’entrée étant Ee, on peut
définir approximativement l’efficacité de cavitation comme :
(3)
où
(4)
Bien sûr,
une telle définition donne de plus faibles valeurs que celles publiées pour les
autres sonoréacteurs. Toutefois, elles sont probablement plus réalistes. Les
mesures faites par SonerTec donnent des rendements 
qui atteignent 50%. Les divers
perfectionnements des futurs modèles devraient donner des rendements plus
élevés.
Mais,
finalement, le rendement réel et efficace d’un sonoréacteur est mesuré
essentiellement par la réduction du coût total du procédé par tonne de liquide
traité par rapport au procédé régulier.
Le volume de liquide qui peut être traité par unité de temps
dépend essentiellement de l’énergie spécifique de cavitation (ESC) requise pour
réaliser un effet chimique ou mécanique donné. Supposons, par exemple, qu’un
certain procédé requiert une ESC raisonnable S = 20 J/cm3, et que le SR-42 fonctionne à pleine
puissance P = 50 kW. L’énergie
fournie en 1 heure est alors :
(5)
Le débit correspondant est alors facilement calculé :
(6)
Ce débit est
inversement proportionnel à l’ESC. Pour de plus grands débits, on peut
installer un nombre quelconque d’unités en série ou en parallèle.
Actuellement, les coûts de fonctionnement connus des deux
modèles sont les coûts de l’énergie électrique. Supposons un système SR-42 qui
fonctionne à sa puissance nominale, 50 kW. Ajoutons un maximum de 15 kW pour
les appareils périphériques (pompes, refroidisseur, système de commande, etc.).
L’énergie électrique utilisée à l’heure est alors 65 kW-h. Si le coût de
l’énergie est de 0,15$/kW-h, le coût de fonctionnement est de 9,75$/h.
Avec S = 20 J/cm3, le coût du traitement par
litre est alors d’environ 0,0011$. Ce coût est directement proportionnel à
l’ESC. Si ESC = 100 J/cm3, il faut multiplier par 5, d’où
0,0055$/litre. Le petit modèle SR-31 de 5 kW a ainsi une capacité de traitement
dix fois moins grande que le modèle SR-42.
D’autre part, le tube central en PTFE est très durable.
Actuellement, si la puissance est maintenue à un peu moins de 50 kW sa durée
semble bien supérieure à une année selon les observations faites. Si
nécessaire, le tube peut normalement être remplacé en une journée à un coût
inférieur à 5000$. Quant au générateur de courant, son rendement est supérieur
à 90% : le rapport entre la puissance HF et la puissance d’entrée à 50 ou
60 Hz.
On sait depuis longtemps que la cavitation acoustique peut
accélérer considérablement plusieurs procédés chimiques, fragmenter des
particules et dissocier des molécules dans un liquide. Ce phénomène s’applique
aussi à la cristallisation, à l’extraction, à l’émulsification, etc. Nous avons
présenté ici un nouveau type radicalement différent de sonoréacteurs qui ouvre
de toute nouvelles perspectives pour l’industrie chimique qui recherche des
procédés améliorés et plus rentables en faisant appel à la sonochimie, ce qui
était pratiquement impossible jusqu’à maintenant, faute de sonoréacteurs
appropriés. Ces nouveaux sonoréacteurs sont basés sur la production de puissantes
ondes acoustiques cylindriques convergentes qui produisent une zone de
cavitation concentrique au centre d’un tube de PTFE. Le volume relatif de cette
zone chimiquement très active est très supérieur à celui des sonoréacteurs courants. Vu que la
zone de cavitation est confinée, il n’y a pas d’attaque de la paroi du tube et
donc pas de produits d’érosion. Les nouveaux sonoréacteurs de SonerTec ont des
capacités industrielles de traitement de plusieurs tonnes à l’heure pour le
plus gros modèle, selon l’énergie de cavitation requise par unité de volume
pour produire l’effet désiré. Ces systèmes peuvent aussi servir au traitement
des suspensions dans un liquide, comme la dégradation des boues industrielles
et municipales.
*********************
W. T. Richards and A. L. Loomis, J. Am. Chem. Ser. 49, 3086 (1927).
M. Ashokkumar, T. Vu, F. Grieser, A.
Weerawardena, N. Anderson, N. Pilkington and D.R. Dixon, Ultrasonic treatment
of Cryptosporidium oocysts,
Waste Water Sc. And Technol., vol.
47, no. 3, (2003), p. 173-177.
US Patent 6,361,747, Jean-Luc DION and Kodjo AGBOSSOU,
« Reactor with acoustic cavitation. Aussi breveté au Canada, en France, au
Royaume-Uni et en Allemagne.
Sonoluminescence
and Sonochemistry, Kenneth S. Suslick, Encyclopedia of Physical Science and Technology, 3rd Ed., R.
A. Meyers (ed.); Academic Press, Inc.: San Diego, 2001.
R. P.
Taleyarkhan, J. S. Cho, C. D. West, R. T. Lahey, Jr., R. I. Nigmatulin,4
and R. C. Block, “Additional evidence of nuclear emissions during acoustic
cavitation”, Phys. Rev. E 69, 036109 (2004) (11 pages)
Richard T. Lahey Jr., Rusi P. Taleyarkhan,
and Robert I. Nigmatulin, “Bubble Power”, IEEE Spectrum, May 1955.
M.S.M. M. Rahuman, L. Pistone , F. Trifirò,
and S. Miertus, Destruction technologies for polychlorinated biphenyls (PCBs),
“Proceedings of Expert Group Meetings on POPs and Pesticides Contamination:
Remediation Technologies (April 2000) and on Clean Technologies for the
Reduction and Elimination of POPs (May 2000), ICS-UNIDO publications, nov.
2000.
Ke-Cheng Li, Shi-Jie Wang and Ji-Lin Yu, Beating of pulps by
ultrasonics, Third International Non-Wood
Fiber Pulping and Papermaking Conference – INWFPPC ’96, Beijing 2, 1996, p.
470-478. Tatsumi D., Higashihara T., Kawamura S. and Matsumoto T., Ultrasonic treatment
to improve the quality of recycled pulp fiber, J. Wood Sci. 46, 2000, p. 405-409.
Norman
J.C., Sell N.J. and Danelski N., Deinking
laser-print paper using ultrasound, Proceedings of TAPPI Engineering
Conference 1993, p. 869-876.
Sell, N.J., Norman J.C. and Jayaprakash
D., Deinking secondary fiber using ultrasound, Progress in Paper Recycling 4
(4), 1995, p. 28-34.
Ramasubramanian M.K. and Madanshetty
S.I., Focused high frequency ultrasonic removal of xerographic toner from paper
surfaces, Proceedings TAPPI Recycling
Symposium 2000, p. 21-27.
Ramirez C.R., Ramos Q.J. and Turrado
S.J., Deinking of laser printed paper by ultrasound, flotation and washing
systems, Progress in Paper Recycling, 13 (2), 2004, p. 29-36.
Scott W.E. and Gerber P., Using
ultrasound to deink xerographic waste, TAPPI J. 78 (12) 1995, p. 125-130.
Aharon Gedanken, Using sonochemistry for the fabrication of
nanomaterials, Ultrasonics Sonochemistry, Volume 11, Issue 2 , April 2004, Pages 47-55
« Le bois – une matière première pour la
nanotechnologie? », 13 avril 2004, EMPA Überlandstrasse
129 CH-8600 Dübendorf, Suisse, http://www.empa.ch/plugin/template/empa/*/26629/---/l=.
« Nanotechnologies dans l’industrie des pâtes et papiers »,
Bruno Chabot, Centre intégré en pâtes et papiers de l’UQTR, Carrefour de la recherche forestière, 19
septembre 2007
Ultrasound
in Environmental Engineering. Technical University Hamburg-Harburg, Reports on Sanitary Engineering 25 (ISSN
0724-0783, ISBN 3-930400-23-5), GFEU-Verlag, Hamburg, par Andreas Tiehm et Uwe
Neis (1999).
