La sonochimie au service de la purification des eaux

La sonochimie au service de la purification des eaux Depuis quelques années, L’eau est devenue une préoccupation majeure dans le Monde. Notre planète est à 70% recouverte d’eau dont seulement 2. 5% d’eau douce. Il faut savoir que 1. 5 milliard d’Hommes n’ont pas accès à l’eau potable et environ 4000 à 6000 enfants meurent chaque jour de maladies liées à l’absence de traitement des eaux. « L’eau n’est pas une ressource inépuisable et devient de plus en plus rare et précieuse. » L’homme va devoir d org ndre potable l’eau qu’il consomme. Le t e e nt le premier enjeu Sni* to de santé publique. L l’Antiquité.

En effet, égouts et parfois coll t exercé depuis acuées par les ytoremédiation. Le traitement des eaux a connu un essor considérable lors de la révolution industrielle liée à la croissance démographique. La décomposition des matières organiques contenue dans les eaux polluées a été étudiée dans les années 1920. Ce qui a permis le développement de l’épuration de l’eau. Il existe une grande diversité de technique d’assainissement des eaux polluées et nous avons choisi de vous présenter une technique peu connue : le traitement par les ultrasons par l’utilisation de la sonochimie. Qu’est-ce que la sonochimie ?

La sonochimie est une chimie qui étudie les réactions chimiques ayant lieu entre les ultrasons et les molécules. Cette réaction amène à un phénomène de cavitation acoustique grâce aux ultrasons. C’est la formation de petites bulles qui vont gros grossir jusqu’à imploser. Ce phénomène sera expliqué en détail dans la première partie de notre travail. Définissons maintenant un ultrason qui est notre la base de la sonochimie : les ultrasons sont des ondes élastiques qui possèdent toutes les propriétés générales des ondes sonores telles que la déformation du milieu dans lequel elles se ropagent.

Propagation d’une onde ultrasonore dans un milieu liquide (figure 1) Le spectre sonore (figure 2) est généralement divisé en quatre intervalles en fonction de l’onde émise. Ainsi pour une fréquence comprise entre O et 16 Hz nous obtenons un infrason : c’est un son trop grave pour être perçu par l’oreille humaine. La gamme audible par l’homme est comprise entre 16 Hz et 16 kHz, au-delà de cette limite nous atteignons les ultrasons, ce sont des ondes vibratoires d’une fréquence largement supérieure aux fréquences audibles par Vhomme (jusqu’à 100 MHz) pour finir avec les hypersons.

L’organisation du spectre sonore (figure 2) Les grandeurs caractéristique principales de l’onde ultrasonore sont . la fréquence (Hz), la longueur d’onde la célérité (m • s—l) et la puissance (W). l. Réaction entre les ultrasons et les molécules : 1. Un peu d’histoire Bien que les chauves-souris produisent des ultrasons depuis toujours dans une gamme de fréquences de 30 à 80 kHz, ce n’est qu’au début du XX e siècle que l’Homme apprit à les utiliser de maniere fiable (avec par exemple l’utilisation du sonar, de la soudure industriel ou bien de l’échographie médicale).

Inaudibles par l’oreille humaine les ultrasons ont été découverts en 1883 par le physiologist Cis Galton (1822-1911), découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton (1822-1911), qui inventa le « sifflet à ultrasons » (figure 3). Mais c’est la découverte, en 1880, de la piézoélectricité par les frères Pierre et Jacques Curie qui permit de produire facilement des ultrasons et de les utiliser. Ainsi, durant les années 1910, il était possible de générer des ondes ultrasonores dans l’eau par l’intermédiaire d’un système piézoélectrique couplé à un appareillage électrique puissant.

Après le drame du Titanic en 1912 Paul Langevin suggère d’utiliser cette technique pour la détection d’iceberg. Peu de temps après, en 1915, ce physicien inventa le premier sonar capable de détecter des sous-marins au moyen de ces vibrations non audibles (figure 4). « Sifflet à ultrason » (figure 4) Sonar de 1915 (figure 5) Rapidement, des études menées par deux biologistes, Robert William wood (1868-1955) et d’Alfred Lee LoomiS (1887-1975), permirent d’observer des modifications du milieu dans lequel se propagent les ultrasons, leurs travaux seront considérés comme les premières expérimentations sonochimiques.

Il fallut cependant attendre les années 1980 et l’apparition des premiers générateurs ultrasonores fiables pour démontrer que les ondes ultrasonores offrent d’indéniables perspectives en chimie et pour que soit utilisé pour la première fois le terme de « sonochimie » dans une revue sur la cavitation. Enfin, c’est dans les années 1980 que l’on a pu observer une véritable explosion du nombre de réactions de composés organiques s’opérant dans des solvants organiques sous l’influence des ultrason composés organiques s’opérant dans des solvants organiques sous l’influence des ultrasons. 2.

Les ultrasons en sonochimie Le domaine ultrasonore est divisé en deux catégories avec le domaine des basses fréquences (de 16 à 100 KHz) et le domaine des hautes et très hautes fréquences (>IOO KHz). La puissance joue également un rôle dans la classification, nous pouvons distinguer : les ultrasons de faible puissance («1 W), à ce stade les ultrasons n’induisent pas de modification du milieu qu’ils traversent, leurs applications ont pour unique objectif de transmettre de l’énergie à travers un milieu pour le contrôler sans l’altérer (contrôle non destructif, analyses médicales… ). s ultrasons de haute puissance (>10 W), dans ces conditions nous décelons des actions mécaniques dont l’émission est susceptible de modifier le milieu traversé. Ces ultrasons interviennent donc dans la sonochimie. Les domaines ultrasonores et ses applications (figure 3) 3. Explication de la cavitation La réaction sonochimique est caractérisée par l’intervention d’un phénomène de cavitation assez complexe. Mais avant toute opération sonochimique, il faut produire des ondes ultrasonores ; pour cela nous mettons en place des électrodes reliés à une céramique piézo-électrique collée sur une paroi métallique (figure ).

Le courant électrique va dilater et compresser la céramique successivement en la traversant, l’amplitude de la déformation de la céramique est de l’ordre de grandeur du micromètre et ces changements de dimensions vont induire des vibrations à l’origine des ultrasons. Il est à savoir ue cha ue céramique possède sa propre fréquence de vibra *AGF des ultrasons. Il est à savoir que chaque céramique possède sa propre fréquence de vibration, il est donc impossible de changer la fréquence émise. Schéma et photo d’un montage de céramiques piézoélectriques (figure 6)

En photochimie la transformation de la matière provient de l’excitation moléculaire induite par les ondes électromagnétiques lumineuses. Dans notre cas, les ultrasons ne sont pas directement responsables de la détérioration de la matière et l’activation moléculaire dépend de plusieurs paramètres physiques tels que la fréquence, la température, la pression, la puissance… Lors de la propagation des ondes ultrasonores dans le liquide, les molécules subissent alternativement des compressions et dépressions.

Si les ondes ultrasonores périodiques deviennent suffisamment intenses et si la pression est assez importante pour aincre les forces d’attractions existantes entre les molécules du liquide, des bulles de cavitation naissent. Cela nécessite de très forte pression négative excepté si l’eau possède des particules en suspension dans le milieu permettant de baisser le seuil (pour notre sujet, les « particules en suspension » représentent les petites impuretés présentes dans l’eau).

La cavitation ultrasonore peut être illustrée en 4 phases : formation d’une bulle de cavitation croissance avec l’augmentation du volume gazeux implosion de la cavité lorsque la pression à l’extérieur de la bulle est trop faible ragmentation de la bulle Implosion d’une bulle de cavitation (figure 7) Évolution d’une bulle soumise à un champ ultrasonore (figure 8) Nous pouvons déceler 2 types de cavitations : Les cavitations stables transitoires pour de faibles valeurs de la pression de pression oscillant et acoustiques, les bulles de petites tailles ultrasonore sont d’intensité oscillent autour d’une taille moyenne deviennent instables. pendant plusieurs cycles acoustiques : et se contractent ? nous avons une évolution par transfert un petit volume en un de gaz augmentant ainsi la taille des brutal, à l’origine de ulles ; ces variations ne conduisent donc pression extrême : nous pas aux phénomènes sonochimiques. effet sonochimique.

Les cavitations Lorsque le champ la puissance forte, les bulles Elles grossissent grande vitesse sur effondrement température et de avons bien un Les phénomènes sonochimiques ayant lieu lors de la création et l’évolution des bulles de cavitation sont divers. Certains chercheurs ont par exemple avancé l’hypothèse du « hot spot theory ». Cette théorie repose sur l’élévation de pression et de température lors de l’implosion de la bulle pendant une durée infime (10-6 s). Cette implosion est si rapide qu’il n’y a pas d’échange de chaleur avec le liquide. Cette théorie est à forigine de plusieurs phénomènes : lyse cellulaire formation d’entités radicalaires capable d’oxyder de nombreuses espèces présentes dans l’eau.

D’après des données théori ues et ex température de l’implosio érimentales, la de cavitation est estimée estimée à 5000 Kelvin alors que la température extérieure (autour de la bulle) est estimée à 1900 Kelvin. Cette différence de température est l’origine de plusieurs phénomènes lors de l’implosion des bulles de cavitation : ne homolyse : c’est la rupture des liaisons covalentes entre 2 fragments, chacun retenant l’un des deux atomes pour former des espèces radiculaires ou atomiques très réactives. La chaleur est à l’origine de ce phénomène. Une Pyrolyse des molécules à l’intérieur de la bulle de cavitation : c’est la décomposition de composés organiques par la chaleur pour donner plusieurs produits (gaz ou matières).

Emission de lumière par la propagation des ondes ultrasonores dans un liquide. L’origine de ce phénomène est la recombinaison de radicaux. Schéma A l’intérieur de la bulle de cavitation, à haute température, ‘homolyse de peau forme deux radicaux : OH et H qui ont chacun électron. 1-420 OH + H A l’interface bulle liquide, à plus faible température, il y a recombinaison de ces radicaux pour former plusieurs produits finaux. Quelques exemples de recombinaisons . OH OH Hao H 202 La recombinaison ne peut r l’influence d’une basse des radicaux sous une haute fréquence est supérieur à celle de la bulle et la recombinaison ne peut se faire. Ils sont donc éjectés hors de la bulle.

Le résultat final : Suite à la cavitation, les ondes acoustiques vont attaquer la vie microbienne en général : algues unicellulaire, algues bleu-vert z spiruline), biofilm (=communauté multicellulaire) et d’autres bactéries. D’ordre général, les algues affectées par les ultrasons vont mourir lentement et s’entasser au fond du réservoir, formant ainsi une fine couche qui pourra être consommé (comme élément nutritif) par d’autres bactéries. Les algues bleu-vert possèdent certaines caractéristiques des plantes comme l’utilisation de l’énergie lumineuse pour le fonctionnement de leur métabolisme. Ces algues se déplacent grâce à leurs vésicules remplies de gaz.

Lors de l’activité ultrasonore, ces vésicules vont de rompre, aisant ainsi couler les algues au fond du bassin et la privant de lumière : ce sera la mort assuré pour l’organisme. Les algues vertes, partageant également certaines caractéristiques avec les plantes, possèdent des tonoplastes ; c’est une membrane séparant la vacuole du cytoplasme dans une cellule végétale. Les ondes ultrasonores vont avoir un effet mécanique sur cette paroi en la cassant, le contenu de la vacuole va donc se libérer dans la cellule provoquant des dommages considérable pour la bactérie. Les ultrasons agissent donc de fa an irréversible sur les cellules, garantissant une eau plus