Réactivité sonochimique à l'interface solide-liquide

Sonochemical reactivity at the solid-liquid interface

• Auteur / Autrice : Ayoub Barchouchi
• Direction : Stéphane Baup, Sonia Molina-Boisseau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides Energétique, Procédés
• Date : Soutenance le 23/09/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire rhéologie et procédés (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Duclaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Gondrexon, Olivier Louisnard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurie Barthe, François Delattre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimétrie

Sonochimie

Mots clés libres

Dosimétrie chimique

Milieu hétérogène

Caractérisation de réacteurs

Pression de radiation

Chemical dosimetry

Heterogeneous media

Calorimetry

Reactors characterization

Acoustic radiation power

Résumé

Dans le cadre de l’intensification et de l’amélioration de procédés en milieu hétérogène, les ultrasons de puissance sont considérés comme une technologie de choix. Toutefois, la question reste posée de savoir comment est impactée l’activité ultrasonore dans un tel milieu. C’est dans cette optique que s’inscrivent ces travaux de thèse qui portent sur l’étude de l’influence d’un ajout de billes de verre (de 8-12 µm à 6 mm, pour des concentrations de 3.10-3 à 80 g.L-1) sur l’activité ultrasonore à basse (20 kHz) et haute fréquence (de 376 à 1135 kHz) au sein d’un même réacteur.La caractérisation de l’activité sonochimique par iodométrie en milieu homogène a révélé l’existence d’un optimum de fréquence à 575 kHz pour une puissance ultrasonore de 51,5 ± 0,5 W. En milieu hétérogène, la caractérisation de l’activité ultrasonore a donné des résultats opposés. D’une part, la puissance ultrasonore mesurée par calorimétrie n’a pas été impactée par la présence des particules, ce qui a permis d’illustrer les limites de cette technique en milieu hétérogène. D’autre part, quelle que soit la technique dosimétrique employée (iodométrie, dosimétrie de Fricke, oxydation de l’acide téréphtalate), l’activité sonochimique a montré sa dépendance vis-à-vis de la surface développée par les billes. Cette dépendance serait imputée à deux types d’interactions (onde-matière et bulle-matière) responsables de l’atténuation des ultrasons et de la modification de l’implosion des bulles de cavitation. La comparaison de ces résultats a aussi révélé l’existence d’une modification dans la formation des espèces oxydantes avec une production plus importante de peroxyde d’hydrogène aux dépens des radicaux hydroxyles. Les résultats de la dégradation du diméthylphénol ont, par ailleurs, démontré que la perturbation de l’activité sonochimique en présence de particules a été perçue de la même manière à proximité de la bulle de cavitation et au cœur de la solution irradiée.Par ailleurs, en milieu hétérogène, la caractérisation de l’activité physique basée sur la pression de radiation suit une tendance similaire à l’activité sonochimique. Cela la rend ainsi plus adéquate à l’appréciation de l’activité ultrasonore dans un tel milieu.Enfin, pour la cartographie mesurée par sonochimiluminescence, les résultats ont montré l’existence d’une gamme de surface développée susceptible d’homogénéiser l’activité ultrasonore. Cette homogénéisation, induite par une modification du champ acoustique, s’accompagne néanmoins d’une perte des zones de forte intensité.

In the framework of processes intensification in a heterogeneous media, power ultrasound is a promising technology. However, the question remains to know how the ultrasound activity would be impacted in such a media. So the aim of the present thesis was to study the influence of a glass beads (8-12 µm to 6 mm, at 3.10-3 à 80 g.L-1 concentrations) on the ultrasound activity at low (20 kHz) and high frequency (376 – 1 135 kHz) within the same reactor.In a homogeneous medium, the characterization of the sonochemical activity by iodometry revealed an optimum of frequency at 575 kHz for an ultrasonic power of 51.5 ± 0.5 W. In a heterogeneous medium, the characterization of the ultrasonic activity gave opposite results. On the one hand, the ultrasonic power measured by calorimetry was not impacted by the presence of particles. This illustrated the limits of this physical characterization technique in such a media.On the other hand, for all the dosimetry techniques (iodometry, Fricke method, terephthalic acid oxidation), the chemical characterization of the ultrasound showed its dependence with the developed area by the glass beads. This behaviour is due to a tow kind of interactions (wave-particle and bubble-particle) responsible for ultrasound attenuation and cavitation bubble collapse modification. Also, the comparison of these results revealed a change in the radical species formation. The results of the degradation of dimethylphenol showed the dependence of the sonochemical activity are the same near the cavitation bubble as in the bulk solution.Moreover, the measure of the physical activity based on radiation pressure follows a similar trend as the sonochemical activity. So this method is advised in a heterogeneous media.Finally, the results of cartography obtained by sonochemiluminescence showed a uniform spatial distribution for a specific developed surface range. Nevertheless, this homogenization, which is induced by a modification of the acoustic field, is counterbalanced by a loss of high-intensity areas.