Dynamics and Chemical Activity of Cavitation Bubbles in Ultrasonic Systems

L’augmentation des émissions de gaz à effet de serre a conduit les gouvernements du monde entier à explorer les ressources renouvelables pour la production d’énergie et de produits chimiques. La disponibilité croissante d’électricité renouvelable à un coût abordable offre une opportunité de réduire les émissions de carbone dans les secteurs énergivores, en particulier par l’électrification des industries de processus chimiques (IPC). Ce projet de recherche se concentre sur l’ultrason (US) comme méthode énergétiquement efficace, sélective et compacte pour diminuer les dépenses en capital et la production de déchets. Intégrer l’US comme une innovation d’intensification de processus (IP) avec un réseau électrique plus propre peut ainsi jouer un rôle vital dans l’établissement de méthodes de production durables à travers l’IPC. L’US, utilisant l’énergie intense de la cavitation acoustique, accélère les processus dans des conditions douces, générant des radicaux réactifs et améliorant les taux de réaction. Cette thèse souligne la nécessité d’une conception précise de réacteur et d’un contrôle du comportement des bulles pour surmonter les limitations actuelles d’efficacité de la technologie et augmenter son applicabilité industrielle. Cette recherche commence par une analyse approfondie de la dynamique des bulles et des activités chimiques dans différentes zones de cavitation de sonoréacteurs à corne de 20 kHz. Des expériences de sonochemiluminescence (SCL) ont identifié des zones actives, révélant comment la puissance US, la profondeur d’immersion de la sonde et le volume de liquide affectent la distribution spatiale et l’intensité des zones. La dosimétrie au KI dans l’eau a évalué l’activité sonochemique globale dans ces conditions. Le rendement de cavitation le plus élevé et l’oxydation ont été notés lorsque la sonde était proche du fond du vaisseau à une densité de puissance modérée de 424,29 W/L, créant une nouvelle zone active autour du col de la sonde. L’imagerie à grande vitesse a détaillé davantage la densité et la taille des bulles, influençant un modèle numérique qui intègre les tailles réelles des bulles pour déterminer la meilleure profondeur d’immersion de la sonde et la puissance US pour une formation efficace de zone active.

Abstract

Rising greenhouse gas emissions have led governments worldwide to explore renewable re-sources for energy and chemical production. The increasing availability of cost-effective renewable electricity offers an opportunity to reduce carbon emissions in energy-intensive sec-tors, especially through the electrification of chemical process industries (CPI). This research project focuses on ultrasound (US) as an energy-efficient, selective, and compact method to decrease capital expenses and waste production. Integrating US as a process intensification (PI) innovation with a cleaner electric grid can thus play a vital role in establishing sustain-able production methods across the CPI. US, utilizing acoustic cavitation’s intense energy, accelerates processes under mild conditions, generating reactive radicals and enhancing re-action rates. This thesis emphasizes the need for precise reactor design and bubble behavior control to overcome the technology’s current efficiency limitations and boost its industrial applicability. This research begins with an in-depth analysis of bubble dynamics and chemical activities in various cavitation zones of 20 kHz horn-type sonoreactors. Sonochemiluminescence (SCL) experiments identified active zones, revealing how US power, probe immersion depth, and liquid volume affect the zones’ spatial distribution and intensity. KI dosimetry in water assessed overall sonochemical activity under these conditions. The highest cavitation yield and oxidation were noted when the probe was near the vessel’s bottom at a moderate power density of 424.29 W/L, creating a new active zone around the probe neck. High-speed imaging further detailed bubble number density and size, influencing a numerical model that integrates real bubble sizes to determine the best probe immersion depth and US power for efficient active zone formation.