Aplicarea timpurie a ultrasunetelor în biochimie ar trebui să fie de a sparge peretele celular cu ultrasunete pentru a elibera conținutul acestuia. Studiile ulterioare au arătat că ultrasunetele de intensitate redusă pot promova procesul de reacție biochimică. De exemplu, iradierea cu ultrasunete a unei baze nutritive lichide poate crește rata de creștere a celulelor algale, crescând astfel de trei ori cantitatea de proteine ​​produse de aceste celule.

Comparativ cu densitatea de energie a prăbușirii bulelor de cavitație, densitatea de energie a câmpului sonor cu ultrasunete a fost mărită de trilioane de ori, rezultând o concentrație uriașă de energie; Fenomenele sonochimice și sonoluminescența cauzate de temperatura și presiunea ridicată produse de bulele de cavitație sunt forme unice de schimb de energie și materiale în sonochimie. Prin urmare, ultrasunetele joacă un rol din ce în ce mai important în extracția chimică, producția de biodiesel, sinteza organică, tratamentul microbian, degradarea poluanților organici toxici, viteza și randamentul reacției chimice, eficiența catalitică a catalizatorului, tratamentul de biodegradare, prevenirea și îndepărtarea depunerilor cu ultrasunete, zdrobirea, dispersia și aglomerarea celulelor biologice și reacția sonochimică.

1. reacție chimică îmbunătățită cu ultrasunete.

Reacție chimică îmbunătățită cu ultrasunete. Principala forță motrice este cavitația cu ultrasunete. Prăbușirea miezului bulei cavitante produce temperaturi locale ridicate, presiune ridicată și impact puternic și microjet, ceea ce oferă un mediu fizic și chimic nou și foarte special pentru reacții chimice care sunt dificil sau imposibil de realizat în condiții normale.

2. Reacție catalitică cu ultrasunete.

Ca un nou domeniu de cercetare, reacția catalitică cu ultrasunete a atras din ce în ce mai mult interes. Principalele efecte ale ultrasunetelor asupra reacției catalitice sunt:

(1) Temperatura ridicată și presiunea ridicată favorizează cracarea reactanților în radicali liberi și carbon divalent, formând specii de reacție mai active;

(2) Unda de șoc și microjetul au efecte de desorbție și curățare asupra suprafeței solide (cum ar fi catalizatorul), putând îndepărta produșii de reacție sau intermediarii de la suprafață și stratul de pasivizare a suprafeței catalizatorului;

(3) Unda de șoc poate distruge structura reactantă

(4) Sistem de reactanți dispersați;

(5) Cavitația cu ultrasunete erodează suprafața metalică, iar unda de șoc duce la deformarea rețelei metalice și la formarea zonei de deformare internă, ceea ce îmbunătățește activitatea de reacție chimică a metalului;

6) Promovează penetrarea solventului în solid pentru a produce așa-numita reacție de incluziune;

(7) Pentru a îmbunătăți dispersia catalizatorului, ultrasunetele sunt adesea utilizate în prepararea catalizatorului. Iradierea cu ultrasunete poate crește suprafața catalizatorului, poate face ca componentele active să se disperseze mai uniform și poate spori activitatea catalitică.

3. Chimia polimerilor cu ultrasunete

Aplicarea chimiei polimerice pozitive cu ultrasunete a atras o atenție sporită. Tratamentul cu ultrasunete poate degrada macromoleculele, în special polimerii cu greutate moleculară mare. Celuloza, gelatina, cauciucul și proteinele pot fi degradate prin tratament cu ultrasunete. În prezent, se consideră, în general, că mecanismul de degradare cu ultrasunete se datorează efectului forței și presiunii ridicate atunci când bula de cavitație se sparge, iar cealaltă parte a degradării se poate datora efectului căldurii. În anumite condiții, ultrasunetele puternice pot iniția, de asemenea, polimerizarea. Iradierea cu ultrasunete puternică poate iniția copolimerizarea alcoolului polivinilic și a acrilonitrilului pentru a prepara copolimeri bloc și copolimerizarea acetatului de polivinil și a oxidului de polietilenă pentru a forma copolimeri grefați.

4. Nouă tehnologie de reacție chimică îmbunătățită prin câmp ultrasonic

Combinarea dintre noile tehnologii de reacții chimice și îmbunătățirea câmpului ultrasonic este o altă direcție potențială de dezvoltare în domeniul chimiei cu ultrasunete. De exemplu, fluidul supercritic este utilizat ca mediu, iar câmpul ultrasonic este utilizat pentru a întări reacția catalitică. De exemplu, fluidul supercritic are o densitate similară cu lichidul, iar vâscozitatea și coeficientul de difuzie similare cu gazul, ceea ce face ca dizolvarea sa să fie echivalentă cu lichidul și capacitatea sa de transfer de masă echivalentă cu gazul. Dezactivarea catalizatorului eterogen poate fi îmbunătățită prin utilizarea proprietăților bune de solubilitate și difuzie ale fluidului supercritic, dar este, fără îndoială, cireașa de pe tort dacă se poate utiliza câmpul ultrasonic pentru a-l întări. Unda de șoc și microjetul generate de cavitația cu ultrasunete nu numai că pot îmbunătăți considerabil fluidul supercritic pentru a dizolva anumite substanțe care duc la dezactivarea catalizatorului, pot juca rolul de desorbție și curățare și pot menține catalizatorul activ pentru o perioadă lungă de timp, dar pot juca și rolul de agitare, care poate dispersa sistemul de reacție și poate duce rata de transfer de masă a reacției chimice a fluidului supercritic la un nivel mai ridicat. În plus, temperatura și presiunea ridicată din punctul local format prin cavitație cu ultrasunete vor favoriza fisurarea reactanților în radicali liberi și vor accelera considerabil viteza de reacție. În prezent, există numeroase studii privind reacția chimică a fluidelor supercritice, dar puține studii privind amplificarea unei astfel de reacții prin câmp ultrasonic.

5. aplicarea ultrasunetelor de mare putere în producția de biodiesel

Cheia preparării biodieselului este transesterificarea catalitică a gliceridelor de acid gras cu metanol și alți alcooli cu conținut scăzut de carbon. Ultrasunetele pot întări în mod evident reacția de transesterificare, în special în sistemele de reacție eterogene, putând îmbunătăți semnificativ efectul de amestecare (emulsificare) și promovând reacția de contact molecular indirect, astfel încât reacția care inițial trebuia efectuată la temperatură ridicată (presiune ridicată) poate fi finalizată la temperatura camerei (sau aproape de temperatura camerei) și scurtând timpul de reacție. Undele ultrasonice sunt utilizate nu numai în procesul de transesterificare, ci și în separarea amestecului de reacție. Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Mississippi din Statele Unite au utilizat procesarea cu ultrasunete în producția de biodiesel. Randamentul biodieselului a depășit 99% în 5 minute, în timp ce sistemul convențional de reacție discontinuă a durat mai mult de 1 oră.