Wczesne zastosowanie ultradźwięków w biochemii powinno polegać na rozbiciu ściany komórkowej ultradźwiękami w celu uwolnienia jej zawartości. Późniejsze badania wykazały, że ultradźwięki o niskiej intensywności mogą sprzyjać procesowi reakcji biochemicznej. Na przykład napromieniowanie ultradźwiękowe płynnej bazy odżywczej może zwiększyć tempo wzrostu komórek glonów, zwiększając w ten sposób trzykrotnie ilość białka wytwarzanego przez te komórki.

W porównaniu z gęstością energii zapadnięcia się pęcherzyka kawitacyjnego, gęstość energii ultradźwiękowego pola dźwiękowego została zwiększona tryliony razy, co spowodowało ogromną koncentrację energii; Zjawiska sonochemiczne i sonoluminescencja wywołane wysoką temperaturą i ciśnieniem wytwarzanym przez pęcherzyki kawitacyjne są unikalnymi formami wymiany energii i materiałów w sonochemii. Dlatego ultradźwięki odgrywają coraz ważniejszą rolę w ekstrakcji chemicznej, produkcji biodiesla, syntezie organicznej, obróbce mikrobiologicznej, degradacji toksycznych zanieczyszczeń organicznych, szybkości i wydajności reakcji chemicznej, wydajności katalitycznej katalizatora, obróbce biodegradacyjnej, zapobieganiu i usuwaniu kamienia ultradźwiękowego, biologicznym kruszenia komórek , dyspersja i aglomeracja oraz reakcja sonochemiczna.

1. Reakcja chemiczna wzmocniona ultradźwiękowo.

Reakcja chemiczna wzmocniona ultradźwiękami. Główną siłą napędową jest kawitacja ultradźwiękowa. Zapadnięcie się kawitującego rdzenia pęcherzykowego powoduje powstanie lokalnej wysokiej temperatury, wysokiego ciśnienia i silnego uderzenia oraz mikrostrumienia, który zapewnia nowe, bardzo szczególne środowisko fizyczne i chemiczne dla reakcji chemicznych, które są trudne lub niemożliwe do osiągnięcia w normalnych warunkach.

2. Ultradźwiękowa reakcja katalityczna.

Jako nowa dziedzina badań, ultradźwiękowa reakcja katalityczna cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Główne skutki ultradźwięków na reakcję katalityczną to:

(1) Wysoka temperatura i wysokie ciśnienie sprzyjają pękaniu reagentów na wolne rodniki i węgiel dwuwartościowy, tworząc bardziej aktywne formy reakcji;

(2) Fala uderzeniowa i mikrostrumieni mają działanie desorpcyjne i czyszczące na powierzchnię stałą (taką jak katalizator), co może usunąć produkty reakcji powierzchniowych lub półprodukty oraz warstwę pasywacji powierzchni katalizatora;

(3) Fala uderzeniowa może zniszczyć strukturę reagenta

(4) Układ rozproszonych reagentów;

(5) Kawitacja ultradźwiękowa powoduje erozję powierzchni metalu, a fala uderzeniowa prowadzi do odkształcenia siatki metalowej i powstania wewnętrznej strefy naprężenia, co poprawia aktywność reakcji chemicznej metalu;

6) Promuj penetrację rozpuszczalnika w ciało stałe, aby wywołać tak zwaną reakcję inkluzji;

(7) Aby poprawić dyspersję katalizatora, do przygotowania katalizatora często stosuje się ultradźwięki. Napromienianie ultradźwiękowe może zwiększyć powierzchnię katalizatora, sprawić, że aktywne składniki będą bardziej równomiernie rozproszone i zwiększyć aktywność katalityczną.

3. Chemia polimerów ultradźwiękowych

Szerokie zainteresowanie budzi zastosowanie ultradźwiękowej chemii polimerów dodatnich. Obróbka ultradźwiękowa może powodować degradację makrocząsteczek, zwłaszcza polimerów o wysokiej masie cząsteczkowej. Celuloza, żelatyna, guma i białko mogą zostać rozłożone w wyniku obróbki ultradźwiękowej. Obecnie powszechnie uważa się, że mechanizm degradacji ultradźwiękowej wynika z działania siły i wysokiego ciśnienia w momencie pęknięcia pęcherzyka kawitacyjnego, a pozostała część degradacji może wynikać z działania ciepła. W pewnych warunkach ultradźwięki mocy mogą również inicjować polimeryzację. Silne promieniowanie ultradźwiękowe może zainicjować kopolimeryzację polialkoholu winylowego i akrylonitrylu w celu wytworzenia kopolimerów blokowych oraz kopolimeryzację polioctanu winylu i politlenku etylenu w celu wytworzenia kopolimerów szczepionych.

4. Nowa technologia reakcji chemicznych wzmocniona polem ultradźwiękowym

Połączenie nowej technologii reakcji chemicznych i wzmocnienia pola ultradźwiękowego to kolejny potencjalny kierunek rozwoju w dziedzinie chemii ultradźwiękowej. Na przykład jako medium stosuje się płyn nadkrytyczny, a pole ultradźwiękowe służy do wzmocnienia reakcji katalitycznej. Na przykład płyn nadkrytyczny ma gęstość podobną do cieczy, a lepkość i współczynnik dyfuzji podobny do gazu, co sprawia, że ​​jego rozpuszczanie jest równoważne cieczy, a zdolność przenoszenia masy równoważna gazowi. Dezaktywację katalizatora heterogenicznego można usprawnić wykorzystując dobrą rozpuszczalność i właściwości dyfuzyjne płynu nadkrytycznego, jednak niewątpliwie wisienką na torcie jest możliwość wykorzystania do jego wzmocnienia pola ultradźwiękowego. Fala uderzeniowa i mikrostrumień generowane przez kawitację ultradźwiękową mogą nie tylko znacznie poprawić płyn nadkrytyczny w celu rozpuszczenia niektórych substancji prowadzących do dezaktywacji katalizatora, pełnić rolę desorpcji i czyszczenia oraz utrzymywać aktywność katalizatora przez długi czas, ale także odgrywać rolę rola mieszania, które może rozproszyć układ reakcyjny i zwiększyć szybkość przenoszenia masy reakcji chemicznej płynu nadkrytycznego na wyższy poziom. Ponadto wysoka temperatura i wysokie ciśnienie w lokalnym punkcie powstałym w wyniku kawitacji ultradźwiękowej będą sprzyjać pękaniu reagentów na wolne rodniki i znacznie przyspieszać szybkość reakcji. Obecnie prowadzi się wiele badań nad reakcją chemiczną płynu nadkrytycznego, natomiast niewiele jest badań nad wzmocnieniem tej reakcji za pomocą pola ultradźwiękowego.

5. zastosowanie ultradźwięków dużej mocy w produkcji biodiesla

Kluczem do przygotowania biodiesla jest katalityczna transestryfikacja glicerydu kwasu tłuszczowego metanolem i innymi alkoholami niskowęglowymi. Ultradźwięki mogą oczywiście wzmocnić reakcję transestryfikacji, szczególnie w przypadku heterogenicznych układów reakcyjnych, mogą znacznie poprawić efekt mieszania (emulsyfikacji) i promować pośrednią reakcję kontaktu molekularnego, tak że pierwotnie reakcja wymagała przeprowadzenia w warunkach wysokiej temperatury (wysokiego ciśnienia) można zakończyć w temperaturze pokojowej (lub zbliżonej do temperatury pokojowej) i skrócić czas reakcji. Fala ultradźwiękowa wykorzystywana jest nie tylko w procesie transestryfikacji, ale także do rozdzielania mieszaniny reakcyjnej. Naukowcy z Mississippi State University w Stanach Zjednoczonych wykorzystali obróbkę ultradźwiękową w produkcji biodiesla. Wydajność biodiesla przekroczyła 99% w ciągu 5 minut, podczas gdy w konwencjonalnym systemie reaktora okresowego trwało to ponad 1 godzinę.