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.Napromieniowanie 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.