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

W porównaniu z gęstością energii zapadania się pęcherzyków kawitacyjnych, gęstość energii pola ultradźwiękowego została zwiększona biliony 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 materiału 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 chemicznych, wydajności katalitycznej katalizatora, obróbce biodegradacyjnej, zapobieganiu tworzeniu się kamienia i jego usuwaniu za pomocą ultradźwięków, biologicznym kruszeniu komórek, dyspersji i aglomeracji oraz reakcji sonochemicznej.

1. reakcja chemiczna wspomagana ultradźwiękami.

Reakcja chemiczna wzmocniona ultradźwiękami. Główną siłą napędową jest kawitacja ultradźwiękowa. Zapadnięcie się rdzenia kawitującego pęcherzyka powoduje lokalną wysoką temperaturę, wysokie ciśnienie i silne uderzenie oraz mikrostrumień, co zapewnia nowe i bardzo szczególne środowisko fizyczne i chemiczne dla reakcji chemicznych, które są trudne lub niemożliwe do osiągnięcia w normalnych warunkach.

2. Reakcja katalityczna ultradźwiękowa.

Jako nowy obszar badań, reakcja katalityczna ultradźwiękowa przyciąga coraz większe zainteresowanie. Główne efekty ultradźwięków na reakcję katalityczną to:

(1) Wysoka temperatura i wysokie ciśnienie sprzyjają rozpadowi substratów na wolne rodniki i dwuwartościowy węgiel, tworząc bardziej aktywne gatunki reakcji;

(2) Fala uderzeniowa i mikrostrumień mają działanie desorpcyjne i czyszczące na powierzchni ciała stałego (takiej jak katalizator), co może usuwać produkty reakcji powierzchniowej lub produkty pośrednie oraz warstwę pasywacyjną powierzchni katalizatora;

(3) Fala uderzeniowa może zniszczyć strukturę substratu

(4) Rozproszony układ reagentów;

(5) Kawitacja ultradźwiękowa powoduje erozję powierzchni metalu, a fala uderzeniowa prowadzi do odkształcenia sieci krystalicznej metalu i powstania strefy odkształceń wewnętrznych, co poprawia aktywność reakcji chemicznych metalu;

6) Wspomaganie wnikania rozpuszczalnika w ciało stałe w celu wywołania tzw. reakcji inkluzji;

(7) Aby poprawić dyspersję katalizatora, ultradźwięki są często używane w przygotowaniu katalizatora. Napromieniowanie ultradźwiękowe może zwiększyć powierzchnię katalizatora, sprawić, że składniki aktywne będą bardziej równomiernie rozproszone i wzmocnić aktywność katalityczną.

3. Chemia polimerów ultradźwiękowych

Zastosowanie ultradźwiękowej chemii polimerów dodatnich przyciągnęło szeroką uwagę. Obróbka ultradźwiękowa może degradować makrocząsteczki, zwłaszcza polimery o dużej masie cząsteczkowej. Celuloza, żelatyna, guma i białko mogą zostać zdegradowane przez obróbkę ultradźwiękową. Obecnie uważa się powszechnie, że mechanizm degradacji ultradźwiękowej jest spowodowany działaniem siły i wysokiego ciśnienia, gdy pęka pęcherzyk kawitacyjny, a pozostała część degradacji może być spowodowana działaniem ciepła. W pewnych warunkach silne ultradźwięki mogą również inicjować polimeryzację. Silne napromieniowanie ultradźwiękowe może inicjować kopolimeryzację alkoholu poliwinylowego i akrylonitrylu w celu przygotowania kopolimerów blokowych oraz kopolimeryzację octanu poliwinylu i tlenku polietylenu w celu utworzenia kopolimerów szczepionych.

4. Nowa technologia reakcji chemicznych ulepszona przez pole ultradźwiękowe

Połączenie nowej technologii reakcji chemicznych i wzmocnienia pola ultradźwiękowego to kolejny potencjalny kierunek rozwoju w dziedzinie chemii ultradźwiękowej. Na przykład płyn nadkrytyczny jest używany jako medium, a pole ultradźwiękowe jest używane do wzmocnienia reakcji katalitycznej. Na przykład płyn nadkrytyczny ma gęstość podobną do cieczy, a lepkość i współczynnik dyfuzji podobne do gazu, co sprawia, że ​​jego rozpuszczanie jest równoważne z cieczą, a jego zdolność przenoszenia masy jest równoważna z gazem. Dezaktywację heterogenicznego katalizatora można poprawić, wykorzystując dobre właściwości rozpuszczalności i dyfuzji płynu nadkrytycznego, ale jest to niewątpliwie wisienka na torcie, jeśli pole ultradźwiękowe może być użyte do jego wzmocnienia. Fala uderzeniowa i mikrostrumień generowane przez kawitację ultradźwiękową mogą nie tylko znacznie zwiększyć rozpuszczalność płynu nadkrytycznego w niektórych substancjach, które prowadzą do dezaktywacji katalizatora, pełnić rolę desorpcji i czyszczenia oraz utrzymywać katalizator aktywny przez długi czas, ale także pełnić rolę mieszania, co może rozproszyć układ reakcji i zwiększyć szybkość przenoszenia masy reakcji chemicznej płynu nadkrytycznego. Ponadto wysoka temperatura i wysokie ciśnienie w punkcie lokalnym utworzonym przez kawitację ultradźwiękową będą sprzyjać pękaniu reagentów na wolne rodniki i znacznie przyspieszać szybkość reakcji. Obecnie istnieje wiele badań nad reakcją chemiczną płynu nadkrytycznego, ale niewiele badań nad zwiększeniem takiej reakcji za pomocą pola ultradźwiękowego.

5. Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy w produkcji biodiesla

Kluczem do przygotowania biodiesla jest katalityczna transestryfikacja glicerydu kwasu tłuszczowego z metanolem i innymi alkoholami niskowęglowymi. Ultradźwięki mogą oczywiście wzmocnić reakcję transestryfikacji, szczególnie w przypadku heterogenicznych układów reakcji, mogą znacznie zwiększyć efekt mieszania (emulgowania) i promować pośrednią reakcję kontaktu molekularnego, tak aby reakcja pierwotnie wymagana do przeprowadzenia w warunkach wysokiej temperatury (wysokiego ciśnienia) mogła zostać ukończona w temperaturze pokojowej (lub zbliżonej do temperatury pokojowej) i skrócić czas reakcji. Fala ultradźwiękowa jest stosowana nie tylko w procesie transestryfikacji, ale także w rozdzielaniu mieszaniny reakcyjnej. Naukowcy z Mississippi State University w Stanach Zjednoczonych zastosowali przetwarzanie ultradźwiękowe w produkcji biodiesla. Wydajność biodiesla przekroczyła 99% w ciągu 5 minut, podczas gdy konwencjonalny system reaktora wsadowego zajmował ponad 1 godzinę.