Раннее применение ультразвука в биохимии должно было заключаться в разрушении клеточной стенки ультразвуком для высвобождения ее содержимого. Последующие исследования показали, что низкоинтенсивный ультразвук может способствовать процессу биохимической реакции. Например, ультразвуковое облучение жидкой питательной основы может увеличить скорость роста клеток водорослей, тем самым увеличивая количество белка, вырабатываемого этими клетками, в три раза.

По сравнению с плотностью энергии коллапса кавитационного пузырька, плотность энергии ультразвукового звукового поля была увеличена в триллионы раз, что привело к огромной концентрации энергии; Сонохимические явления и сонолюминесценция, вызванные высокой температурой и давлением, создаваемыми кавитационными пузырьками, являются уникальными формами обмена энергией и материалами в сонохимии. Поэтому ультразвук играет все более важную роль в химической экстракции, производстве биодизеля, органическом синтезе, микробной обработке, деградации токсичных органических загрязнителей, скорости и выходе химических реакций, каталитической эффективности катализатора, обработке биодеградации, предотвращении и удалении ультразвуковых отложений, биологическом дроблении клеток, дисперсии и агломерации и сонохимической реакции.

1. химическая реакция, усиленная ультразвуком.

Ультразвуковая усиленная химическая реакция. Главной движущей силой является ультразвуковая кавитация. Коллапс кавитирующего ядра пузырька создает локальную высокую температуру, высокое давление и сильный удар и микрострую, что обеспечивает новую и очень особую физическую и химическую среду для химических реакций, которые трудно или невозможно достичь в обычных условиях.

2. Ультразвуковая каталитическая реакция.

Как новая область исследований, ультразвуковая каталитическая реакция привлекает все больше и больше интереса. Основные эффекты ультразвука на каталитическую реакцию:

(1) Высокая температура и высокое давление способствуют расщеплению реагентов на свободные радикалы и двухвалентный углерод, образуя более активные реакционные частицы;

(2) Ударная волна и микроструя оказывают десорбционное и очищающее действие на твердую поверхность (такую ​​как катализатор), что позволяет удалять продукты поверхностных реакций или промежуточные продукты, а также пассивирующий слой поверхности катализатора;

(3) Ударная волна может разрушить структуру реагента

(4) Дисперсная система реагентов;

(5) Ультразвуковая кавитация разрушает поверхность металла, а ударная волна приводит к деформации решетки металла и образованию внутренней зоны напряжений, что повышает активность химических реакций металла;

6) Способствовать проникновению растворителя в твердое тело, вызывая так называемую реакцию включения;

(7) Для улучшения дисперсии катализатора при его приготовлении часто используют ультразвук. Ультразвуковое облучение может увеличить площадь поверхности катализатора, сделать активные компоненты более равномерно диспергированными и повысить каталитическую активность.

3. Ультразвуковая полимерная химия

Применение ультразвуковой позитивной полимерной химии привлекло широкое внимание. Ультразвуковая обработка может разрушать макромолекулы, особенно полимеры с высокой молекулярной массой. Целлюлоза, желатин, резина и белок могут быть разрушены ультразвуковой обработкой. В настоящее время принято считать, что механизм ультразвуковой деградации обусловлен воздействием силы и высокого давления при лопании кавитационного пузырька, а другая часть деградации может быть вызвана воздействием тепла. При определенных условиях мощный ультразвук также может инициировать полимеризацию. Сильное ультразвуковое облучение может инициировать сополимеризацию поливинилового спирта и акрилонитрила для получения блок-сополимеров и сополимеризацию поливинилацетата и полиэтиленоксида для образования привитых сополимеров.

4. Новая технология химических реакций, улучшенная с помощью ультразвукового поля

Сочетание новой технологии химических реакций и усиления ультразвукового поля является еще одним потенциальным направлением развития в области ультразвуковой химии. Например, сверхкритическая жидкость используется в качестве среды, а ультразвуковое поле используется для усиления каталитической реакции. Например, сверхкритическая жидкость имеет плотность, близкую к жидкости, а вязкость и коэффициент диффузии, подобные газу, что делает ее растворение эквивалентным жидкости, а ее массопереносящую способность эквивалентной газу. Дезактивацию гетерогенного катализатора можно улучшить, используя хорошие свойства растворимости и диффузии сверхкритической жидкости, но это, несомненно, вишенка на торте, если ультразвуковое поле можно использовать для ее усиления. Ударная волна и микроструя, генерируемые ультразвуковой кавитацией, могут не только значительно улучшить сверхкритическую жидкость, чтобы растворить некоторые вещества, которые приводят к дезактивации катализатора, играть роль десорбции и очистки и поддерживать катализатор активным в течение длительного времени, но также играть роль перемешивания, которое может диспергировать реакционную систему и сделать скорость массопереноса химической реакции сверхкритической жидкости на более высоком уровне. Кроме того, высокая температура и высокое давление в локальной точке, образованные ультразвуковой кавитацией, будут способствовать расщеплению реагентов на свободные радикалы и значительно ускорять скорость реакции. В настоящее время существует много исследований по химической реакции сверхкритической жидкости, но мало исследований по усилению такой реакции ультразвуковым полем.

5. применение мощного ультразвука в производстве биодизеля

Ключом к получению биодизеля является каталитическая переэтерификация глицерида жирной кислоты с метанолом и другими низкоуглеродистыми спиртами. Ультразвук, очевидно, может усилить реакцию переэтерификации, особенно для гетерогенных реакционных систем, он может значительно усилить эффект смешивания (эмульгирования) и способствовать реакции непрямого молекулярного контакта, так что реакция, изначально требующая проведения в условиях высокой температуры (высокого давления), может быть завершена при комнатной температуре (или близкой к комнатной температуре), и сократить время реакции. Ультразвуковая волна используется не только в процессе переэтерификации, но и при разделении реакционной смеси. Исследователи из Университета штата Миссисипи в США использовали ультразвуковую обработку при производстве биодизеля. Выход биодизеля превысил 99% в течение 5 минут, в то время как обычная система реактора периодического действия заняла более 1 часа.