La prima applicazione degli ultrasuoni in biochimica dovrebbe essere quella di distruggere la parete cellulare con gli ultrasuoni per rilasciarne il contenuto.Studi successivi hanno dimostrato che gli ultrasuoni a bassa intensità possono favorire il processo di reazione biochimica.Ad esempio, l'irradiazione ultrasonica della base nutritiva liquida può aumentare il tasso di crescita delle cellule algali, aumentando così di tre volte la quantità di proteine ​​prodotte da queste cellule.

Rispetto alla densità energetica del collasso delle bolle di cavitazione, la densità energetica del campo sonoro ultrasonico è stata ampliata di trilioni di volte, risultando in un'enorme concentrazione di energia;I fenomeni sonochimici e la sonoluminescenza causati dall'alta temperatura e pressione prodotte dalle bolle di cavitazione sono forme uniche di scambio di energia e materia nella sonochimica.Pertanto, gli ultrasuoni svolgono un ruolo sempre più importante nell'estrazione chimica, nella produzione di biodiesel, nella sintesi organica, nel trattamento microbico, nella degradazione di inquinanti organici tossici, nella velocità e nella resa della reazione chimica, nell'efficienza catalitica del catalizzatore, nel trattamento della biodegradazione, nella prevenzione e rimozione delle incrostazioni ultrasoniche, nella frantumazione delle cellule biologiche. , dispersione e agglomerazione e reazione sonochimica.

1. reazione chimica potenziata dagli ultrasuoni.

Reazione chimica potenziata dagli ultrasuoni.La principale forza trainante è la cavitazione ultrasonica.Il collasso del nucleo della bolla cavitante produce alta temperatura locale, alta pressione, forte impatto e micro getto, che fornisce un nuovo e molto speciale ambiente fisico e chimico per reazioni chimiche difficili o impossibili da ottenere in condizioni normali.

2. Reazione catalitica ad ultrasuoni.

Essendo un nuovo campo di ricerca, la reazione catalitica ad ultrasuoni ha attirato sempre più interesse.I principali effetti degli ultrasuoni sulla reazione catalitica sono:

(1) L'alta temperatura e l'alta pressione favoriscono la scissione dei reagenti in radicali liberi e carbonio bivalente, formando specie di reazione più attive;

(2) L'onda d'urto e il microgetto hanno effetti di desorbimento e pulizia sulla superficie solida (come il catalizzatore), che possono rimuovere i prodotti di reazione superficiale o gli intermedi e lo strato di passivazione superficiale del catalizzatore;

(3) L'onda d'urto può distruggere la struttura del reagente

(4) Sistema di reagenti dispersi;

(5) La cavitazione ultrasonica erode la superficie metallica e l'onda d'urto porta alla deformazione del reticolo metallico e alla formazione della zona di deformazione interna, che migliora l'attività di reazione chimica del metallo;

6) Promuovere la penetrazione del solvente nel solido per produrre la cosiddetta reazione di inclusione;

(7) Per migliorare la dispersione del catalizzatore, nella preparazione del catalizzatore vengono spesso utilizzati gli ultrasuoni.L'irradiazione ultrasonica può aumentare l'area superficiale del catalizzatore, far disperdere i componenti attivi in ​​modo più uniforme e migliorare l'attività catalitica.

3. Chimica dei polimeri ad ultrasuoni

L'applicazione della chimica dei polimeri positivi agli ultrasuoni ha attirato molta attenzione.Il trattamento ad ultrasuoni può degradare le macromolecole, in particolare i polimeri ad alto peso molecolare.Cellulosa, gelatina, gomma e proteine ​​possono essere degradate mediante trattamento ad ultrasuoni.Allo stato attuale, si ritiene generalmente che il meccanismo di degradazione ultrasonica sia dovuto all'effetto della forza e dell'alta pressione quando scoppia la bolla di cavitazione, e l'altra parte della degradazione potrebbe essere dovuta all'effetto del calore.In determinate condizioni, anche gli ultrasuoni di potenza possono avviare la polimerizzazione.Una forte irradiazione ultrasonica può avviare la copolimerizzazione di alcol polivinilico e acrilonitrile per preparare copolimeri a blocchi e la copolimerizzazione di polivinilacetato e ossido di polietilene per formare copolimeri ad innesto.

4. Nuova tecnologia di reazione chimica potenziata dal campo ultrasonico

La combinazione della nuova tecnologia di reazione chimica e del potenziamento del campo ultrasonico è un'altra potenziale direzione di sviluppo nel campo della chimica ultrasonica.Ad esempio, il fluido supercritico viene utilizzato come mezzo e il campo ultrasonico viene utilizzato per rafforzare la reazione catalitica.Ad esempio, il fluido supercritico ha una densità simile al liquido e una viscosità e un coefficiente di diffusione simili al gas, il che rende la sua dissoluzione equivalente al liquido e la sua capacità di trasferimento di massa equivalente al gas.La disattivazione del catalizzatore eterogeneo può essere migliorata sfruttando le buone proprietà di solubilità e diffusione del fluido supercritico, ma è senza dubbio la ciliegina sulla torta se si può utilizzare il campo ultrasonico per rafforzarlo.L'onda d'urto e il microgetto generati dalla cavitazione ultrasonica non solo possono migliorare notevolmente il fluido supercritico per dissolvere alcune sostanze che portano alla disattivazione del catalizzatore, svolgere il ruolo di desorbimento e pulizia e mantenere il catalizzatore attivo per lungo tempo, ma svolgono anche il ruolo di ruolo dell'agitazione, che può disperdere il sistema di reazione e aumentare la velocità di trasferimento di massa della reazione chimica del fluido supercritico.Inoltre, l'alta temperatura e l'alta pressione nel punto locale formato dalla cavitazione ultrasonica favoriranno la scissione dei reagenti in radicali liberi e accelereranno notevolmente la velocità di reazione.Attualmente esistono molti studi sulla reazione chimica del fluido supercritico, ma pochi studi sull'intensificazione di tale reazione mediante campo ultrasonico.

5. applicazione degli ultrasuoni ad alta potenza nella produzione di biodiesel

La chiave per la preparazione del biodiesel è la transesterificazione catalitica del gliceride degli acidi grassi con metanolo e altri alcoli a basso contenuto di carbonio.Gli ultrasuoni possono ovviamente rafforzare la reazione di transesterificazione, soprattutto per i sistemi di reazione eterogenei, possono migliorare significativamente l'effetto di miscelazione (emulsificazione) e promuovere la reazione di contatto molecolare indiretto, in modo che la reazione originariamente richiedesse di essere effettuata in condizioni di alta temperatura (alta pressione) può essere completato a temperatura ambiente (o vicino alla temperatura ambiente) e ridurre il tempo di reazione.L'onda ultrasonica non viene utilizzata solo nel processo di transesterificazione, ma anche nella separazione della miscela di reazione.I ricercatori della Mississippi State University negli Stati Uniti hanno utilizzato l’elaborazione ad ultrasuoni nella produzione di biodiesel.La resa di biodiesel ha superato il 99% in 5 minuti, mentre il sistema di reattore batch convenzionale ha impiegato più di 1 ora.