L'applicazione precoce degli ultrasuoni in biochimica dovrebbe consistere nella rottura della parete cellulare per rilasciarne il contenuto. Studi successivi hanno dimostrato che gli ultrasuoni a bassa intensità possono promuovere il processo di reazione biochimica. Ad esempio, l'irradiazione ultrasonica di una base nutritiva liquida può aumentare il tasso di crescita delle cellule algali, triplicando così 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 aumentata di miliardi di volte, con conseguente 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 delle reazioni chimiche, nell'efficienza catalitica del catalizzatore, nel trattamento di biodegradazione, nella prevenzione e rimozione delle incrostazioni ultrasoniche, nella frantumazione, dispersione e agglomerazione delle cellule biologiche e nelle reazioni sonochimiche.

1. Reazione chimica potenziata tramite ultrasuoni.

Reazione chimica potenziata dagli ultrasuoni. La principale forza motrice è la cavitazione ultrasonica. Il collasso del nucleo della bolla in cavitazione produce localmente alte temperature, alte pressioni e forti impatti, con microgetti che creano un ambiente fisico e chimico nuovo e molto speciale per reazioni chimiche difficili o impossibili da ottenere in condizioni normali.

2. Reazione catalitica ultrasonica.

Come nuovo campo di ricerca, la reazione catalitica ultrasonica ha suscitato sempre maggiore 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) Le onde d'urto e i micro getti 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 della superficie 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 del metallo 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) Favorire la penetrazione del solvente nel solido per produrre la cosiddetta reazione di inclusione;

(7) Per migliorare la dispersione del catalizzatore, si utilizzano spesso gli ultrasuoni nella sua preparazione. L'irradiazione ultrasonica può aumentare la superficie del catalizzatore, distribuire i componenti attivi in ​​modo più uniforme e migliorare l'attività catalitica.

3. Chimica dei polimeri ad ultrasuoni

L'applicazione della chimica polimerica positiva mediante ultrasuoni ha attirato grande attenzione. Il trattamento a ultrasuoni può degradare macromolecole, in particolare polimeri ad alto peso molecolare. Cellulosa, gelatina, gomma e proteine ​​possono essere degradate mediante trattamento a ultrasuoni. Attualmente, si ritiene generalmente che il meccanismo di degradazione mediante ultrasuoni sia dovuto all'effetto della forza e dell'alta pressione quando la bolla di cavitazione scoppia, mentre l'altra parte della degradazione possa essere dovuta all'effetto del calore. In determinate condizioni, anche gli ultrasuoni ad alta potenza possono innescare la polimerizzazione. Un'intensa irradiazione a ultrasuoni può innescare la copolimerizzazione di alcol polivinilico e acrilonitrile per preparare copolimeri a blocchi, e la copolimerizzazione di acetato di polivinile e ossido di polietilene per formare copolimeri a innesto.

4. Nuova tecnologia di reazione chimica potenziata dal campo ultrasonico

La combinazione di nuove tecnologie di reazione chimica e potenziamento del campo ultrasonico rappresenta un'ulteriore potenziale direzione di sviluppo nel campo della chimica ultrasonica. Ad esempio, il fluido supercritico viene utilizzato come mezzo e il campo ultrasonico viene impiegato per potenziare la reazione catalitica. Ad esempio, il fluido supercritico ha densità simile a quella di un liquido e viscosità e coefficiente di diffusione simili a quelli di un gas, il che rende la sua dissoluzione equivalente a quella di un liquido e la sua capacità di trasferimento di massa equivalente a quella di un gas. La disattivazione di catalizzatori eterogenei può essere migliorata sfruttando le buone proprietà di solubilità e diffusione del fluido supercritico, ma la ciliegina sulla torta è senza dubbio la possibilità di utilizzare il campo ultrasonico per potenziarla. L'onda d'urto e il microgetto generati dalla cavitazione ultrasonica non solo possono migliorare significativamente la capacità del fluido supercritico di dissolvere alcune sostanze che portano alla disattivazione del catalizzatore, svolgere il ruolo di desorbimento e pulizia e mantenere il catalizzatore attivo a lungo, ma svolgono anche un ruolo di 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 sul potenziamento di tale reazione mediante campi ultrasonici.

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 tenore di carbonio. Gli ultrasuoni possono ovviamente potenziare la reazione di transesterificazione, soprattutto per sistemi di reazione eterogenei, possono migliorare significativamente l'effetto di miscelazione (emulsione) e promuovere la reazione di contatto molecolare indiretto, in modo che la reazione originariamente richiesta per essere condotta in condizioni di alta temperatura (alta pressione) possa essere completata a temperatura ambiente (o prossima alla temperatura ambiente), riducendo così i tempi di reazione. Gli ultrasuoni non vengono utilizzati solo nel processo di transesterificazione, ma anche nella separazione della miscela di reazione. I ricercatori della Mississippi State University negli Stati Uniti hanno utilizzato il processo a ultrasuoni nella produzione di biodiesel. La resa del biodiesel ha superato il 99% in 5 minuti, mentre il sistema di reattori batch convenzionale richiedeva più di 1 ora.