A aplicação inicial do ultrassom em bioquímica deveria ser quebrar a parede celular com ultrassom para liberar seu conteúdo. Estudos subsequentes mostraram que o ultrassom de baixa intensidade pode promover o processo de reação bioquímica. Por exemplo, a irradiação ultrassônica de base nutritiva líquida pode aumentar a taxa de crescimento das células de algas, aumentando assim em três vezes a quantidade de proteína produzida por essas células.

Comparada com a densidade de energia do colapso da bolha de cavitação, a densidade de energia do campo sonoro ultrassônico foi ampliada em trilhões de vezes, resultando em uma enorme concentração de energia; Os fenômenos sonoquímicos e a sonoluminescência causados ​​​​pela alta temperatura e pressão produzidas pelas bolhas de cavitação são formas únicas de energia e troca de materiais na sonoquímica. Portanto, o ultrassom desempenha um papel cada vez mais importante na extração química, produção de biodiesel, síntese orgânica, tratamento microbiano, degradação de poluentes orgânicos tóxicos, velocidade e rendimento de reação química, eficiência catalítica do catalisador, tratamento de biodegradação, prevenção e remoção de incrustações ultrassônicas, esmagamento de células biológicas. , dispersão e aglomeração e reação sonoquímica.

1. reação química aprimorada por ultrassom.

Reação química aprimorada por ultrassom. A principal força motriz é a cavitação ultrassônica. O colapso do núcleo da bolha cavitante produz alta temperatura local, alta pressão e forte impacto e microjato, o que fornece um ambiente físico e químico novo e muito especial para reações químicas que são difíceis ou impossíveis de serem alcançadas em condições normais.

2. Reação catalítica ultrassônica.

Como um novo campo de pesquisa, a reação catalítica ultrassônica tem atraído cada vez mais interesse. Os principais efeitos do ultrassom na reação catalítica são:

(1) Alta temperatura e alta pressão conduzem ao craqueamento dos reagentes em radicais livres e carbono divalente, formando espécies de reação mais ativas;

(2) A onda de choque e o microjato têm efeitos de dessorção e limpeza na superfície sólida (como o catalisador), que podem remover produtos de reação superficial ou intermediários e camada de passivação da superfície do catalisador;

(3) A onda de choque pode destruir a estrutura do reagente

(4) Sistema reagente disperso;

(5) A cavitação ultrassônica corrói a superfície do metal, e a onda de choque leva à deformação da estrutura metálica e à formação da zona de deformação interna, o que melhora a atividade da reação química do metal;

6) Promover a penetração do solvente no sólido para produzir a chamada reação de inclusão;

(7) Para melhorar a dispersão do catalisador, o ultrassom é frequentemente usado na preparação do catalisador. A irradiação ultrassônica pode aumentar a área superficial do catalisador, fazer com que os componentes ativos se dispersem de maneira mais uniforme e aumentem a atividade catalítica.

3. Química do polímero ultrassônico

A aplicação da química de polímeros positivos ultrassônicos atraiu muita atenção. O tratamento ultrassônico pode degradar macromoléculas, especialmente polímeros de alto peso molecular. Celulose, gelatina, borracha e proteínas podem ser degradadas por tratamento ultrassônico. Atualmente, acredita-se geralmente que o mecanismo de degradação ultrassônica se deve ao efeito da força e da alta pressão quando a bolha de cavitação estoura, e a outra parte da degradação pode ser devida ao efeito do calor. Sob certas condições, o ultrassom potente também pode iniciar a polimerização. A forte irradiação ultrassônica pode iniciar a copolimerização de álcool polivinílico e acrilonitrila para preparar copolímeros em bloco, e a copolimerização de acetato de polivinila e óxido de polietileno para formar copolímeros de enxerto.

4. Nova tecnologia de reação química aprimorada por campo ultrassônico

A combinação de nova tecnologia de reação química e aprimoramento do campo ultrassônico é outra direção potencial de desenvolvimento no campo da química ultrassônica. Por exemplo, o fluido supercrítico é usado como meio e o campo ultrassônico é usado para fortalecer a reação catalítica. Por exemplo, o fluido supercrítico tem densidade semelhante ao líquido e viscosidade e coeficiente de difusão semelhantes ao gás, o que torna sua dissolução equivalente ao líquido e sua capacidade de transferência de massa equivalente ao gás. A desativação do catalisador heterogêneo pode ser melhorada usando as boas propriedades de solubilidade e difusão do fluido supercrítico, mas é sem dúvida a cereja do bolo se o campo ultrassônico puder ser usado para fortalecê-lo. A onda de choque e o microjato gerados pela cavitação ultrassônica podem não apenas aumentar muito o fluido supercrítico para dissolver algumas substâncias que levam à desativação do catalisador, desempenhar o papel de dessorção e limpeza e manter o catalisador ativo por um longo tempo, mas também desempenhar o papel de agitação, que pode dispersar o sistema de reação e aumentar a taxa de transferência de massa da reação química do fluido supercrítico para um nível mais alto. Além disso, a alta temperatura e a alta pressão no ponto local formado pela cavitação ultrassônica conduzirão ao craqueamento dos reagentes em radicais livres e acelerarão bastante a taxa de reação. Atualmente, existem muitos estudos sobre a reação química de fluidos supercríticos, mas poucos estudos sobre o aprimoramento dessa reação pelo campo ultrassônico.

5. aplicação de ultrassom de alta potência na produção de biodiesel

A chave para a preparação do biodiesel é a transesterificação catalítica do glicerídeo de ácidos graxos com metanol e outros álcoois de baixo carbono. O ultrassom pode obviamente fortalecer a reação de transesterificação, especialmente para sistemas de reação heterogêneos, pode aumentar significativamente o efeito de mistura (emulsificação) e promover a reação de contato molecular indireto, de modo que a reação originalmente necessária para ser realizada sob condições de alta temperatura (alta pressão) pode ser concluído à temperatura ambiente (ou próximo à temperatura ambiente) e encurtar o tempo de reação. A onda ultrassônica não é usada apenas no processo de transesterificação, mas também na separação da mistura reacional. Pesquisadores da Universidade Estadual do Mississippi, nos Estados Unidos, utilizaram processamento ultrassônico na produção de biodiesel. O rendimento do biodiesel excedeu 99% em 5 minutos, enquanto o sistema de reator descontínuo convencional demorou mais de 1 hora.