A aplicação inicial do ultrassom em bioquímica deve ser a destruição da parede celular com ultrassom para liberar seu conteúdo. Estudos subsequentes demonstraram que o ultrassom de baixa intensidade pode promover o processo de reação bioquímica. Por exemplo, a irradiação ultrassônica de uma base nutritiva líquida pode aumentar a taxa de crescimento de células de algas, triplicando assim a quantidade de proteína produzida por essas células.

Comparada à 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; fenômenos sonoquímicos e sonoluminescência causados ​​por altas temperaturas e pressões produzidas por bolhas de cavitação são formas únicas de troca de energia e material em 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 reações químicas, eficiência catalítica de catalisadores, tratamento de biodegradação, prevenção e remoção de incrustações ultrassônicas, esmagamento, dispersão e aglomeração de células biológicas e reações sonoquímicas.

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, forte impacto e microjato, o que proporciona um ambiente físico e químico novo e muito especial para reações químicas difíceis ou impossíveis de serem realizadas 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) Altas temperaturas e altas pressões são propícias à quebra de 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 da superfície ou intermediários e a camada de passivação da superfície do catalisador;

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

(4) Sistema de reagentes dispersos;

(5) A cavitação ultrassônica corrói a superfície do metal, e a onda de choque leva à deformação da estrutura do metal e à formação da zona de deformação interna, o que melhora a atividade de 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 utilizado na preparação do catalisador. A irradiação ultrassônica pode aumentar a área de superfície do catalisador, dispersar os componentes ativos de forma mais uniforme e aumentar a atividade catalítica.

3. Química de polímeros ultrassônicos

A aplicação da química de polímeros positivos por ultrassom tem atraído ampla 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 que o mecanismo de degradação ultrassônico se deve ao efeito da força e da alta pressão quando a bolha de cavitação estoura, e a outra parte da degradação pode ser devido ao efeito do calor. Sob certas condições, o ultrassom de potência também pode iniciar a polimerização. A irradiação ultrassônica forte 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 pelo campo ultrassônico

A combinação de novas tecnologias de reação química e o 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 à do líquido e viscosidade e coeficiente de difusão semelhantes aos do gás, o que torna sua dissolução equivalente à do líquido e sua capacidade de transferência de massa equivalente à do gás. A desativação de catalisadores heterogêneos 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 significativamente a capacidade do fluido supercrítico de 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, o que pode dispersar o sistema de reação e elevar a taxa de transferência de massa da reação química do fluido supercrítico a um nível mais alto. Além disso, a alta temperatura e a alta pressão no ponto local formado pela cavitação ultrassônica favorecem o craqueamento dos reagentes em radicais livres, acelerando significativamente 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 de glicerídeos de ácidos graxos com metanol e outros álcoois de baixo carbono. O ultrassom pode, obviamente, fortalecer a reação de transesterificação, especialmente em sistemas de reação heterogêneos. Ele pode aumentar significativamente o efeito de mistura (emulsificação) e promover a reação de contato molecular indireto, de modo que a reação, que originalmente deveria ser realizada em condições de alta temperatura (alta pressão), possa ser concluída à temperatura ambiente (ou próxima à temperatura ambiente), reduzindo o tempo de reação. A onda ultrassônica não é usada apenas no processo de transesterificação, mas também na separação da mistura de reação. Pesquisadores da Universidade Estadual do Mississippi, nos Estados Unidos, utilizaram o processamento ultrassônico na produção de biodiesel. O rendimento do biodiesel ultrapassou 99% em 5 minutos, enquanto o sistema de reator em batelada convencional levou mais de 1 hora.