La aplicación temprana del ultrasonido en bioquímica debería consistir en romper la pared celular con ultrasonido para liberar su contenido.Estudios posteriores han demostrado que los ultrasonidos de baja intensidad pueden promover el proceso de reacción bioquímica.Por ejemplo, la irradiación ultrasónica de una base nutritiva líquida puede aumentar la tasa de crecimiento de las células de algas, aumentando así tres veces la cantidad de proteína producida por estas células.

En comparación con la densidad de energía del colapso de la burbuja de cavitación, la densidad de energía del campo de sonido ultrasónico se ha ampliado billones de veces, lo que resulta en una enorme concentración de energía;Los fenómenos sonoquímicos y la sonoluminiscencia causados ​​por la alta temperatura y presión producidas por las burbujas de cavitación son formas únicas de intercambio de energía y materiales en la sonoquímica.Por lo tanto, el ultrasonido juega un papel cada vez más importante en la extracción química, la producción de biodiesel, la síntesis orgánica, el tratamiento microbiano, la degradación de contaminantes orgánicos tóxicos, la velocidad y el rendimiento de las reacciones químicas, la eficiencia catalítica del catalizador, el tratamiento de biodegradación, la prevención y eliminación de incrustaciones ultrasónicas y la trituración de células biológicas. , dispersión y aglomeración, y reacción sonoquímica.

1. reacción química mejorada por ultrasonidos.

Reacción química mejorada por ultrasonido.La principal fuerza impulsora es la cavitación ultrasónica.El colapso del núcleo de la burbuja en cavitación produce alta temperatura local, alta presión y un fuerte impacto y microchorro, lo que proporciona un entorno físico y químico nuevo y muy especial para reacciones químicas que son difíciles o imposibles de lograr en condiciones normales.

2. Reacción catalítica ultrasónica.

Como nuevo campo de investigación, la reacción catalítica ultrasónica ha atraído cada vez más interés.Los principales efectos de los ultrasonidos sobre la reacción catalítica son:

(1) Las altas temperaturas y las altas presiones favorecen el craqueo de los reactivos en radicales libres y carbono divalente, formando especies de reacción más activas;

(2) Las ondas de choque y los microchorros tienen efectos de desorción y limpieza sobre la superficie sólida (como el catalizador), lo que puede eliminar los productos de reacción de la superficie o los intermedios y la capa de pasivación de la superficie del catalizador;

(3) La onda de choque puede destruir la estructura reactiva.

(4) Sistema de reactivos dispersos;

(5) La cavitación ultrasónica erosiona la superficie del metal y la onda de choque provoca la deformación de la red metálica y la formación de una zona de tensión interna, lo que mejora la actividad de reacción química del metal;

6) Promover que el solvente penetre en el sólido para producir la llamada reacción de inclusión;

(7) Para mejorar la dispersión del catalizador, a menudo se utiliza ultrasonido en la preparación del catalizador.La irradiación ultrasónica puede aumentar la superficie del catalizador, hacer que los componentes activos se dispersen más uniformemente y mejorar la actividad catalítica.

3. Química de polímeros ultrasónica

La aplicación de la química de polímeros positivos por ultrasonidos ha atraído una gran atención.El tratamiento ultrasónico puede degradar macromoléculas, especialmente polímeros de alto peso molecular.La celulosa, la gelatina, el caucho y las proteínas pueden degradarse mediante tratamiento ultrasónico.En la actualidad, se cree generalmente que el mecanismo de degradación ultrasónica se debe al efecto de la fuerza y ​​la alta presión cuando estalla la burbuja de cavitación, y que la otra parte de la degradación puede deberse al efecto del calor.En determinadas condiciones, los ultrasonidos potentes también pueden iniciar la polimerización.Una fuerte irradiación ultrasónica puede iniciar la copolimerización de alcohol polivinílico y acrilonitrilo para preparar copolímeros en bloque, y la copolimerización de acetato de polivinilo y óxido de polietileno para formar copolímeros de injerto.

4. Nueva tecnología de reacción química mejorada por campo ultrasónico

La combinación de nueva tecnología de reacción química y mejora del campo ultrasónico es otra posible dirección de desarrollo en el campo de la química ultrasónica.Por ejemplo, el fluido supercrítico se utiliza como medio y el campo ultrasónico se utiliza para fortalecer la reacción catalítica.Por ejemplo, el fluido supercrítico tiene una densidad similar a la del líquido y una viscosidad y coeficiente de difusión similares a los del gas, lo que hace que su disolución sea equivalente a la del líquido y su capacidad de transferencia de masa equivalente a la del gas.La desactivación de catalizadores heterogéneos se puede mejorar utilizando las buenas propiedades de solubilidad y difusión del fluido supercrítico, pero sin duda es la guinda del pastel si se puede utilizar un campo ultrasónico para fortalecerlo.La onda de choque y el microchorro generados por la cavitación ultrasónica no solo pueden mejorar en gran medida el fluido supercrítico para disolver algunas sustancias que conducen a la desactivación del catalizador, desempeñan el papel de desorción y limpieza y mantienen el catalizador activo durante mucho tiempo, sino que también desempeñan el papel de Función de agitación, que puede dispersar el sistema de reacción y hacer que la tasa de transferencia de masa de la reacción química del fluido supercrítico alcance un nivel superior.Además, la alta temperatura y la alta presión en el punto local formado por la cavitación ultrasónica favorecerán el craqueo de los reactivos en radicales libres y acelerarán en gran medida la velocidad de reacción.En la actualidad, existen muchos estudios sobre la reacción química del fluido supercrítico, pero pocos estudios sobre la mejora de dicha reacción mediante campos ultrasónicos.

5. aplicación de ultrasonidos de alta potencia en la producción de biodiesel

La clave para la preparación de biodiesel es la transesterificación catalítica de glicéridos de ácidos grasos con metanol y otros alcoholes bajos en carbono.Obviamente, el ultrasonido puede fortalecer la reacción de transesterificación, especialmente para sistemas de reacción heterogéneos, puede mejorar significativamente el efecto de mezcla (emulsificación) y promover la reacción de contacto molecular indirecto, de modo que la reacción originalmente requería llevarse a cabo en condiciones de alta temperatura (alta presión). se puede completar a temperatura ambiente (o cerca de la temperatura ambiente) y acortar el tiempo de reacción.La onda ultrasónica no sólo se utiliza en el proceso de transesterificación, sino también en la separación de la mezcla de reacción.Investigadores de la Universidad Estatal de Mississippi en Estados Unidos utilizaron procesamiento ultrasónico en la producción de biodiesel.El rendimiento de biodiesel superó el 99% en 5 minutos, mientras que el sistema de reactor discontinuo convencional tardó más de 1 hora.