Die erste Anwendung von Ultraschall in der Biochemie bestand darin, die Zellwand mit Ultraschall zu zerstören, um den Inhalt freizusetzen. Spätere Studien zeigten, dass Ultraschall niedriger Intensität den biochemischen Reaktionsprozess fördern kann. Beispielsweise kann die Ultraschallbestrahlung einer flüssigen Nährlösung das Wachstum von Algenzellen steigern und so die von diesen Zellen produzierte Proteinmenge verdreifachen.

Im Vergleich zur Energiedichte beim Kollabieren von Kavitationsblasen ist die Energiedichte des Ultraschallfelds um ein Billionenfaches erhöht, was zu einer enormen Energiekonzentration führt. Sonochemische Phänomene und Sonolumineszenz, die durch die hohen Temperaturen und Drücke der Kavitationsblasen verursacht werden, sind einzigartige Formen des Energie- und Stoffaustauschs in der Sonochemie. Daher spielt Ultraschall eine zunehmend wichtige Rolle bei der chemischen Extraktion, der Biodieselproduktion, der organischen Synthese, der mikrobiellen Behandlung, dem Abbau giftiger organischer Schadstoffe, der Geschwindigkeit und Ausbeute chemischer Reaktionen, der katalytischen Effizienz von Katalysatoren, der biologischen Abbaubehandlung, der Verhinderung und Entfernung von Ablagerungen durch Ultraschall, der Zerkleinerung, Dispersion und Agglomeration biologischer Zellen sowie bei sonochemischen Reaktionen.

1. Durch Ultraschall verstärkte chemische Reaktion.

Ultraschall verstärkt chemische Reaktionen. Die Hauptantriebskraft ist die Ultraschallkavitation. Der Kollaps des kavitierenden Blasenkerns erzeugt lokal hohe Temperaturen, hohen Druck, starke Stöße und Mikrostrahlen. Dies schafft eine neue und ganz besondere physikalische und chemische Umgebung für chemische Reaktionen, die unter normalen Bedingungen nur schwer oder gar nicht möglich sind.

2. Katalytische Ultraschallreaktion.

Als neues Forschungsgebiet hat die katalytische Ultraschallreaktion zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die wichtigsten Auswirkungen von Ultraschall auf katalytische Reaktionen sind:

(1) Hohe Temperaturen und hoher Druck fördern das Cracken der Reaktanten in freie Radikale und zweiwertigen Kohlenstoff, wodurch aktivere Reaktionsspezies entstehen.

(2) Stoßwellen und Mikrostrahlen haben eine desorbierende und reinigende Wirkung auf feste Oberflächen (wie Katalysatoren), wodurch Oberflächenreaktionsprodukte oder Zwischenprodukte sowie die Passivierungsschicht der Katalysatoroberfläche entfernt werden können.

(3) Stoßwellen können die Struktur der Reaktanten zerstören

(4) Dispergiertes Reaktantensystem;

(5) Ultraschallkavitation erodiert die Metalloberfläche, und die Stoßwelle führt zur Verformung des Metallgitters und zur Bildung der inneren Spannungszone, was die chemische Reaktionsaktivität des Metalls verbessert;

6) Fördern Sie das Eindringen des Lösungsmittels in den Feststoff, um die sogenannte Einschlussreaktion auszulösen.

(7) Um die Dispersion des Katalysators zu verbessern, wird bei seiner Herstellung häufig Ultraschall eingesetzt. Durch Ultraschallbestrahlung kann die Oberfläche des Katalysators vergrößert, die aktiven Komponenten gleichmäßiger verteilt und die katalytische Aktivität gesteigert werden.

3. Ultraschall-Polymerchemie

Die Anwendung der positiven Polymerchemie mit Ultraschall hat große Aufmerksamkeit erregt. Ultraschall kann Makromoleküle, insbesondere hochmolekulare Polymere, abbauen. Cellulose, Gelatine, Gummi und Proteine ​​können durch Ultraschall abgebaut werden. Derzeit wird allgemein angenommen, dass der Ultraschall-Abbaumechanismus auf die Krafteinwirkung und den hohen Druck beim Platzen der Kavitationsblase zurückzuführen ist. Ein weiterer Teil des Abbaus könnte durch Hitzeeinwirkung verursacht werden. Unter bestimmten Bedingungen kann starker Ultraschall auch eine Polymerisation auslösen. Starke Ultraschallbestrahlung kann die Copolymerisation von Polyvinylalkohol und Acrylnitril zu Blockcopolymeren sowie die Copolymerisation von Polyvinylacetat und Polyethylenoxid zu Pfropfcopolymeren auslösen.

4. Neue chemische Reaktionstechnologie durch Ultraschallfeld verbessert

Die Kombination aus neuer chemischer Reaktionstechnologie und der Verstärkung von Ultraschallfeldern ist eine weitere potenzielle Entwicklungsrichtung in der Ultraschallchemie. Beispielsweise wird ein überkritisches Fluid als Medium verwendet, und das Ultraschallfeld verstärkt die katalytische Reaktion. Überkritisches Fluid hat beispielsweise eine ähnliche Dichte wie Flüssigkeit und eine ähnliche Viskosität und einen ähnlichen Diffusionskoeffizienten wie Gas, wodurch es sich wie Flüssigkeit auflöst und eine dem Gas entsprechende Stofftransportkapazität aufweist. Die Deaktivierung heterogener Katalysatoren kann durch Ausnutzung der guten Löslichkeits- und Diffusionseigenschaften von überkritischem Fluid verbessert werden. Die Verstärkung durch ein Ultraschallfeld ist jedoch zweifellos das Tüpfelchen auf dem i. Die durch Ultraschallkavitation erzeugten Stoßwellen und Mikrostrahlen können nicht nur die Auflösung einiger Substanzen, die zur Katalysatordeaktivierung führen, im überkritischen Fluid deutlich verbessern, die Desorption und Reinigung übernehmen und den Katalysator lange aktiv halten, sondern auch als Rührwerk fungieren, wodurch das Reaktionssystem dispergiert und die Stofftransportrate chemischer Reaktionen in überkritischem Fluid erhöht wird. Darüber hinaus fördern die hohe Temperatur und der hohe Druck an dem durch Ultraschallkavitation gebildeten lokalen Punkt die Spaltung der Reaktanten in freie Radikale und beschleunigen die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich. Derzeit gibt es viele Studien zur chemischen Reaktion von überkritischen Flüssigkeiten, aber nur wenige Studien zur Verstärkung solcher Reaktionen durch Ultraschallfelder.

5. Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall in der Biodieselproduktion

Der Schlüssel zur Herstellung von Biodiesel ist die katalytische Umesterung von Fettsäureglyceriden mit Methanol und anderen kohlenstoffarmen Alkoholen. Ultraschall kann die Umesterungsreaktion deutlich verstärken, insbesondere bei heterogenen Reaktionssystemen. Er kann den Mischeffekt (Emulgierung) deutlich verbessern und die indirekte Molekülkontaktreaktion fördern, sodass die ursprünglich bei hohen Temperaturen (hohem Druck) durchgeführte Reaktion bei Raumtemperatur (oder nahe Raumtemperatur) abgeschlossen werden kann und die Reaktionszeit verkürzt wird. Ultraschallwellen werden nicht nur bei der Umesterung, sondern auch bei der Trennung von Reaktionsgemischen eingesetzt. Forscher der Mississippi State University in den USA setzten Ultraschallverfahren bei der Herstellung von Biodiesel ein. Die Biodieselausbeute überstieg innerhalb von fünf Minuten 99 %, während das herkömmliche Batch-Reaktorsystem mehr als eine Stunde benötigte.