Die frühe Anwendung von Ultraschall in der Biochemie sollte darin bestehen, die Zellwand mit Ultraschall zu zertrümmern, um ihren Inhalt freizusetzen. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass Ultraschall geringer Intensität den biochemischen Reaktionsprozess fördern kann. Beispielsweise kann die Ultraschallbestrahlung einer flüssigen Nährstoffbasis die Wachstumsrate von Algenzellen steigern und so die von diesen Zellen produzierte Proteinmenge um das Dreifache erhöhen.

Verglichen mit der Energiedichte des Kavitationsblasenkollapses wurde die Energiedichte des Ultraschallfelds um das Billionenfache vergrößert, was zu einer enormen Energiekonzentration führt; Sonochemische Phänomene und Sonolumineszenz, die durch durch Kavitationsblasen erzeugte hohe Temperaturen und Drücke verursacht werden, sind einzigartige Formen des Energie- und Materialaustauschs in der Sonochemie. Daher spielt Ultraschall eine immer wichtigere Rolle bei der chemischen Extraktion, der Biodieselproduktion, der organischen Synthese, der mikrobiellen Behandlung, dem Abbau toxischer organischer Schadstoffe, der Geschwindigkeit und Ausbeute chemischer Reaktionen, der katalytischen Effizienz des Katalysators, der biologischen Abbaubehandlung, der Verhinderung und Entfernung von Ablagerungen durch Ultraschall sowie der Zerkleinerung biologischer Zellen , Dispersion und Agglomeration sowie sonochemische Reaktion.

1. Ultraschallverstärkte chemische Reaktion.

Ultraschallverstärkte chemische Reaktion. Die Hauptantriebskraft ist die Ultraschallkavitation. Der Kollaps des kavitierenden Blasenkerns erzeugt lokal hohe Temperaturen, hohen Druck und starken Aufprall sowie einen Mikrostrahl, der eine neue und ganz besondere physikalische und chemische Umgebung für chemische Reaktionen schafft, die unter normalen Bedingungen nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind.

2. Katalytische Ultraschallreaktion.

Als neues Forschungsgebiet hat die katalytische Ultraschallreaktion immer mehr Interesse auf sich gezogen. Die Haupteffekte von Ultraschall auf die katalytische Reaktion sind:

(1) Hohe Temperaturen und hoher Druck begünstigen die Spaltung der Reaktanten in freie Radikale und zweiwertigen Kohlenstoff, wodurch aktivere Reaktionsspezies entstehen;

(2) Stoßwellen und Mikrostrahlen haben Desorptions- und Reinigungseffekte auf festen Oberflächen (z. B. Katalysatoren), wodurch Oberflächenreaktionsprodukte oder Zwischenprodukte und die Passivierungsschicht der Katalysatoroberfläche entfernt werden können.

(3) Eine Stoßwelle kann die Reaktantenstruktur 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) Förderung des Eindringens des Lösungsmittels in den Feststoff, um die sogenannte Einschlussreaktion auszulösen;

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

3. Ultraschall-Polymerchemie

Die Anwendung der positiven Ultraschall-Polymerchemie hat große Aufmerksamkeit erregt. Durch Ultraschallbehandlung können Makromoleküle, insbesondere Polymere mit hohem Molekulargewicht, abgebaut werden. Zellulose, Gelatine, Gummi und Protein können durch Ultraschallbehandlung abgebaut werden. Gegenwärtig geht man allgemein davon aus, dass der Ultraschall-Degradationsmechanismus auf die Wirkung von Kraft und hohem Druck beim Platzen der Kavitationsblase zurückzuführen ist und dass der andere Teil der Degradation auf die Wirkung von Wärme zurückzuführen sein könnte. Unter bestimmten Bedingungen kann auch leistungsstarker Ultraschall die Polymerisation initiieren. Durch starke Ultraschallbestrahlung kann die Copolymerisation von Polyvinylalkohol und Acrylnitril zur Herstellung von Blockcopolymeren sowie die Copolymerisation von Polyvinylacetat und Polyethylenoxid zur Bildung von Pfropfcopolymeren initiiert werden.

4. Neue chemische Reaktionstechnologie, verbessert durch Ultraschallfeld

Die Kombination aus neuer chemischer Reaktionstechnologie und Ultraschallfeldverstärkung ist eine weitere mögliche Entwicklungsrichtung auf dem Gebiet der Ultraschallchemie. Beispielsweise wird das überkritische Fluid als Medium verwendet und das Ultraschallfeld zur Verstärkung der katalytischen Reaktion genutzt. Beispielsweise hat eine überkritische Flüssigkeit eine ähnliche Dichte wie eine Flüssigkeit und eine ähnliche Viskosität und einen Diffusionskoeffizienten wie ein Gas, wodurch ihre Auflösung der einer Flüssigkeit und ihre Stoffübertragungskapazität der von Gas entspricht. Die Deaktivierung heterogener Katalysatoren kann durch die Nutzung der guten Löslichkeits- und Diffusionseigenschaften überkritischer Flüssigkeiten verbessert werden, aber es ist zweifellos das Tüpfelchen auf dem i, wenn Ultraschallfelder zu ihrer Verstärkung eingesetzt werden können. Die durch Ultraschallkavitation erzeugte Stoßwelle und der Mikrostrahl können nicht nur die überkritische Flüssigkeit erheblich verbessern, um einige Substanzen aufzulösen, die zur Deaktivierung des Katalysators führen, die Rolle der Desorption und Reinigung spielen und den Katalysator für lange Zeit aktiv halten, sondern auch die Rolle spielen Rolle des Rührens, das das Reaktionssystem zerstreuen und die Stoffübertragungsrate der chemischen Reaktion überkritischer Flüssigkeiten auf ein höheres Niveau bringen kann. Darüber hinaus begünstigen 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 überkritischer Flüssigkeiten, aber nur wenige Studien zur Verstärkung einer solchen Reaktion durch Ultraschallfelder.

5. Anwendung von Hochleistungsultraschall in der Biodieselproduktion

Der Schlüssel zur Herstellung von Biodiesel ist die katalytische Umesterung von Fettsäureglyceriden mit Methanol und anderen kohlenstoffarmen Alkoholen. Ultraschall kann offensichtlich die Umesterungsreaktion verstärken, insbesondere bei heterogenen Reaktionssystemen, er kann den Mischeffekt (Emulgierung) deutlich verstärken und die indirekte molekulare Kontaktreaktion fördern, so dass die Reaktion ursprünglich unter Hochtemperaturbedingungen (Hochdruck) durchgeführt werden musste kann bei Raumtemperatur (oder nahe Raumtemperatur) abgeschlossen werden und verkürzt die Reaktionszeit. Ultraschallwellen werden nicht nur im Umesterungsprozess eingesetzt, sondern auch bei der Trennung der Reaktionsmischung. Forscher der Mississippi State University in den USA nutzten die Ultraschallverarbeitung bei der Herstellung von Biodiesel. Die Biodieselausbeute überstieg innerhalb von 5 Minuten 99 %, während das herkömmliche Batch-Reaktorsystem mehr als eine Stunde benötigte.