L'application précoce des ultrasons en biochimie devrait consister à briser la paroi cellulaire pour en libérer le contenu. Des études ultérieures ont montré que les ultrasons de faible intensité peuvent favoriser le processus de réaction biochimique. Par exemple, l'irradiation ultrasonore d'une base nutritive liquide peut accélérer la croissance des cellules d'algues, multipliant ainsi par trois la quantité de protéines produites par ces cellules.

Comparée à la densité énergétique de l'effondrement des bulles de cavitation, celle du champ ultrasonore a été multipliée par des milliards, ce qui a entraîné une concentration d'énergie considérable. Les phénomènes sonochimiques et la sonoluminescence provoqués par la température et la pression élevées produites par les bulles de cavitation constituent des formes uniques d'échange d'énergie et de matière en sonochimie. Par conséquent, les ultrasons jouent un rôle de plus en plus important dans l'extraction chimique, la production de biodiesel, la synthèse organique, le traitement microbien, la dégradation des polluants organiques toxiques, la vitesse et le rendement des réactions chimiques, l'efficacité catalytique des catalyseurs, le traitement de biodégradation, la prévention et l'élimination du tartre par ultrasons, le broyage, la dispersion et l'agglomération des cellules biologiques, et la réaction sonochimique.

1. réaction chimique améliorée par ultrasons.

Réaction chimique amplifiée par ultrasons. La principale force motrice est la cavitation ultrasonore. L'effondrement du cœur de la bulle cavitante produit localement une température et une pression élevées, ainsi que de puissants impacts et micro-jets, créant ainsi un environnement physique et chimique inédit et très spécifique pour des réactions chimiques difficiles, voire impossibles, à réaliser dans des conditions normales.

2. Réaction catalytique ultrasonique.

En tant que nouveau domaine de recherche, la réaction catalytique ultrasonique suscite un intérêt croissant. Les principaux effets des ultrasons sur la réaction catalytique sont les suivants :

(1) La température et la pression élevées favorisent le craquage des réactifs en radicaux libres et en carbone divalent, formant ainsi des espèces de réaction plus actives ;

(2) L'onde de choc et le micro-jet ont des effets de désorption et de nettoyage sur la surface solide (comme le catalyseur), ce qui peut éliminer les produits de réaction de surface ou les intermédiaires et la couche de passivation de surface du catalyseur ;

(3) L'onde de choc peut détruire la structure du réactif

(4) Système réactif dispersé ;

(5) La cavitation ultrasonique érode la surface du métal et l'onde de choc entraîne la déformation du réseau métallique et la formation de la zone de contrainte interne, ce qui améliore l'activité de réaction chimique du métal ;

6) Favoriser la pénétration du solvant dans le solide pour produire la réaction dite d’inclusion ;

(7) Pour améliorer la dispersion du catalyseur, les ultrasons sont souvent utilisés lors de sa préparation. L'irradiation par ultrasons peut augmenter la surface du catalyseur, permettre une dispersion plus uniforme des composants actifs et améliorer l'activité catalytique.

3. Chimie des polymères par ultrasons

L'application de la chimie positive des polymères par ultrasons a suscité un vif intérêt. Le traitement par ultrasons peut dégrader les macromolécules, en particulier les polymères de haut poids moléculaire. La cellulose, la gélatine, le caoutchouc et les protéines peuvent être dégradés par traitement par ultrasons. Actuellement, on pense généralement que le mécanisme de dégradation par ultrasons est dû à l'effet de la force et de la haute pression lors de l'éclatement de la bulle de cavitation, et que l'autre partie de la dégradation pourrait être due à l'effet de la chaleur. Dans certaines conditions, les ultrasons de puissance peuvent également initier la polymérisation. Une forte irradiation par ultrasons peut initier la copolymérisation de l'alcool polyvinylique et de l'acrylonitrile pour préparer des copolymères séquencés, ainsi que la copolymérisation de l'acétate de polyvinyle et de l'oxyde de polyéthylène pour former des copolymères greffés.

4. Nouvelle technologie de réaction chimique améliorée par un champ ultrasonore

La combinaison de nouvelles technologies de réaction chimique et de l'amélioration du champ ultrasonore constitue une autre voie de développement potentielle en chimie ultrasonore. Par exemple, le fluide supercritique est utilisé comme milieu, et le champ ultrasonore permet d'amplifier la réaction catalytique. Par exemple, le fluide supercritique présente une densité similaire à celle d'un liquide, ainsi qu'une viscosité et un coefficient de diffusion similaires à ceux d'un gaz, ce qui lui confère une dissolution équivalente à celle d'un liquide et une capacité de transfert de masse équivalente à celle d'un gaz. La désactivation des catalyseurs hétérogènes peut être améliorée grâce aux bonnes propriétés de solubilité et de diffusion du fluide supercritique, mais l'utilisation du champ ultrasonore pour la renforcer est sans aucun doute la cerise sur le gâteau. L'onde de choc et le micro-jet générés par la cavitation ultrasonore peuvent non seulement améliorer considérablement la capacité du fluide supercritique à dissoudre certaines substances responsables de la désactivation du catalyseur, jouer un rôle de désorption et de nettoyage, et maintenir le catalyseur actif durablement, mais aussi jouer un rôle d'agitation, ce qui permet de disperser le système réactionnel et d'augmenter le taux de transfert de masse des réactions chimiques en fluide supercritique. De plus, la température et la pression élevées au point local formé par la cavitation ultrasonore favoriseront la décomposition des réactifs en radicaux libres et accéléreront considérablement la vitesse de réaction. De nombreuses études portent actuellement sur la réaction chimique des fluides supercritiques, mais peu sur l'amplification de cette réaction par champ ultrasonore.

5. Application des ultrasons de haute puissance à la production de biodiesel

La clé de la préparation du biodiesel réside dans la transestérification catalytique des glycérides d'acides gras avec du méthanol et d'autres alcools à faible teneur en carbone. Les ultrasons peuvent évidemment amplifier la réaction de transestérification, notamment dans les systèmes réactionnels hétérogènes. Ils peuvent considérablement améliorer l'effet de mélange (émulsification) et favoriser la réaction de contact moléculaire indirect. Ainsi, la réaction, initialement requise à haute température (haute pression), peut être réalisée à température ambiante (ou proche de la température ambiante), réduisant ainsi le temps de réaction. Les ultrasons sont utilisés non seulement dans le processus de transestérification, mais aussi dans la séparation du mélange réactionnel. Des chercheurs de l'Université d'État du Mississippi, aux États-Unis, ont utilisé le traitement par ultrasons pour la production de biodiesel. Le rendement en biodiesel a dépassé 99 % en 5 minutes, contre plus d'une heure avec un système de réacteur discontinu classique.