La première application des ultrasons en biochimie devrait consister à briser la paroi cellulaire avec des ultrasons pour libérer son contenu.Des études ultérieures ont montré que les ultrasons de faible intensité peuvent favoriser le processus de réaction biochimique.Par exemple, l’irradiation par ultrasons d’une base nutritive liquide peut augmenter le taux de croissance des cellules d’algues, augmentant ainsi de trois fois la quantité de protéines produites par ces cellules.

Par rapport à la densité énergétique de l'effondrement des bulles de cavitation, la densité énergétique du champ sonore ultrasonique a été agrandie des milliards de fois, ce qui a entraîné une énorme concentration d'énergie ;Les phénomènes sonochimiques et la sonoluminescence provoqués par la température et la pression élevées produites par les bulles de cavitation sont 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 de la réaction chimique, l'efficacité catalytique du catalyseur, le traitement de la biodégradation, la prévention et l'élimination du tartre par ultrasons, le broyage des cellules biologiques. , dispersion et agglomération, et réaction sonochimique.

1. réaction chimique améliorée par ultrasons.

Réaction chimique améliorée par ultrasons.La principale force motrice est la cavitation ultrasonique.L'effondrement du noyau de bulle cavitaire produit localement une température élevée, une pression élevée, un fort impact et un micro-jet, qui fournissent un nouvel environnement physique et chimique très spécial pour les réactions chimiques difficiles ou impossibles à réaliser dans des conditions normales.

2. Réaction catalytique ultrasonique.

En tant que nouveau domaine de recherche, la réaction catalytique ultrasonique suscite de plus en plus d’intérêt.Les principaux effets des ultrasons sur la réaction catalytique sont :

(1) Les températures et les pressions élevées sont propices au craquage des réactifs en radicaux libres et en carbone divalent, formant des espèces réactionnelles plus actives ;

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

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

(4) Système de réactifs dispersés ;

(5) La cavitation ultrasonique érode la surface métallique 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 dans la préparation du catalyseur.L'irradiation ultrasonique peut augmenter la surface du catalyseur, permettre aux composants actifs de se disperser plus uniformément et d'améliorer l'activité catalytique.

3. Chimie des polymères ultrasoniques

L’application de la chimie des polymères positifs aux ultrasons a suscité une grande attention.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 dégradées par le traitement aux ultrasons.À l'heure actuelle, on pense généralement que le mécanisme de dégradation par ultrasons est dû à l'effet de la force et de la pression élevée lorsque la bulle de cavitation éclate, et que l'autre partie de la dégradation peut être due à l'effet de la chaleur.Dans certaines conditions, les ultrasons puissants 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, et 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 le champ ultrasonique

La combinaison d’une nouvelle technologie de réaction chimique et de l’amélioration du champ ultrasonique constitue une autre direction de développement potentielle dans le domaine de la chimie ultrasonique.Par exemple, le fluide supercritique est utilisé comme milieu et le champ ultrasonique est utilisé pour renforcer la réaction catalytique.Par exemple, un fluide supercritique a une densité similaire à celle d'un liquide et une viscosité et un coefficient de diffusion similaires à ceux du gaz, ce qui rend sa dissolution équivalente à celle d'un liquide et sa capacité de transfert de masse équivalente à celle du gaz.La désactivation du catalyseur hétérogène peut être améliorée en utilisant les bonnes propriétés de solubilité et de diffusion du fluide supercritique, mais c'est sans aucun doute la cerise sur le gâteau si un champ ultrasonique peut être utilisé pour le renforcer.L'onde de choc et le microjet générés par la cavitation ultrasonique peuvent non seulement améliorer considérablement le fluide supercritique pour dissoudre certaines substances qui conduisent à la désactivation du catalyseur, jouer le rôle de désorption et de nettoyage et maintenir le catalyseur actif pendant une longue période, mais jouent également le rôle de désorption et de nettoyage. rôle de l'agitation, qui peut disperser le système de réaction et augmenter le taux de transfert de masse de la réaction chimique du fluide supercritique.De plus, la température et la pression élevées au point local formées par la cavitation ultrasonique seront propices au craquage des réactifs en radicaux libres et accéléreront considérablement la vitesse de réaction.Il existe actuellement de nombreuses études sur la réaction chimique d’un fluide supercritique, mais peu d’études sur l’amélioration d’une telle réaction par champ ultrasonore.

5. application des ultrasons de haute puissance dans la production de biodiesel

La clé de la préparation du biodiesel est la transestérification catalytique du glycéride d’acide gras avec du méthanol et d’autres alcools à faible teneur en carbone.Les ultrasons peuvent évidemment renforcer la réaction de transestérification, en particulier pour les systèmes de réaction hétérogènes, ils peuvent améliorer considérablement l'effet de mélange (émulsification) et favoriser la réaction de contact moléculaire indirect, de sorte que la réaction devait initialement être effectuée dans des conditions de température (haute pression) peut être complété à température ambiante (ou proche de la température ambiante), et raccourcir le temps de réaction.Les ondes ultrasoniques ne sont pas seulement utilisées dans le processus de transestérification, mais également 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 produire du biodiesel.Le rendement en biodiesel a dépassé 99 % en 5 minutes, alors que le système de réacteur discontinu conventionnel prenait plus d'une heure.