Ultraskaņas agrīnais pielietojums bioķīmijā ir šūnu sieniņas sagraušana ar ultraskaņu, lai atbrīvotu tās saturu. Turpmākie pētījumi ir parādījuši, ka zemas intensitātes ultraskaņa var veicināt bioķīmiskās reakcijas procesu. Piemēram, šķidras barības vielu bāzes apstarošana ar ultraskaņu var palielināt aļģu šūnu augšanas ātrumu, tādējādi trīs reizes palielinot šo šūnu saražotā proteīna daudzumu.

Salīdzinot ar kavitācijas burbuļa sabrukšanas enerģijas blīvumu, ultraskaņas skaņas lauka enerģijas blīvums ir palielinājies triljoniem reižu, kā rezultātā ir radusies milzīga enerģijas koncentrācija; Sonoķīmiskās parādības un sonoluminiscence, ko izraisa kavitācijas burbuļi, augstā temperatūra un spiediens, ir unikālas enerģijas un materiālu apmaiņas formas sonoķīmijā. Tāpēc ultraskaņai ir arvien lielāka loma ķīmiskajā ekstrakcijā, biodīzeļdegvielas ražošanā, organiskajā sintēzē, mikrobu apstrādē, toksisku organisko piesārņotāju noārdīšanā, ķīmiskās reakcijas ātrumā un ražībā, katalizatora katalītiskajā efektivitātē, biodegradācijas apstrādē, ultraskaņas mēroga novēršanā un noņemšanā, bioloģisko šūnu saspiešanā, dispersijā un aglomerācijā, kā arī sonoķīmiskajā reakcijā.

1. ar ultraskaņu pastiprināta ķīmiskā reakcija.

Ar ultraskaņu pastiprināta ķīmiskā reakcija. Galvenais virzītājspēks ir ultraskaņas kavitācija. Kavitējošā burbuļa kodola sabrukšana rada lokālu augstu temperatūru, augstu spiedienu un spēcīgu triecienu un mikro strūklu, kas nodrošina jaunu un ļoti īpašu fizikālu un ķīmisku vidi ķīmiskām reakcijām, kuras normālos apstākļos ir grūti vai neiespējami panākt.

2. Ultraskaņas katalītiskā reakcija.

Kā jauna pētniecības joma, ultraskaņas katalītiskā reakcija ir piesaistījusi arvien lielāku interesi. Ultraskaņas galvenā ietekme uz katalītisko reakciju ir:

(1) Augsta temperatūra un augsts spiediens veicina reaģentu sadalīšanos brīvajos radikāļos un divvērtīgā ogleklī, veidojot aktīvākas reakcijas sugas;

(2) Triecienvilnis un mikrostrūkla desorbē un attīra cietu virsmu (piemēram, katalizatoru), noņemot virsmas reakcijas produktus vai starpproduktus un katalizatora virsmas pasivācijas slāni;

(3) Triecienvilnis var iznīcināt reaģējošās vielas struktūru

(4) Dispersa reaģentu sistēma;

(5) Ultraskaņas kavitācija erodē metāla virsmu, un triecienvilnis noved pie metāla režģa deformācijas un iekšējās deformācijas zonas veidošanās, kas uzlabo metāla ķīmiskās reakcijas aktivitāti;

6) Veicināt šķīdinātāja iekļūšanu cietajā vielā, lai radītu tā saukto iekļaušanas reakciju;

(7) Lai uzlabotu katalizatora dispersiju, katalizatora sagatavošanā bieži izmanto ultraskaņu. Ultraskaņas apstarošana var palielināt katalizatora virsmas laukumu, padarīt aktīvās sastāvdaļas vienmērīgākas un uzlabot katalītisko aktivitāti.

3. Ultraskaņas polimēru ķīmija

Ultraskaņas pozitīvās polimēru ķīmijas pielietojums ir piesaistījis plašu uzmanību. Ultraskaņas apstrāde var noārdīt makromolekulas, īpaši augstas molekulmasas polimērus. Celuloze, želatīns, gumija un olbaltumvielas var tikt noārdītas ar ultraskaņas apstrādi. Pašlaik parasti tiek uzskatīts, ka ultraskaņas noārdīšanās mehānisms ir saistīts ar spēka un augstā spiediena ietekmi, kad plīst kavitācijas burbulis, bet otra noārdīšanās daļa var būt saistīta ar siltuma ietekmi. Noteiktos apstākļos arī jaudīga ultraskaņa var ierosināt polimerizāciju. Spēcīga ultraskaņas apstarošana var ierosināt polivinilspirta un akrilnitrila kopolimerizāciju, veidojot blokkopolimērus, un polivinilacetāta un polietilēnoksīda kopolimerizāciju, veidojot potzaru kopolimērus.

4. Jauna ķīmiskās reakcijas tehnoloģija, ko uzlabo ultraskaņas lauks

Jaunas ķīmiskās reakcijas tehnoloģijas un ultraskaņas lauka uzlabošanas apvienojums ir vēl viens potenciāls attīstības virziens ultraskaņas ķīmijas jomā. Piemēram, superkritiskais šķidrums tiek izmantots kā vide, un ultraskaņas lauks tiek izmantots, lai pastiprinātu katalītisko reakciju. Piemēram, superkritiskajam šķidrumam ir līdzīgs blīvums kā šķidrumam, un viskozitāte un difūzijas koeficients ir līdzīgs gāzei, kas padara tā šķīšanu līdzvērtīgu šķidrumam, un tā masas pārneses kapacitāti līdzvērtīgu gāzei. Heterogēna katalizatora dezaktivāciju var uzlabot, izmantojot superkritiskā šķidruma labās šķīdības un difūzijas īpašības, taču neapšaubāmi, ja ultraskaņas lauku var izmantot tā pastiprināšanai, tas ir kā ķirsītis uz kūkas. Triecienvilnis un mikrostrūkla, ko rada ultraskaņas kavitācija, var ne tikai ievērojami uzlabot superkritiskā šķidruma spēju izšķīdināt dažas vielas, kas noved pie katalizatora dezaktivācijas, veikt desorbcijas un attīrīšanas lomu un ilgstoši uzturēt katalizatoru aktīvu, bet arī veikt maisīšanas lomu, kas var izkliedēt reakcijas sistēmu un palielināt superkritiskā šķidruma ķīmiskās reakcijas masas pārneses ātrumu. Turklāt augstā temperatūra un augsts spiediens lokālajā punktā, ko veido ultraskaņas kavitācija, veicinās reaģentu sadalīšanos brīvajos radikāļos un ievērojami paātrinās reakcijas ātrumu. Pašlaik ir daudz pētījumu par superkritiskā šķidruma ķīmisko reakciju, taču maz pētījumu par šādas reakcijas pastiprināšanu ar ultraskaņas lauku.

5. lieljaudas ultraskaņas pielietojums biodīzeļa ražošanā

Biodīzeļa pagatavošanas atslēga ir taukskābju glicerīda katalītiskā transesterifikācija ar metanolu un citiem zema oglekļa satura spirtiem. Ultraskaņa acīmredzami var pastiprināt transesterifikācijas reakciju, īpaši heterogēnās reakcijas sistēmās, tā var ievērojami uzlabot sajaukšanas (emulgācijas) efektu un veicināt netiešo molekulāro kontakta reakciju, lai reakciju, kas sākotnēji bija jāveic augstā temperatūrā (augstā spiedienā), varētu pabeigt istabas temperatūrā (vai tuvu istabas temperatūrai), un saīsināt reakcijas laiku. Ultraskaņas vilnis tiek izmantots ne tikai transesterifikācijas procesā, bet arī reakcijas maisījuma atdalīšanā. Misisipi štata universitātes pētnieki Amerikas Savienotajās Valstīs izmantoja ultraskaņas apstrādi biodīzeļa ražošanā. Biodīzeļa raža pārsniedza 99% 5 minūšu laikā, savukārt parastā partijas reaktora sistēma aizņēma vairāk nekā 1 stundu.