کاربرد اولیه اولتراسوند در بیوشیمی باید شامل خرد کردن دیواره سلولی با اولتراسوند برای آزاد کردن محتویات آن باشد. مطالعات بعدی نشان داده است که اولتراسوند با شدت کم می‌تواند فرآیند واکنش بیوشیمیایی را ارتقا دهد. به عنوان مثال، تابش اولتراسوند به پایه مواد مغذی مایع می‌تواند سرعت رشد سلول‌های جلبک را افزایش دهد و در نتیجه میزان پروتئین تولید شده توسط این سلول‌ها را سه برابر افزایش دهد.
در مقایسه با چگالی انرژی فروپاشی حباب کاویتاسیون، چگالی انرژی میدان صوتی فراصوت تریلیون‌ها برابر افزایش یافته است که منجر به غلظت عظیمی از انرژی می‌شود. پدیده‌های سونوشیمیایی و سونولومینسانس ناشی از دما و فشار بالای تولید شده توسط حباب‌های کاویتاسیون، اشکال منحصر به فردی از تبادل انرژی و مواد در سونوشیمیایی هستند. بنابراین، فراصوت نقش مهمی در استخراج شیمیایی، تولید بیودیزل، سنتز آلی، تصفیه میکروبی، تخریب آلاینده‌های آلی سمی، سرعت و بازده واکنش شیمیایی، راندمان کاتالیزوری کاتالیزور، تصفیه تجزیه زیستی، جلوگیری و حذف رسوب فراصوت، خرد کردن سلول‌های بیولوژیکی، پراکندگی و تجمع و واکنش سونوشیمیایی ایفا می‌کند.
۱. واکنش شیمیایی تقویت‌شده با فراصوت.
واکنش شیمیایی تقویت‌شده با فراصوت. نیروی محرکه اصلی کاویتاسیون فراصوت است. فروپاشی هسته حباب کاویتاسیون باعث ایجاد دمای بالا، فشار بالا و ضربه قوی و جت میکرو موضعی می‌شود که یک محیط فیزیکی و شیمیایی جدید و بسیار ویژه برای واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کند که دستیابی به آنها در شرایط عادی دشوار یا غیرممکن است.
۲. واکنش کاتالیزوری اولتراسونیک.
به عنوان یک زمینه تحقیقاتی جدید، واکنش کاتالیزوری اولتراسونیک توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. اثرات اصلی سونوگرافی بر واکنش کاتالیزوری عبارتند از:
(1) دما و فشار بالا منجر به تجزیه واکنش‌دهنده‌ها به رادیکال‌های آزاد و کربن دو ظرفیتی می‌شوند و گونه‌های واکنش فعال‌تری را تشکیل می‌دهند.
(2) موج ضربه‌ای و میکروجت اثرات دفع و تمیزکنندگی روی سطح جامد (مانند کاتالیزور) دارند، که می‌تواند محصولات واکنش سطحی یا واسطه‌ها و لایه غیرفعال سطح کاتالیزور را از بین ببرد.
(3) موج ضربه‌ای ممکن است ساختار واکنش‌دهنده را از بین ببرد
(4) سیستم واکنش‌دهنده پراکنده؛
(5) کاویتاسیون اولتراسونیک سطح فلز را فرسایش می‌دهد و موج ضربه‌ای منجر به تغییر شکل شبکه فلزی و تشکیل ناحیه کرنش داخلی می‌شود که فعالیت واکنش شیمیایی فلز را بهبود می‌بخشد.
۶) نفوذ حلال به داخل جامد را افزایش دهید تا واکنشی به نام واکنش گنجاندن (inclusion reaction) ایجاد شود.
(7) برای بهبود پراکندگی کاتالیزور، اغلب از اولتراسونیک در تهیه کاتالیزور استفاده می‌شود. تابش اولتراسونیک می‌تواند سطح کاتالیزور را افزایش دهد، اجزای فعال را به طور یکنواخت‌تر پراکنده کند و فعالیت کاتالیزوری را افزایش دهد.
۳. شیمی پلیمر اولتراسونیک
کاربرد شیمی پلیمر مثبت اولتراسونیک توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. عملیات اولتراسونیک می‌تواند ماکرومولکول‌ها، به ویژه پلیمرهای با وزن مولکولی بالا را تخریب کند. سلولز، ژلاتین، لاستیک و پروتئین را می‌توان با عملیات اولتراسونیک تخریب کرد. در حال حاضر، عموماً اعتقاد بر این است که مکانیسم تخریب اولتراسونیک به دلیل اثر نیرو و فشار زیاد هنگام ترکیدن حباب کاویتاسیون است و بخش دیگر تخریب ممکن است به دلیل اثر گرما باشد. تحت شرایط خاص، سونوگرافی قدرت نیز می‌تواند پلیمریزاسیون را آغاز کند. تابش سونوگرافی قوی می‌تواند کوپلیمریزاسیون پلی وینیل الکل و اکریلونیتریل را برای تهیه کوپلیمرهای بلوکی و کوپلیمریزاسیون پلی وینیل استات و اکسید پلی اتیلن را برای تشکیل کوپلیمرهای پیوندی آغاز کند.
۴. فناوری جدید واکنش شیمیایی که توسط میدان فراصوت تقویت شده است
ترکیب فناوری جدید واکنش شیمیایی و تقویت میدان اولتراسونیک، یکی دیگر از مسیرهای توسعه بالقوه در زمینه شیمی اولتراسونیک است. به عنوان مثال، سیال فوق بحرانی به عنوان محیط استفاده می‌شود و میدان اولتراسونیک برای تقویت واکنش کاتالیزوری استفاده می‌شود. به عنوان مثال، سیال فوق بحرانی چگالی مشابه مایع و ویسکوزیته و ضریب انتشار مشابه گاز دارد که باعث می‌شود انحلال آن معادل مایع و ظرفیت انتقال جرم آن معادل گاز باشد. غیرفعال‌سازی کاتالیزور ناهمگن را می‌توان با استفاده از خواص حلالیت و انتشار خوب سیال فوق بحرانی بهبود بخشید، اما بدون شک اگر بتوان از میدان اولتراسونیک برای تقویت آن استفاده کرد، این کار مانند تزئین کیک است. موج شوک و میکروجت تولید شده توسط کاویتاسیون اولتراسونیک نه تنها می‌توانند سیال فوق بحرانی را به میزان زیادی در حل کردن برخی از موادی که منجر به غیرفعال شدن کاتالیزور می‌شوند، تقویت کنند، نقش دفع و تمیز کردن را ایفا کنند و کاتالیزور را برای مدت طولانی فعال نگه دارند، بلکه نقش همزن را نیز ایفا می‌کنند که می‌تواند سیستم واکنش را پراکنده کند و سرعت انتقال جرم واکنش شیمیایی سیال فوق بحرانی را به سطح بالاتری برساند. علاوه بر این، دما و فشار بالا در نقطه محلی ایجاد شده توسط کاویتاسیون اولتراسونیک، منجر به تجزیه واکنش‌دهنده‌ها به رادیکال‌های آزاد شده و سرعت واکنش را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. در حال حاضر، مطالعات زیادی در مورد واکنش شیمیایی سیال فوق بحرانی وجود دارد، اما مطالعات کمی در مورد افزایش چنین واکنشی توسط میدان اولتراسونیک انجام شده است.
۵. کاربرد فراصوت با قدرت بالا در تولید بیودیزل
کلید تهیه بیودیزل، ترانس استریفیکاسیون کاتالیزوری گلیسیرید اسید چرب با متانول و سایر الکل‌های کم‌کربن است. امواج فراصوت آشکارا می‌توانند واکنش ترانس استریفیکاسیون را تقویت کنند، به‌ویژه برای سیستم‌های واکنش ناهمگن، می‌توانند اثر اختلاط (امولسیون‌سازی) را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهند و واکنش تماس مولکولی غیرمستقیم را ارتقا دهند، به‌طوری که واکنشی که در ابتدا باید تحت شرایط دمای بالا (فشار بالا) انجام شود، می‌تواند در دمای اتاق (یا نزدیک به دمای اتاق) تکمیل شود و زمان واکنش را کوتاه کند. امواج فراصوت نه‌تنها در فرآیند ترانس استریفیکاسیون، بلکه در جداسازی مخلوط واکنش نیز استفاده می‌شوند. محققان دانشگاه ایالتی می‌سی‌سی‌پی در ایالات متحده از پردازش فراصوت در تولید بیودیزل استفاده کردند. بازده بیودیزل در عرض 5 دقیقه از 99٪ فراتر رفت، در حالی که سیستم راکتور ناپیوسته معمولی بیش از 1 ساعت طول می‌کشید.
زمان ارسال: ۲۱ ژوئن ۲۰۲۲