Rané využití ultrazvuku v biochemii by mělo spočívat v rozbití buněčné stěny ultrazvukem za účelem uvolnění jejího obsahu. Následné studie ukázaly, že ultrazvuk s nízkou intenzitou může podpořit proces biochemické reakce. Například ultrazvukové ozařování tekuté živiny může zvýšit rychlost růstu buněk řas, a tím ztrojnásobit množství proteinů produkovaných těmito buňkami.

Ve srovnání s hustotou energie kolapsu kavitačních bublin se hustota energie ultrazvukového zvukového pole zvětšila bilionykrát, což vede k obrovské koncentraci energie. Sonochemické jevy a sonoluminiscence způsobené vysokou teplotou a tlakem produkovanými kavitačními bublinami jsou jedinečnými formami výměny energie a materiálů v sonochemii. Ultrazvuk proto hraje stále důležitější roli v chemické extrakci, výrobě bionafty, organické syntéze, mikrobiálním ošetření, degradaci toxických organických polutantů, rychlosti a výtěžku chemických reakcí, katalytické účinnosti katalyzátoru, biodegradaci, prevenci a odstraňování ultrazvukového vodního kamene, drcení, disperzi a aglomeraci biologických buněk a sonochemických reakcích.

1. ultrazvukem vylepšená chemická reakce.

Ultrazvukem zesílená chemická reakce. Hlavní hnací silou je ultrazvuková kavitace. Zhroucení jádra kavitující bubliny vytváří lokální vysokou teplotu, vysoký tlak a silný náraz a mikrovýtrysk, což poskytuje nové a velmi specifické fyzikální a chemické prostředí pro chemické reakce, kterých je za normálních podmínek obtížné nebo nemožné dosáhnout.

2. Ultrazvuková katalytická reakce.

Ultrazvuková katalytická reakce jako nová oblast výzkumu přitahuje stále větší zájem. Hlavní účinky ultrazvuku na katalytickou reakci jsou:

(1) Vysoká teplota a vysoký tlak napomáhají rozkladu reaktantů na volné radikály a dvojmocný uhlík, čímž vznikají aktivnější reakční částice;

(2) Rázová vlna a mikrotryska mají desorpční a čisticí účinky na pevný povrch (například katalyzátor), což může odstranit povrchové reakční produkty nebo meziprodukty a pasivační vrstvu povrchu katalyzátoru;

(3) Rázová vlna může zničit strukturu reaktantu

(4) Systém dispergovaných reaktantů;

(5) Ultrazvuková kavitace eroduje kovový povrch a rázová vlna vede k deformaci kovové mřížky a vzniku zóny vnitřního napětí, což zlepšuje chemickou reakční aktivitu kovu;

6) Podporujte pronikání rozpouštědla do pevné látky za účelem vyvolání tzv. inkluzní reakce;

(7) Pro zlepšení disperze katalyzátoru se při jeho přípravě často používá ultrazvuk. Ultrazvukové ozařování může zvětšit povrch katalyzátoru, rovnoměrněji rozptýlit aktivní složky a zvýšit katalytickou aktivitu.

3. Ultrazvuková polymerní chemie

Aplikace ultrazvukové pozitivní polymerní chemie přitahuje značnou pozornost. Ultrazvukové ošetření může degradovat makromolekuly, zejména polymery s vysokou molekulovou hmotností. Celulóza, želatina, kaučuk a proteiny mohou být degradovány ultrazvukovým ošetřením. V současné době se obecně předpokládá, že mechanismus ultrazvukové degradace je způsoben účinkem síly a vysokého tlaku při prasknutí kavitační bubliny a druhá část degradace může být způsobena účinkem tepla. Za určitých podmínek může výkonný ultrazvuk také iniciovat polymeraci. Silné ultrazvukové ozařování může iniciovat kopolymeraci polyvinylalkoholu a akrylonitrilu za vzniku blokových kopolymerů a kopolymeraci polyvinylacetátu a polyethylenoxidu za vzniku roubovaných kopolymerů.

4. Nová technologie chemických reakcí vylepšená ultrazvukovým polem

Kombinace nové technologie chemických reakcí a zesílení ultrazvukového pole je dalším potenciálním směrem vývoje v oblasti ultrazvukové chemie. Například superkritická kapalina se používá jako médium a ultrazvukové pole se používá k zesílení katalytické reakce. Superkritická kapalina má například hustotu podobnou kapalině a viskozitu a difuzní koeficient podobný plynu, což činí její rozpouštění ekvivalentním kapalině a její kapacitu přenosu hmoty ekvivalentní plynu. Deaktivaci heterogenního katalyzátoru lze zlepšit využitím dobrých vlastností rozpustnosti a difuze superkritické kapaliny, ale nepochybně je to třešnička na dortu, pokud lze k jejímu zesílení použít ultrazvukové pole. Rázová vlna a mikrotrysky generované ultrazvukovou kavitací mohou nejen výrazně zvýšit rozpouštění některých látek v superkritické kapalině, což vede k deaktivaci katalyzátoru, hrát roli desorpce a čištění a udržovat katalyzátor aktivní po dlouhou dobu, ale také hrát roli míchání, které může dispergovat reakční systém a zvýšit rychlost přenosu hmoty v chemické reakci superkritické kapaliny na vyšší úroveň. Kromě toho vysoká teplota a vysoký tlak v lokálním bodě vytvořeném ultrazvukovou kavitací budou příznivě ovlivňovat rozklad reaktantů na volné radikály a výrazně urychlí rychlost reakce. V současné době existuje mnoho studií o chemických reakcích superkritických tekutin, ale jen málo studií o zesílení těchto reakcí ultrazvukovým polem.

5. aplikace vysoce výkonného ultrazvuku při výrobě bionafty

Klíčem k přípravě bionafty je katalytická transesterifikace glyceridů mastných kyselin s methanolem a dalšími nízkouhlíkovými alkoholy. Ultrazvuk může zjevně zesílit transesterifikační reakci, zejména u heterogenních reakčních systémů. Může výrazně zvýšit efekt míchání (emulgace) a podpořit nepřímou molekulární kontaktní reakci, takže reakce, která se původně měla provádět za podmínek vysoké teploty (vysokého tlaku), může být dokončena při pokojové teplotě (nebo blízké pokojové teplotě) a zkrátit reakční dobu. Ultrazvukové vlny se používají nejen v procesu transesterifikace, ale také při separaci reakční směsi. Výzkumníci z Mississippi State University ve Spojených státech použili ultrazvukové zpracování při výrobě bionafty. Výtěžek bionafty překročil 99 % během 5 minut, zatímco konvenční dávkový reaktorový systém trval více než 1 hodinu.