생화학 분야에서 초음파의 초기 응용은 초음파로 세포벽을 파괴하여 내용물을 방출하는 것이었습니다. 이후 연구들은 저강도 초음파가 생화학 반응 과정을 촉진할 수 있음을 보여주었습니다. 예를 들어, 액체 영양염류에 초음파를 조사하면 조류 세포의 성장 속도가 증가하여 이 세포에서 생성되는 단백질의 양이 세 배로 증가할 수 있습니다.

캐비테이션 기포 붕괴 에너지 밀도에 비해 초음파 음장의 에너지 밀도는 수조 배로 증가하여 엄청난 에너지 밀도를 가지게 되었습니다. 캐비테이션 기포가 생성하는 고온 고압에 의해 발생하는 소노케미컬(Sonochemical) 현상과 음발광(Sonoluminescence)은 소노케미컬(Sonochemistry)에서 독특한 에너지 및 물질 교환 형태입니다. 따라서 초음파는 화학물질 추출, 바이오디젤 생산, 유기 합성, 미생물 처리, 독성 유기 오염물질 분해, 화학 반응 속도 및 수율, 촉매의 촉매 효율, 생분해 처리, 초음파 스케일 방지 및 제거, 생물학적 세포 파쇄, 분산 및 응집, 그리고 소노케미컬 반응에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

1. 초음파 강화 화학 반응.

초음파 강화 화학 반응. 주요 동력은 초음파 캐비테이션입니다. 캐비테이션을 일으키는 기포핵의 붕괴는 국부적인 고온, 고압, 그리고 강한 충격과 미세 분사를 발생시킵니다. 이는 정상적인 조건에서는 달성하기 어렵거나 불가능한 화학 반응을 위한 새롭고 매우 특별한 물리화학적 환경을 제공합니다.

2. 초음파 촉매 반응.

새로운 연구 분야로서 초음파 촉매 반응은 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 초음파가 촉매 반응에 미치는 주요 영향은 다음과 같습니다.

(1) 고온, 고압은 반응물을 자유라디칼과 2가탄소로 분해하여 더욱 활성적인 반응종을 형성하기 쉽다.

(2) 충격파와 마이크로젯은 고체 표면(촉매 등)에 탈착 및 세척 효과가 있어 표면 반응 생성물이나 중간체 및 촉매 표면 수동화층을 제거할 수 있습니다.

(3) 충격파는 반응물 구조를 파괴할 수 있습니다.

(4) 분산 반응물 시스템;

(5) 초음파 캐비테이션은 금속 표면을 침식시키고 충격파는 금속 격자의 변형과 내부 변형 구역의 형성을 유도하여 금속의 화학 반응 활성을 향상시킵니다.

6) 용매가 고체 속으로 침투하도록 촉진하여 소위 포괄 반응을 생성합니다.

(7) 촉매의 분산을 개선하기 위해 초음파를 촉매 제조에 자주 사용합니다. 초음파 조사는 촉매의 표면적을 증가시켜 활성 성분을 더욱 균일하게 분산시키고 촉매 활성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 초음파 고분자 화학

초음파 양성 고분자 화학의 응용은 광범위한 관심을 받고 있습니다. 초음파 처리는 거대분자, 특히 고분자량 고분자를 분해할 수 있습니다. 셀룰로오스, 젤라틴, 고무, 단백질도 초음파 처리로 분해될 수 있습니다. 현재 초음파 분해 메커니즘은 캐비테이션 기포가 터질 때 발생하는 힘과 고압의 영향에 기인하며, 다른 분해는 열의 영향에 기인하는 것으로 알려져 있습니다. 특정 조건에서는 강력한 초음파가 중합을 개시할 수도 있습니다. 강력한 초음파 조사는 폴리비닐알코올과 아크릴로니트릴의 공중합을 개시하여 블록 공중합체를 제조하고, 폴리비닐아세테이트와 폴리에틸렌옥사이드의 공중합을 개시하여 그래프트 공중합체를 형성할 수 있습니다.

4. 초음파를 이용한 새로운 화학반응 기술

새로운 화학 반응 기술과 초음파장 강화의 결합은 초음파 화학 분야의 또 다른 잠재적 발전 방향입니다. 예를 들어, 초임계 유체를 매질로 사용하고 초음파장을 이용하여 촉매 반응을 강화합니다. 초임계 유체는 액체와 유사한 밀도, 기체와 유사한 점도 및 확산 계수를 가지므로 용해도는 액체와 동일하고 물질 전달 능력은 기체와 동일합니다. 불균일 촉매의 비활성화는 초임계 유체의 우수한 용해도 및 확산 특성을 이용하여 향상시킬 수 있지만, 초음파장을 이용하여 강화할 수 있다면 금상첨화일 것입니다. 초음파 캐비테이션으로 생성되는 충격파와 마이크로 제트는 초임계 유체를 크게 강화하여 촉매 비활성화를 유발하는 일부 물질을 용해하고, 탈착 및 세척 역할을 하며, 촉매의 활성을 장시간 유지할 뿐만 아니라, 반응계를 분산시키는 교반 역할도 수행하여 초임계 유체 화학 반응의 물질 전달 속도를 더욱 향상시킵니다. 또한, 초음파 캐비테이션에 의해 형성된 국소 지점의 고온 고압은 반응물을 자유 라디칼로 분해하는 데 도움이 되어 반응 속도를 크게 가속화합니다. 현재 초임계 유체의 화학 반응에 대한 연구는 많지만, 초음파를 이용하여 이러한 반응을 향상시키는 연구는 거의 없습니다.

5. 바이오디젤 생산에 고출력 초음파 적용

바이오디젤 제조의 핵심은 지방산 글리세리드와 메탄올 및 기타 저탄소 알코올의 촉매적 트랜스에스테르화입니다.초음파는 트랜스에스테르화 반응을 확실히 강화할 수 있으며, 특히 이종 반응계의 경우 혼합(유화) 효과를 크게 향상시키고 간접 분자 접촉 반응을 촉진하여 원래 고온(고압) 조건에서 수행해야 하는 반응을 실온(또는 실온에 가까운 온도)에서 완료할 수 있습니다.반응 시간을 단축합니다.초음파는 트랜스에스테르화 공정뿐만 아니라 반응 혼합물의 분리에도 사용됩니다.미국 미시시피 주립대학교의 연구원들은 바이오디젤 생산에 초음파 처리를 사용했습니다.바이오디젤 수율은 5분 이내에 99%를 넘었지만 기존 배치 반응기 시스템에서는 1시간 이상이 걸렸습니다.