Što je ultrazvučni sonokemijski tretman? Kakvu funkciju ima?

Suština ultrazvučnog sonokemijskog učinka je kavitacija koja uključuje tri koraka: pojavu plinskih jezgri, rast mikromjehurića i pucanje mikromjehurića. Pod djelovanjem ultrazvuka, tekućina prolazi kroz brzo kretanje. Zbog promjena u zvučnom tlaku, otapalo je komprimirano i slabo zahvaćeno. U ultrazvučnom području rijetke faze, plinska šupljina se širi i raste, ispunjavajući okolnu tekuću paru ili plin. U području komprimirane faze, zračni džepovi brzo kolabiraju i pucaju, stvarajući veliki broj mikromjehurića koji zatim mogu poslužiti kao nove plinske jezgre.
Glavni razlog utjecaja ultrazvuka na kemijske reakcije je taj što ovi mikromjehurići mogu generirati jake udarne valove kada rastu i iznenada puknu. Procjenjuje se da kada mikromjehurići puknu, u lokalnom prostoru može nastati tlak do megabara, sa središnjom temperaturom od 104-106K. Objašnjenje djelovanja ultrazvučnog polja još nije zašlo na molekularnu razinu, već ostaje na razini mehaničkog mehanizma molekularne populacije.
Na primjer, učinak kavitacije i čišćenja na čvrstim površinama; Učinak emulgiranja tekućina koje se ne miješaju; Utjecaj visoke temperature i tlaka uzrokovanih udarnim valovima u mikroprostoru na prijenos mase i energije tijekom pucanja mikromjehurića.
Ultrazvučne kemijske reakcije mogu se podijeliti u dvije kategorije na temelju medija: ① sonokemija u vodenoj fazi. Pod djelovanjem ultrazvuka voda se razgrađuje na hidroksilne radikale i atome vodika, što može pokrenuti niz kemijskih reakcija.
Organski halidi, kao što su CH2Cl2, CHCl3 i CCl4, prolaze kroz ultrazvučno djelovanje u vodenom mediju, uzrokujući kidanje vodikovo-vodikovih veza i stvaranje slobodnih radikala. Studije o sonokemiji biomolekula kao što su proteini i enzimi pokazale su da su sonoredox reakcije glavni mehanizam koji dovodi do mnogih jednostavnih proizvoda, kao što je sonokemija u nevodenim tekućim fazama. Istraživački rad na ovom području još je u ranoj fazi.

Uloga ultrazvučne sonokemije:

Kada se ultrazvuk širi u tekućem mediju, on stvara niz učinaka kao što su mehanika, termodinamika, optika, elektronika i kemija kroz mehaničke, kavitacijske i toplinske učinke. Ultrazvuk posebno velike snage može generirati jaku kavitaciju, što rezultira trenutnom lokalnom visokom temperaturom, visokim tlakom, vakuumom i stvaranjem mikro mlaza.
Ultrazvučna tehnologija, kao fizičko sredstvo i alat, može stvoriti niz gotovo ekstremnih uvjeta u uobičajeno korištenim kemijskim reakcijskim medijima. Ova energija ne samo da može potaknuti ili pospješiti mnoge kemijske reakcije, ubrzati brzinu kemijskih reakcija, već i promijeniti smjer određenih kemijskih reakcija, proizvodeći neočekivane učinke i čuda. Općenito se vjeruje da je pojava gore navedenih pojava uglavnom posljedica mehaničkih i kavitacijskih učinaka ultrazvuka, koji kao rezultat mijenjaju uvjete reakcije i okoliš.
Mehaničko djelovanje - uvođenjem ultrazvuka u sustav kemijske reakcije, ultrazvuk može uzrokovati intenzivno prisilno gibanje tvari, generirati jednosmjernu silu za ubrzavanje prijenosa i difuzije tvari, zamijeniti mehaničko miješanje, može uzrokovati ljuštenje tvari s površine i tako ažurirati sučelje.
Učinak kavitacije - U nekim slučajevima, stvaranje ultrazvučnog učinka povezano je s mehanizmom kavitacije. Ultrazvučna kavitacija odnosi se na niz dinamičkih procesa koji se javljaju pod djelovanjem ultrazvučnih valova, uključujući oscilacije, širenje, skupljanje, pa čak i kolaps malih mjehurića (rupa) koji postoje u tekućini. Na mjestu kavitacije, lokalno stanje tekućine prolazi kroz značajne promjene, što rezultira ekstremno visokom temperaturom i visokim tlakom. Omogućeno novo i vrlo posebno fizičko i kemijsko okruženje za kemijske reakcije koje je teško ili nemoguće postići pod općim uvjetima
Katalitička kemijska reakcija--
① Uvjeti visoke temperature i visokog tlaka pogoduju krekiranju reaktanata u slobodne radikale i dvovalentni ugljik, stvarajući aktivnije reakcijske vrste;
② Udarni valovi i mikro mlazovi imaju učinke desorpcije i čišćenja na čvrstim površinama (kao što su katalizatori), koji mogu ukloniti produkte površinske reakcije ili međuproizvode, kao i slojeve pasivizacije na površinama katalizatora;
③ Udarni valovi mogu oštetiti strukturu reaktanata;
④ Sustav disperznih reaktanata;
⑤ Ultrazvučna kavitacija nagriza metalnu površinu, uzrokujući deformaciju metalne rešetke i stvaranje unutarnjih zona deformacije, čime se povećava kemijska reaktivnost metala;
⑥ Poticanje prodiranja otapala u unutrašnjost krutina, što rezultira takozvanim reakcijama inkluzije;
⑦ Poboljšati disperziju katalizatora;

Primjena ultrazvučne sonokemije:

Ultrazvučna sonokemija može se primijeniti na gotovo sve kemijske reakcije, poput ekstrakcije i odvajanja, sinteze i razgradnje, proizvodnje biodizela, mikrobne obrade, razgradnje toksičnih organskih zagađivača, biorazgradne obrade, biološkog drobljenja stanica, disperzije i agregacije itd.

◆ Ekstrakcija tradicionalne kineske medicine: Odnosi se na ultrazvučno drobljenje (fragmentaciju) stanica tradicionalne kineske medicine kako bi se postigla učinkovita ekstrakcija korisnih tvari. U usporedbi s tradicionalnim tehnikama ekstrakcije, ekstrakcija potpomognuta ultrazvukom ima prednosti kao što su velika brzina, niska cijena, visoka učinkovitost, sigurnost, niska cijena i široka primjenjivost.

◆ Proizvodnja biodizela: ulje iz biomase priprema se ultrazvučnom emulzifikacijom – dizelski losion zapravo raspršuje kapljice bioulja u drugu dizelsku tekućinu koja se ne miješa. U usporedbi s drugim tehnologijama, pripremljene kapljice mogu se fino raspršiti, uz usku distribuciju, visoku učinkovitost, dobar učinak disperzije i mogu povećati stabilnost losiona.

◆ Ultrazvučni antimorski organizmi: Na temelju kavitacijskog učinka ultrazvuka, kada se jezgra mikromjehurića u tekućini aktivira ultrazvukom, ona pokazuje niz dinamičkih procesa, kao što su oscilacija mjehurića, rast, kontrakcija i kolaps. Mjehurići u tekućini generiraju stotine atmosfera i tisuće stupnjeva Celzijusa visoke temperature u trenutku pucanja, uzrokujući brzo ljuštenje prianjanja morskih organizama i drobljenje njihovih epidermalnih stanica, čime se postiže cilj sprječavanja morskih organizama.

◆ Ultrazvučna kataliza: Ultrazvuk se primjenjuje na katalitičke reakcijske procese, koji mogu simulirati reakcije visoke temperature i visokog tlaka u reaktorima na mikroskopskoj razini, pružajući vrlo posebno fizičko i kemijsko okruženje za katalitičke reakcije koje je teško ili nemoguće postići pod općim uvjetima Uvjeti. Katalitičke reakcije mogu se provoditi u blažim okruženjima. Može dodatno poboljšati brzinu reakcije, skratiti vrijeme reakcije i povećati prinos ciljanog produkta. Glavne primjene uključuju katalizu metalne površine, katalizu faznog prijenosa, enzimsku katalizu itd.

Ultrazvučna disperzija: odnosi se na proces u kojem se tekućina koristi kao medij, a djelovanje ultrazvučnih valova u tekućini raspršuje i rastavlja čestice kroz kavitaciju. Ultrazvučna disperzija može se podijeliti na disperziju u losionu (disperzija tekućina-tekućina) i disperziju u suspenziji (disperzija kruto-tekuće), koje su primijenjene u mnogim područjima. Primjena ultrazvučne disperzije u suspenziji također se raspršuje u vodi ili otapalima u industriji boja, bojama u rastaljenom parafinu, česticama lijekova u farmaceutskoj industriji i prehrambenoj industriji, među ostalima.