अल्ट्रासोनिक सोनोकेमिकल प्रभाव का सार गुहिकायन है, जिसमें तीन चरण शामिल हैं: गैस नाभिक की उपस्थिति, सूक्ष्म बुलबुले की वृद्धि और सूक्ष्म बुलबुले का फटना। अल्ट्रासाउंड की क्रिया के तहत, द्रव तेजी से गति से गुजरता है। ध्वनि दबाव में परिवर्तन के कारण, विलायक संपीड़ित होता है और विरल रूप से प्रभावित होता है। अल्ट्रासाउंड के विरल चरण क्षेत्र में, गैस गुहा फैलती है और बढ़ती है, आसपास के तरल वाष्प या गैस को भरती है। संपीड़ित चरण क्षेत्र में, हवा की जेबें जल्दी से ढह जाती हैं और फट जाती हैं, जिससे बड़ी संख्या में सूक्ष्म बुलबुले बनते हैं जो फिर नए गैस नाभिक के रूप में काम कर सकते हैं।
रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर अल्ट्रासाउंड के प्रभाव का मुख्य कारण यह है कि ये सूक्ष्म बुलबुले जब बड़े होते हैं और अचानक फट जाते हैं तो वे मजबूत शॉक वेव उत्पन्न कर सकते हैं। यह अनुमान लगाया गया है कि जब सूक्ष्म बुलबुले फटते हैं, तो स्थानीय स्थान में मेगाबार तक का दबाव उत्पन्न हो सकता है, जिसका केंद्रीय तापमान 104-106K होता है। अल्ट्रासाउंड क्षेत्र के प्रभाव का स्पष्टीकरण अभी तक आणविक स्तर पर नहीं आया है, लेकिन आणविक आबादी के यांत्रिक तंत्र के स्तर पर बना हुआ है।
उदाहरण के लिए, ठोस सतहों पर गुहिकायन और सफाई प्रभाव; अमिश्रणीय तरल पदार्थों का पायसीकारी प्रभाव; सूक्ष्म अंतरिक्ष में आघात तरंगों के कारण उत्पन्न उच्च तापमान और दबाव का माइक्रोबबल विस्फोट के दौरान द्रव्यमान और ऊर्जा हस्तांतरण पर प्रभाव।
अल्ट्रासोनिक रासायनिक प्रतिक्रियाओं को माध्यम के आधार पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: ① जलीय चरण में सोनोकेमिस्ट्री। अल्ट्रासाउंड की क्रिया के तहत, पानी हाइड्रॉक्सिल रेडिकल और हाइड्रोजन परमाणुओं में विघटित हो जाता है, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला को ट्रिगर कर सकता है।
कार्बनिक हैलाइड, जैसे कि CH2Cl2, CHCl3, और CCl4, जलीय माध्यम में अल्ट्रासोनिक क्रिया से गुजरते हैं, जिससे हाइड्रोजन हाइड्रोजन बॉन्ड टूट जाते हैं और मुक्त कण उत्पन्न होते हैं। प्रोटीन और एंजाइम जैसे जैव अणुओं की सोनोकेमिस्ट्री पर किए गए अध्ययनों से पता चला है कि सोनोरेडॉक्स प्रतिक्रियाएं कई सरल उत्पादों की ओर ले जाने वाली मुख्य क्रियाविधि हैं, जैसे कि गैर-जलीय तरल चरणों में सोनोकेमिस्ट्री। इस क्षेत्र में शोध कार्य अभी भी अपने शुरुआती चरण में है।
अल्ट्रासाउंड सोनोकेमिस्ट्री की भूमिका:
जब अल्ट्रासाउंड तरल माध्यम में फैलता है, तो यह यांत्रिकी, ऊष्मागतिकी, प्रकाशिकी, इलेक्ट्रॉनिक्स और रसायन विज्ञान जैसे प्रभावों की एक श्रृंखला उत्पन्न करता है, जो यांत्रिकी, गुहिकायन और तापीय प्रभावों के माध्यम से होता है। विशेष रूप से उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड मजबूत गुहिकायन उत्पन्न कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप स्थानीय स्तर पर तात्कालिक उच्च तापमान, उच्च दबाव, वैक्यूम और माइक्रो जेट का निर्माण होता है।
भौतिक साधन और उपकरण के रूप में अल्ट्रासोनिक तकनीक, आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले रासायनिक प्रतिक्रिया मीडिया में लगभग चरम स्थितियों की एक श्रृंखला उत्पन्न कर सकती है। यह ऊर्जा न केवल कई रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित या बढ़ावा दे सकती है, रासायनिक प्रतिक्रियाओं की गति को तेज कर सकती है, बल्कि कुछ रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दिशा भी बदल सकती है, जिससे अप्रत्याशित प्रभाव और चमत्कार पैदा होते हैं। आम तौर पर यह माना जाता है कि उपरोक्त घटनाओं की घटना मुख्य रूप से अल्ट्रासाउंड के यांत्रिक और गुहिकायन प्रभावों के कारण होती है, जो परिणामस्वरूप प्रतिक्रिया की स्थिति और वातावरण को बदल देती है।
यांत्रिक क्रिया - रासायनिक प्रतिक्रिया प्रणाली में अल्ट्रासाउंड को शामिल करने से, अल्ट्रासाउंड पदार्थों को तीव्र बलपूर्वक गति से गुजरने के लिए प्रेरित कर सकता है, पदार्थों के स्थानांतरण और प्रसार में तेजी लाने के लिए एकदिशीय बल उत्पन्न कर सकता है, यांत्रिक हलचल को प्रतिस्थापित कर सकता है, पदार्थों को सतह से छील सकता है, और इस प्रकार इंटरफेस को अद्यतन कर सकता है।
कैविटेशन प्रभाव - कुछ मामलों में, अल्ट्रासोनिक प्रभाव की उत्पत्ति कैविटेशन तंत्र से संबंधित है। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन, अल्ट्रासोनिक तरंगों की क्रिया के तहत होने वाली गतिशील प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला को संदर्भित करता है, जिसमें तरल में मौजूद छोटे बुलबुले (छिद्र) का कंपन, विस्तार, संकुचन और यहां तक कि पतन भी शामिल है। कैविटेशन के बिंदु पर, तरल की स्थानीय स्थिति में महत्वपूर्ण परिवर्तन होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप अत्यधिक उच्च तापमान और उच्च दबाव होता है। रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए एक नया और बहुत ही विशेष भौतिक और रासायनिक वातावरण प्रदान किया गया जो सामान्य परिस्थितियों में प्राप्त करना मुश्किल या असंभव है।
उत्प्रेरक रासायनिक प्रतिक्रिया--
① उच्च तापमान और उच्च दबाव की स्थिति अभिकारकों को मुक्त मूलकों और द्विसंयोजी कार्बन में तोड़ने के लिए अनुकूल होती है, जिससे अधिक सक्रिय प्रतिक्रिया प्रजातियां बनती हैं;
② शॉक तरंगों और माइक्रो जेटों में ठोस सतहों (जैसे उत्प्रेरक) पर विशोषण और सफाई प्रभाव होते हैं, जो सतह प्रतिक्रिया उत्पादों या मध्यवर्ती पदार्थों को हटा सकते हैं, साथ ही उत्प्रेरक सतहों पर निष्क्रियता परतों को भी हटा सकते हैं;
③ आघात तरंगें अभिकारकों की संरचना को नुकसान पहुंचा सकती हैं;
④ फैलानेवाला अभिकारक प्रणाली;
⑤ अल्ट्रासोनिक कैविटेशन धातु की सतह को नष्ट कर देता है, जिससे धातु की जाली का विरूपण होता है और आंतरिक तनाव क्षेत्रों का निर्माण होता है, जिससे धातु की रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता बढ़ जाती है;
⑥ ठोस पदार्थों के अंदरूनी भाग में विलायकों के प्रवेश को बढ़ावा देना, जिसके परिणामस्वरूप तथाकथित समावेशन प्रतिक्रियाएं होती हैं;
⑦ उत्प्रेरक फैलाव में सुधार;
अल्ट्रासाउंड सोनोकेमिस्ट्री का अनुप्रयोग:
अल्ट्रासोनिक सोनोकेमिस्ट्री को लगभग सभी रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर लागू किया जा सकता है, जैसे निष्कर्षण और पृथक्करण, संश्लेषण और गिरावट, बायोडीजल उत्पादन, माइक्रोबियल उपचार, विषाक्त कार्बनिक प्रदूषकों का क्षरण, जैवनिम्नीकरण उपचार, जैविक कोशिका क्रशिंग, फैलाव और एकत्रीकरण, आदि।
◆ पारंपरिक चीनी चिकित्सा निष्कर्षण: यह उपयोगी पदार्थों के कुशल निष्कर्षण को प्राप्त करने के लिए पारंपरिक चीनी चिकित्सा कोशिकाओं के अल्ट्रासोनिक क्रशिंग (विखंडन) को संदर्भित करता है। पारंपरिक निष्कर्षण तकनीकों की तुलना में, अल्ट्रासाउंड सहायता प्राप्त निष्कर्षण में तेज़ गति, कम लागत, उच्च दक्षता, सुरक्षा, कम लागत और व्यापक प्रयोज्यता जैसे फायदे हैं।
◆ बायोडीजल उत्पादन: बायोमास तेल अल्ट्रासोनिक पायसीकरण के माध्यम से तैयार किया जाता है - डीजल लोशन वास्तव में बायो ऑयल की बूंदों को दूसरे अमिश्रणीय डीजल द्रव में फैलाता है। अन्य तकनीकों की तुलना में, तैयार की गई बूंदों को बारीक रूप से फैलाया जा सकता है, संकीर्ण वितरण, उच्च दक्षता, अच्छे फैलाव प्रभाव के साथ, और लोशन की स्थिरता को बढ़ा सकता है।
◆ अल्ट्रासोनिक समुद्री जीवों का विरोधी: अल्ट्रासाउंड के गुहिकायन प्रभाव के आधार पर, जब तरल में माइक्रोबबल कोर अल्ट्रासाउंड द्वारा सक्रिय होता है, तो यह बुलबुला दोलन, विकास, संकुचन और पतन जैसी गतिशील प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला प्रदर्शित करता है। तरल में बुलबुले टूटने के समय सैकड़ों वायुमंडल और हजारों डिग्री सेल्सियस उच्च तापमान उत्पन्न करते हैं, जिससे समुद्री जीवों का आसंजन जल्दी से छील जाता है और उनकी एपिडर्मल कोशिकाओं को कुचल देता है, जिससे समुद्री जीवों को रोकने का लक्ष्य प्राप्त होता है।
◆ अल्ट्रासोनिक कटैलिसीस: अल्ट्रासाउंड को उत्प्रेरक प्रतिक्रिया प्रक्रियाओं पर लागू किया जाता है, जो सूक्ष्म पैमाने पर रिएक्टरों में उच्च तापमान और उच्च दबाव प्रतिक्रियाओं का अनुकरण कर सकता है, जो उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं के लिए एक बहुत ही विशेष भौतिक और रासायनिक वातावरण प्रदान करता है जो सामान्य परिस्थितियों में प्राप्त करना मुश्किल या असंभव है। उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं को हल्के वातावरण में किया जा सकता है। यह प्रतिक्रिया दर में और सुधार कर सकता है, प्रतिक्रिया समय को छोटा कर सकता है, और लक्ष्य उत्पाद की उपज को बढ़ा सकता है। मुख्य अनुप्रयोगों में धातु सतह कटैलिसीस, चरण स्थानांतरण कटैलिसीस, एंजाइम कटैलिसीस आदि शामिल हैं।
अल्ट्रासोनिक फैलाव: उस प्रक्रिया को संदर्भित करता है जिसमें तरल को एक माध्यम के रूप में उपयोग किया जाता है, और तरल में अल्ट्रासोनिक तरंगों की क्रिया गुहिकायन के माध्यम से कणों को फैलाती और अलग करती है। अल्ट्रासोनिक फैलाव को लोशन फैलाव (तरल-तरल फैलाव) और निलंबन फैलाव (ठोस-तरल फैलाव) में विभाजित किया जा सकता है, जिसे कई क्षेत्रों में लागू किया गया है। निलंबन में अल्ट्रासोनिक फैलाव का अनुप्रयोग पेंट उद्योग में पानी या सॉल्वैंट्स में, पिघले हुए पैराफिन में रंगों, दवा उद्योग में दवा कणों और खाद्य उद्योग में भी फैलाया जाता है।
