(57)【要約】【課題】被処理物と混合する流体に超臨界流体を用いることにより、処理時の良好な流動性と処理後の分離の容易さを兼ね備える超臨界流体分散方法を提供する。【解決手段】被処理物を超臨界流体中に分散させて第１分散物を得る第１超臨界流体分散工程と、第１分散物を、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ加圧供給し第１分散物中の被処理物を微小化して第２分散物を得る第２超臨界流体分散工程と、を備え、さらに、第２超臨界流体分散工程の後、第２分散物から超臨界流体を除去し被処理物の微小化物を単離する単離工程を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を超臨界流体中に分散させて第１分散物を得る第１超臨界流体分散工程と、
前記第１分散物を、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ加圧供給し前記第１分散物中の被処理物を微小化して第２分散物を得る第２超臨界流体分散工程と、
を備えることを特徴とする超臨界流体分散方法。
【請求項２】
前記第２超臨界流体分散工程において、前記第１分散物が前記オリフィスホモジナイザ部を通過後、通過後の前記第１分散物が再度前記オリフィスホモジナイザ部を通過することを繰り返して前記第２分散物が調製される請求項１に記載の超臨界流体分散方法。
【請求項３】
前記第２超臨界流体分散工程の後、前記第２分散物から前記超臨界流体を除去し被処理物の微小化物を単離する単離工程が加えられる請求項１または２に記載の超臨界流体分散方法。
【請求項４】
前記超臨界流体が、二酸化炭素の超臨界流体である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超臨界流体分散方法。
【請求項５】
前記オリフィスホモジナイザ部は、
複数の流入側流路部と、
複数の流出側流路部と、
前記複数の流入側流路部を単一に集合させる集合部と、
前記集合部の下流に接続されたオリフィス流路部と、
前記オリフィス流路部の下流に接続され前記オリフィス流路部を分岐させ前記複数の流出側流路部と接続する分岐部と、
を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の超臨界流体分散方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体分散方法に関し、特に被処理物を超臨界流体中に分散させて微小化する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被処理物の微小化方法としては、従前、乾式または湿式の粉砕機が使用されている従前の乾式または湿式の粉砕機では、少量の微小化には不向きであった。発明者は、以前より被処理物と流体を混合した混合物を細管内に加圧しながら流動させることにより、効率的な少量の被処理物の微小化を実現してきた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
混合物の細管内の流動に際し、処理効率の点から高速で流動させる必要があり、混合物は非常に高圧にして流動されていた。特に、水、有機溶媒の場合、被処理物と流体を混合した混合物の状態では高粘度となり流動性の低下が生じやすい。そのため、圧送用のポンプには高出力が要求され、装置自体の規模は大きくなりやすい。また配管は混合物の流動時の圧力負荷を受けるため、耐圧施工等が必要である。そこで、微小化のための設備負担は大きい。
【０００４】
さらに、微小化の処理を終えて微小化された被処理物と溶媒となる流体の混合物から、目的の微小化された被処理物を分離する必要がある。水、有機溶媒の使用では、蒸発等の事後的な分離の処理が必要な場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−１００４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、発明者は、被処理物と混合した流体の良好な流動性を維持しつつ、処理後の分離の容易な被処理物の微小化の方法が望まれていた。本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、被処理物と混合する流体に超臨界流体を用いることにより、処理時の良好な流動性と処理後の分離の容易さを兼ね備える超臨界流体分散方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、第１の形態は、被処理物を超臨界流体中に分散させて第１分散物を得る第１超臨界流体分散工程と、第１分散物を、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ加圧供給し第１分散物中の被処理物を微小化して第２分散物を得る第２超臨界流体分散工程と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
第２の形態は、第２超臨界流体分散工程において、第１分散物がオリフィスホモジナイザ部を通過後、通過後の第１分散物が再度オリフィスホモジナイザ部を通過することを繰り返して第２分散物が調製されることを特徴とする。
【０００９】
第３の形態は、第２超臨界流体分散工程の後、第２分散物から超臨界流体を除去し被処理物の微小化物を単離する単離工程が加えられることを特徴とする。
【００１０】
第４の形態は、超臨界流体が、二酸化炭素の超臨界流体であることを特徴とする。
【００１１】
第５の形態は、オリフィスホモジナイザ部は、複数の流入側流路部と、複数の流出側流路部と、複数の流入側流路部を単一に集合させる集合部と、集合部の下流に接続されたオリフィス流路部と、オリフィス流路部の下流に接続されオリフィス流路部を分岐させ複数の流出側流路部と接続する分岐部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の超臨界流体分散方法によると、被処理物を超臨界流体中に分散させて第１分散物を得る第１超臨界流体分散工程と、第１分散物を、小径流路部を備えてなるオリフィスホモジナイザ部へ加圧供給し第１分散物中の被処理物を微小化して第２分散物を得る第２超臨界流体分散工程と、を備えるため、被処理物を微小化する処理時の良好な流動性と処理後の溶媒となる流体の分離の容易さを兼ね備えことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】超臨界流体分散方法を実施する第１実施形態の超臨界流体分散装置の全体構成図である。
【図２】オリフィスホモジナイザ部の主要部縦断面図である。
【図３】オリフィスホモジナイザ部の主要部横断面図である。
【図４】第１実施形態の超臨界流体分散装置の可動時の第１概略説明図である。
【図５】第１実施形態の超臨界流体分散装置の可動時の第２概略説明図である。
【図６】第２実施形態の超臨界流体分散装置の可動時の第１概略説明図である。
【図７】第２実施形態の超臨界流体分散装置の可動時の第２概略説明図である。
【図８】第２実施形態の超臨界流体分散装置の可動時の第３概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の超臨界流体分散方法を説明するに際し、図１の超臨界流体分散装置１（第１実施形態）の全体構成図を用いながら説明する。むろん、図示の装置はひとつの実施形態の開示であるため、本発明の超臨界流体分散方法を実現する構成は図示の形態に限定されない。
【００１５】
図示の超臨界流体分散装置１では、原料タンク３０、分岐ブロック４０、オリフィスホモジナイザ部１０、ポンプ部５０を備え、原料タンク３０に流体貯留タンク６０が接続される。そして、最終的に処理を終えた被処理物はドレイン部９０から回収される。
【００１６】
被処理物を貯留する原料タンク３０と、その下流の分岐ブロック４０は配管部８１を介して設置される。原料タンク３０は被処理物を貯留する耐圧容器であり、後出の超臨界流体の流通時の温度、圧力を維持可能な容器である。さらに、原料タンク３０には、攪拌機３１が設けられ、被処理物と超臨界流体は混合されて分散物となる。
【００１７】
図示の実施形態の超臨界流体分散装置１では、原料タンク３０が超臨界流体の温度及び圧力条件を維持する。原料タンク３０には加温器（ヒータ）等が設置される。なお、分散物の流動時の圧力は、流体貯留タンク６０から圧送ポンプ６１により供給される超臨界流体の供給圧力を通じて制御される。配管部８１には逆止弁７０と切替弁７１が設置される。分岐ブロック４０側から原料タンク３０側への逆流は逆止弁７０と切替弁７１により規制される。
【００１８】
ポンプ部５０は分岐ブロック４０と配管部８２により接続される。また、オリフィスホモジナイザ部１０は配管部８３により分岐ブロック４０と接続される。さらに、オリフィスホモジナイザ部１０は配管部８４により原料タンク３０と接続される。ドレイン部９０側には配管部８６が設けられる。また、図示のとおり、各配管部には切替弁７２，７３，７４が接続される。各切替弁はポンプ部５０の動作時の流体の流路を規制する。各切替弁は電磁弁、手動弁の適宜である。配管部８１，８２，８３，８４，８５，８６は、保温性、耐圧性に優れた中空管体であり、被処理物と超臨界流体の混合により生じた分散物が温度及び圧力を維持しながら流動する。
【００１９】
分岐ブロック４０の構造は特段限定されないものの、金属等の耐圧材料から形成され、内部にＴ字状の流路が形成された部材である。または、分岐ブロック４０は公知の三方弁等でも良い。
【００２０】
ポンプ部５０は構造体内にピストン５１を備えており、一般にピストンポンプと称される。ピストン５１の後退時（後出の図３参照）、ポンプ部５０のハウジング５２内に被処理物と超臨界流体との混合により生じた分散物が流入する。ピストン５１の前進時（後出の図４参照）、被処理物と超臨界流体の分散物はポンプ部５０から吐出されてオリフィスホモジナイザ部１０に流入する。ピストン５１の前進及び後退は、油圧駆動またはサーボモータ等により制御される。被処理物と超臨界流体の分散物はオリフィスホモジナイザ部１０を通過後、原料タンク３０に流入する。
【００２１】
原料タンク３０の上流に超臨界流体を貯留する流体貯留タンク６０が設置され、配管部８５により接続される。超臨界流体を圧送する圧送ポンプ６１は配管部８５に設置され、超臨界流体は流体貯留タンク６０から原料タンク３０へ供給される。
【００２２】
オリフィスホモジナイザ部１０を通過して微小化（粉砕）が進行した被処理物と超臨界流体の分散物は、最終的にドレイン部９０から超臨界流体分散装置１の外部に流出する。
【００２３】
オリフィスホモジナイザ部１０について、図２の主要部縦断面図及び図３の主要部横断面図を用いてその構造を説明する。図２のＡ−Ａ線における横断面が図３（ａ）であり、図２のＢ−Ｂ線における横断面が図３（ｂ）であり、図２のＣ−Ｃ線における横断面が図３（ｃ）である。
【００２４】
オリフィスホモジナイザ部１０は、第１ブロック２１と第２ブロック２２、そして第１ブロック２１と第２ブロック２２の間に介装される第３ブロック２３により形成される。第１ブロック２１において、複数の流入側流路部１１，１２が形成される（図２及び図３（ａ）参照）。また、第２ブロック２２においても、複数の流出側流路部１８，１９が形成される。
【００２５】
第１ブロック２１と第３ブロック２３との接合面に意図的に第１空隙部１４が形成される。この第１空隙部１４が複数の流入側流路部１１，１２を単一に集合させる集合部１３となる（図２及び図３（ｂ）参照）。集合部１３（第１空隙部１４）の下流側は第３ブロック２３となり、同第３ブロック２３内にオリフィス流路部１５が形成される（図２及び図３（ｃ）参照）。
【００２６】
オリフィス流路部１５の下流側においても、第３ブロック２３と第２ブロック２２との接合面にも意図的に第２空隙部１６が形成される。この第２空隙部１６がオリフィス流路部１５を分岐させて複数の流出側流路部１８，１９と接続する分岐部１７となる。
【００２７】
流入側流路部１１，１２及び流出側流路部１８，１９の内直径（Ｄ１）は相互に同一であり、オリフィス流路部１５の内直径（Ｄ２）よりも大きく形成される。具体的には、内直径（Ｄ１）は、内直径（Ｄ２）の５ないし７倍である。また、第１空隙部１４の距離（Ｄ３）は内直径（Ｄ１）と同等に規定される。従って、オリフィス流路部１５は小径流路部である。
【００２８】
次に、オリフィスホモジナイザ部１０を用いた際の作用を説明する。被処理物を超臨界流体中に分散させた分散物（圧送流体）は流入側流路部１１，１２を経由して集合部１３（第１空隙部１４）に侵入する。ここで、オリフィス流路部１５は流入側流路部１１，１２よりも狭小であるため、分散物の流量は低下する。そして、分散物（圧送流体）の圧力変化が生じ、それぞれの流入側流路部から流入した分散物は集合部１３において衝突する。このときの分散物中の被処理物同士は衝突時のエネルギーにより破砕される。このように、分散物が流入側流路部１１，１２からオリフィス流路部１５へ流動するごとに、分散物中の被処理物同士の衝突が進み、結果として分散物は粉砕される。
【００２９】
図示の流入側流路部及び流入側流路部はともに２つである。むろん、流入側流路部及び流入側流路部の形成数は１以上である。ただし、分散物中の被処理物の衝突を促すため、流入側流路部及び流入側流路部の形成数は２以上であることがさらに望ましい。図示のオリフィスホモジナイザ部１０は、流入側及び流出側はともに対称形である。そこで、説明の便宜状流入側及び流出側としている。流入側と流出側が対称形であるため、オリフィスホモジナイザ部１０はいずれの向きからの流入においても機能し得る。従って、分散物が流出側流路部１８，１９から流入してオリフィス流路部１５通過し流入側流路部１１，１２より流出する場合もある。
【００３０】
これより、第１実施形態の超臨界流体分散装置１を用い、本発明の超臨界流体分散方法を説明する。はじめに、被処理物は超臨界流体中に分散されて「第１分散物」となる（「第１超臨界流体分散工程」）。分散は原料タンク３０で行われる。
【００３１】
微小化の対象である被処理物は、例えば、セルロース、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、複合金属酸化物（スピネル、ペロブスカイト等の結晶質）等の多岐にわたる物質である。被処理物同士の衝突を通じて微小化することにより、事後的に樹脂等に混合する際の均一な分散性が高まる。そのため、素材の性能向上が見込まれる。
【００３２】
この分散方法において使用される超臨界流体は二酸化炭素または水である。特に、二酸化炭素は、常温、常圧下において気化するため超臨界流体として好ましい。また、極性を有する分子ではあるものの、水と比較して極性に伴う反応性は弱い。超臨界流体が二酸化炭素の場合、ドレイン部９０からの放出後、二酸化炭素のみが常温、常圧下において気化する。このため、分散後の分離は極めて容易である。
【００３３】
ここで、超臨界流体は、各物質に特有の温度、圧力条件により液体と気体の区別がつかない状態となった流体である。具体的に、二酸化炭素の臨界温度は３０４．１Ｋ、臨界圧力は７．３８ＭＰａであり、水の臨界温度は６４７．３Ｋ、臨界圧力は２２．１２ＭＰａであり、エタンの臨界温度は３０５．３Ｋ、臨界圧力は４．８７ＭＰａであり、プロパンの臨界温度は３６９．８Ｋ、臨界圧力は４．２５ＭＰａである。
【００３４】
超臨界流体は、通常状態の水、有機溶媒等と比較して高い流動性を備える。このことから被処理物を混合後の第１分散物の粘度低下が予想される。従って、配管部内、特には小径流路部を有するオリフィスホモジナイザ部１０へ加圧供給時の圧送時の抵抗軽減が期待される。
【００３５】
超臨界流体には、二酸化炭素、水の他に、エタン、プロパン、エチレン等の有機分子を使用することも可能である。二酸化炭素と水は極性を有する分子である。そのため、超臨界流体分散装置１において処理を続ける間に、超臨界の条件により被処理物が極性分子により攻撃（反応）を受ける可能性もある。これに対し、エタン、プロパン、エチレンは、非極性の分子である。そのため、超臨界の条件が持続するとしても被処理物との反応性は乏しい。そこで、被処理物の性質を考慮して超臨界流体の種類は選択される。
【００３６】
第１分散物は、小径流路部を有するオリフィスホモジナイザ部１０へ加圧供給される。加圧供給は、ポンプ部５０内のピストン５１の押圧力により行われる。第１分散物がオリフィスホモジナイザ部１０に流入して当該オリフィスホモジナイザ部１０を通過する。ここで、前述の説明のとおり、第１分散物中の被処理物は、オリフィスホモジナイザ部１０の流路内において衝突した際の衝撃エネルギーにより、当初よりも微小化が促進する。こうして第１分散物がオリフィスホモジナイザ部１０を通過することにより「第２分散物」が得られる（「第２超臨界流体分散工程」）。第２分散物は、第１分散物と比較して分子鎖長の縮小、結晶構造の崩壊等により、被処理物の微小化が進行した状態の分散物である。
【００３７】
第２超臨界流体分散工程の後、第２分散物は配管部８６を経由してドレイン部９０から放出される。超臨界流体に二酸化炭素を使用した場合、二酸化炭素の超臨界流体はドレイン部９０へ放出された第２分散物から蒸発により容易に除去される。結果、被処理物の微小化物は単離される（「単離工程」）。超臨界流体に水を使用した場合、被処理物の微小化物の単離のため、蒸発器（図示せず）等が別途ドレイン部９０に装備される。エタン、プロパン、エチレン等が超臨界流体である場合、これらは常温、常圧下では可燃性の気体であるため専用の回収器（図示せず）等が別途ドレイン部９０に装備される。
【００３８】
単離工程は、超臨界流体の溶媒から微小化された被処理物（微小化物）を分離する際に加えられる工程である。例えば、セルロースの被処理物と超臨界流体の水が混合された状態において、微小化後においても微小化物を分離する必要が無い場合、つまり、湿潤な混合状態が所望されているときには、単離工程は省略される。
【００３９】
図４及び図５の概略説明図を用い、第１実施形態の超臨界流体分散装置１における流体の経路を説明する。はじめに、ポンプ部５０のピストン５１が後退し（図４の白抜き矢印方向）、ハウジング５２内が減圧する。そこで、原料タンク３０内の第１分散物は配管部８１、分岐ブロック４０、配管部８２を通じてポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図４参照）。このとき、第１分散物の流動する方向は原料タンク３０から分岐ブロック４０へ向かう正流方向であるため、逆止弁７０と弁開放状態の切替弁７１を通過可能である。
【００４０】
次に、ポンプ部５０のピストン５１が前進し（図５の白抜き矢印方向）、ハウジング５２内の第１分散物はポンプ部５０から押出される。そして、第１分散物は配管部８２、分岐ブロック４０、配管部８３を通過してオリフィスホモジナイザ部１０に流入する。ポンプ部５０の押出力により、第１分散物は小径流路部を備えたオリフィスホモジナイザ部１０を通過することができる（図５参照）。
【００４１】
第１分散物はオリフィスホモジナイザ部１０を通過することにより微小化が進み第２分散物となる。そして、第２分散物は配管部８４、切替弁７３を経由して原料タンク３０へ流入する。続いて、再度、原料タンク３０内の第１分散物（混入後の第２分散物）はポンプ部５０のハウジング５２内に流入し（図４参照）、ポンプ部５０の押出力により、第１分散物（混入後の第２分散物）はオリフィスホモジナイザ部１０を通過する（図５参照）。
【００４２】
こうして、第１分散物はオリフィスホモジナイザ部１０を通過後、第１分散物が再度オリフィスホモジナイザ部１０を通過することを繰り返して第２分散物が調製される。即ち、オリフィスホモジナイザ部１０における被処理物の相互の衝突回数が増加して、より微小化が促進する。被処理物の微小化が十分に進行した時点において、第２分散物は配管部８６の先のドレイン部９０から放出される（図５中の破線矢印を参照。）。
【００４３】
さらに、図６，図７，図８の概略説明図を用い、第２実施形態の超臨界流体分散装置２における流体の経路を説明する。第２実施形態の超臨界流体分散装置２は、配管部８４に中間タンク３５を設置している。その他の構成は第１実施形態の超臨界流体分散装置１と同様であるため、説明を省略する。
【００４４】
はじめに、ポンプ部５０のピストン５１が後退しハウジング５２内が減圧する。そこで、原料タンク３０内の第１分散物は配管部８１、分岐ブロック４０、配管部８２を通じてポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図６参照）。このとき、第１分散物の流動する方向は正流方向であるため、逆止弁７０と弁開放状態の切替弁７１を通過可能である。
【００４５】
次に、ポンプ部５０のピストン５１が前進してハウジング５２内の第１分散物はポンプ部５０から押出される。そして、第１分散物は配管部８２、分岐ブロック４０、配管部８３を通過してオリフィスホモジナイザ部１０に流入する。ポンプ部５０の押出力により、第１分散物は小径流路部を備えたオリフィスホモジナイザ部１０を通過することができる（図６参照）。第２分散物はオリフィスホモジナイザ部１０通過することにより微小化が進み第２分散物となる。そして、第２実施形態の超臨界流体分散装置２においては、第２分散物は中間タンク３５へ流入する。
【００４６】
中間タンク３５が原料タンク３０と別に備えられているため、微小化の進んだ第２分散物と原料タンク３０内の処理前の被処理物との混合は回避される。第２実施形態の超臨界流体分散装置２の場合、バッチ処理による方式が好適である。中間タンク３５には、超臨界流体の臨界温度及び臨界圧力を維持するための加温器、加圧器等が適宜備えられる（図示せず）。
【００４７】
続いて、ポンプ部５０におけるピストン５１の後退により、ハウジング５２内は負圧になる。そこで、中間タンク３５内の第２分散物は、図７とは逆にオリフィスホモジナイザ部１０の流出側流路部１８，１９から流入し、流入側流路部１１，１２から流出する。そして、配管部８３、分岐ブロック４０、配管部８２を通過してポンプ部５０のハウジング５２内に流入する（図８参照）。この後、ポンプ部５０のピストン５１の押出力により、第２分散物は再びオリフィスホモジナイザ部１０を通過する（図６参照）。
【００４８】
第２実施形態の超臨界流体分散装置２では、第１分散物がオリフィスホモジナイザ部１０を通過後、いったん中間タンク３５に貯留され、再度オリフィスホモジナイザ部１０を逆向きに通過することを繰り返して第２分散物が調製される。特に、オリフィスホモジナイザ部１０は上流側及び下流側が共通構造であるため、このような流動の向きを逆転させる使い方が可能となる。むろん、配管部の構成から、中間タンク３５に貯留された第２分散物を原料タンク３０に戻し入れることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の超臨界流体分散方法は、溶媒に超臨界流体を用いることにより高い流動性を確保して被処理物を分散させて流動、粉砕できる。このため、流路中の流動性は良好となり、従前の圧送時の負荷を軽減することができて有望である。
【符号の説明】
【００５０】
１，２  超臨界流体分散装置
１０  オリフィスホモジナイザ部
１１，１２  流入側流路部
１３  集合部
１４  第１空隙部
１５  オリフィス流路部
１６  第２空隙部
１７  分岐部
１８，１９  流出側流路部
２１  第１ブロック
２２  第２ブロック
２３  第３ブロック
３０  原料タンク
３５  中間タンク
４０  分岐ブロック
５０  ポンプ部
５１  ピストン
５２  ハウジング
６０  流体貯留タンク
６１  圧送ポンプ
７０  逆止弁
７１，７２，７３，７４  切替弁
８１，８２，８３，８４，８５  配管部
９０  ドレイン部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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