(57)【要約】【課題】  長期間分離せず、反応場を有する安定した界面活性剤分子吸着の油中水滴型エマルションを製造するためのエマルション製造方法およびエマルション製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】  界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に空気を混入しながら撹拌して界面活性剤分子を吸着した泡膜を混合液中で生成する泡膜生成手段、前記混合液中の泡膜を破膜してなる気泡を含むエマルションが生成する破膜手段、前記気泡を前記エマルションから脱気する撹拌手段を備える油中水滴型エマルション製造装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に、空気を混入しながら撹拌して泡膜を発生させる泡膜生成工程、
前記泡膜を破膜する破膜工程、および
前記泡膜が破膜された混合溶液中の気泡を脱気撹拌する撹拌工程、
を含むことを特徴とする油中水滴型エマルション製造方法。
【請求項２】
前記界面活性剤が、アニオン系で親水基に二価のイオンを有する界面活性剤、およびアニオン系で親水基に一価のイオンを有する界面活性剤の両方を含む請求項１記載の油中水滴型エマルション製造方法。
【請求項３】
前記泡膜生成工程において、空気を取り込む貫通孔と、前記貫通孔の縁から下方に延びる爪とが設けられた略円盤形の撹拌翼を、前記混合溶液中で回転させる請求項１または２に記載の油中水滴型エマルション製造方法。
【請求項４】
前記破膜工程において、前記泡膜生成工程で生成された混合液中の前記泡膜を、振動体と固定体とで形成された水平方向に延びる流路に通す請求項１ないし３いずれか記載の油中水滴型エマルション製造方法。
【請求項５】
界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に、空気を混入しながら撹拌して泡膜を発生させる泡膜生成手段、
前記泡膜を破膜する破膜手段、および
前記泡膜が破膜された混合溶液中の気泡を脱気撹拌する撹拌手段、
を含むことを特徴とする油中水滴型エマルション製造装置。
【請求項６】
前記泡膜生成手段が、撹拌軸と、前記撹拌軸から垂直方向に延びる略円盤形の撹拌翼とを備え、前記撹拌翼は、空気を取り込む貫通孔と、前記貫通孔の縁から下方に延びる爪とを有する請求項５に記載の油中水滴型エマルション製造装置。
【請求項７】
前記破膜手段が、振動体と固定体とで形成された水平方向に延びる流路を備える請求項５または６記載の油中水滴型エマルション製造装置。
【請求項８】
前記泡膜生成手段と前記破膜手段とを接続するプラスチック製管をさらに備える請求項５ないし７いずれか記載の油中水滴型エマルション製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応場として利用でき、長期間分離しない安定した油中水滴型エマルションを製造するためのエマルション製造方法およびエマルション製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水とアルカンとのエマルションは産業上大きな役割を果たしている。例えば、燃料費の節減、窒素酸化物や粒子状物質の抑制、および内燃機関から発生するガスがもたらす環境負荷の低減等に利用されている。
【０００３】
ところで、近年、環境負荷の少ない系を構築することが特に求められている。このような求めに対して、エマルションを反応場として利用することが考えられる。水とアルカンの油中水滴型のエマルションにおいて、水粒子の界面が、界面活性剤の安定な分子膜で構成されていれば、水粒子を安定な微小反応場として利用することができる。この反応場の作製に多くの研究がなされているが、未だ成功例が提供されていないのが実情である。
【０００４】
また、従来の技術においては、水とアルカンのエマルション作製時に界面活性剤を補助的に使用して、水の表面張力を下げ、エマルション化を図っている。しかし、エマルションの安定化には程遠い。
【０００５】
さらに、アルカンと水との混合比や界面活性剤の濃度によっては、油中水滴型のエマルションの中に水中油滴型が混在する場合があり、これもエマルションの不安定化の一因となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−４０５１９号公報
【特許文献２】特開２００９−８２８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、反応場として利用でき、長期間分離しない安定した油中水滴型エマルションを製造するためのエマルション製造方法およびエマルション製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の目的を達成するために、本発明者は、界面活性剤が吸着した薄い水の膜が作る泡の泡膜（しゃぼん膜）が破裂した際に生成する飛沫がアルカンに混入すると油中水滴型のエマルションになるとともに、しゃぼん膜が小さければしゃぼん膜の内部圧力が上がり、破裂時における界面活性剤が吸着した水の飛沫も目視できないほど小さくなることに着目し、鋭利研究を重ねた結果、界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合液中に空気を混入しながら撹拌して混合溶液中で泡膜を生成し、得られた泡膜を破膜することにより、反応場として利用でき、長期間分離しない安定した油中水滴型のエマルションを製造できることを見出した、すなわち、本発明は、界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に、空気を混入しながら撹拌して泡膜を発生させる泡膜生成工程、前記泡膜を破膜する破膜工程、および前記泡膜が破膜された混合溶液中の気泡を脱気撹拌する撹拌工程を含む油中水滴型エマルション製造方法である。また、本発明は、界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に、空気を混入しながら撹拌して泡膜を発生させる泡膜生成手段、前記泡膜を破膜する破膜手段、および前記泡膜が破膜された混合溶液中の気泡を脱気撹拌する撹拌手段を含む油中水滴型エマルション製造装置である。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、反応場として利用でき、長期間分離しない安定した油中水滴型エマルションを製造するためのエマルション製造方法およびエマルション製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係るエマルション製造装置の模式図である。
【図２】図１の円盤型撹拌翼の拡大平面図である。
【図３】図２の円盤型撹拌翼のＡ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［エマルション製造方法］
本発明の泡膜生成工程においては、界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液中に、空気を混入しながら撹拌して泡膜を生成させる。水としては、水道水を使用することができる。アルカンとしては、不活性疎水溶媒が挙げられ、油が好ましく、油としては、灯油、軽油、およびガソリンが挙げられ、灯油が好ましい。水とアルカンとの混合比は、例えば、燃料用のエマルション製造の場合、容積比で１〜５０：５０とすることができる。反応場としてのエマルション製造の場合は、水とアルカンの混合比は、例えば、容積比で１〜７０：５０とすることができる。
【００１２】
界面活性剤は、市販品を用いることができる。好ましくは、起泡性に優れたアニオン系の親水基に一価のイオンを有するものと、起泡性があるアニオン系の親水基に二価のイオンを有するものを混合して使用する。親水基に一価のイオンを有するものを単独で使用すると、小さくて粒揃いの泡膜にならない場合がある。そこで、一価より凝集力が十数倍ある二価を混合して使用するのが好ましい。二価は一価より起泡力がないため適量使用する。適量とは、例えば、混合溶液を撹拌した際に粘性が急激に上昇し、その時に生成する泡膜の大きさが２ｍｍ〜３ｍｍ径の粒揃いになり、小泡膜が混合液中に分散する量で、適宜選択すればよい。一価の界面活性剤は、起泡性に優れたアニオン系であれば数種類を混合して使用してもよい。アニオン系の親水基に一価のイオンを有する界面活性剤としては、例えば、アルファオレフィンスルホン酸塩を挙げることができる。アニオン系の親水基に二価のイオンを有する界面活性剤としては、例えば、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩マグネシウムを挙げることができる。界面活性剤の添加量は、混合溶液の全体の容積の１％〜２％の範囲とすることができる。
【００１３】
泡膜を生成させるには、界面活性剤、水、およびアルカンを含む混合溶液に空気を混入しながら撹拌させればよい。泡膜とは、界面活性剤が吸着した薄い水の膜が作る泡である。空気の混入方法は特に限定されないが、貫通孔を有する略円盤形状の撹拌翼の貫通孔から空気を取り込むのが好ましい。円盤型撹拌翼を高速回転させると、貫通孔から混合液中に空気が混入し泡膜が生成する。貫通孔の縁から下方に延びる爪で泡膜を細分化することができる。また、円盤型撹拌翼の下面で生成する泡膜同士の衝突や摩擦によっても泡膜が小径化する。さらに、界面活性剤の効果により安定した泡膜が生成する。ただし、一般的なプロペラ式撹拌翼を用いると、泡膜生成は混合溶液面上にフォームができ、重力等の影響で不安定となり消滅することがあるので好ましくない。
【００１４】
本発明の破膜工程においては、泡膜生成工程において生成した泡膜を破膜する。破膜方法としては、泡膜生成工程で生成した泡膜を含んだ混合溶液を振動体に接触衝突させる方法が好ましい。この場合、振動体への接触の衝撃で泡膜に穴が開き、液圧と泡膜内圧の差によって、穴より泡膜内部の空気が吹き出し、これとともに泡膜が飛沫となり破膜する。すわなち、泡膜がしぶきとなって飛び散る。この時、アルカン中に飛沫が分散して油中水滴のエマルションとなる。吹き出した空気は気泡となるが、この気泡は界面活性剤が吸着した薄い水の膜を持たない単なる空気の泡である。発生した気泡の一部は大気中に、その他はエマルション中に残る。泡膜の破膜時には空気吹き出しと飛沫などにより近隣の泡膜が連鎖破膜する。
【００１５】
本発明の撹拌工程においては、破膜工程後の混合溶液を撹拌する。撹拌の際には、破膜工程において発生した気泡を、プロペラ式撹拌翼を用いて、大気からの空気を巻き込まないようにして、低速回転で脱気するのが好ましい。プロペラ式撹拌翼は、市販品を用いることができる。このような製造方法により、反応場として利用でき、長期間（例えば、１年以上）分離しない安定した油中水滴型エマルションを製造することができる。
【００１６】
本発明に係る油中水滴型のエマルションの製造方法によれば、エマルションは、逆ミセルの大型の形態をとる。界面活性剤の分子が水になじみにくい部分（疎水基）を内側にして油を包み込んだ状態はミセル、界面活性剤の親水基を内側にして水を包み込んだ状態は逆ミセルと呼ばれている。油にわずかな水を分散させ、逆ミセルの形態にし、界面活性剤で水を包み込み、その水の中で化学反応を行って微粒子を作る方法を逆ミセル法と呼ぶ。この逆ミセル法を利用して、容易にナノ粒子を生成することができる。しかし、逆ミセル法では、内側に包み込んだ水の中で化合物を分散できない欠点がある。本発明に係る製造方法により得られたエマルションはその欠点を補い、エマルションの内包水には化合物が分散可能であり、水になじみにくい疎水性物質も溶剤に一旦溶かすことで分散可能である。これら物質を分散しても長期間分離せず、安定している。したがって、微粒子の合成や外部エネルギーを付加することにより化学反応を促進させることも可能である。
【００１７】
［エマルション製造装置］
次に、本発明に係るエマルション製造装置の１つの実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、エマルション製造装置の模式図である。エマルション製造装置は、泡膜を生成させる泡膜生成槽１０、泡膜を破膜する破膜槽１２、および泡膜が破膜して生成したエマルションに含まれる気泡を撹拌脱気する撹拌槽１４を備える。
【００１８】
泡膜生成槽１０は、槽の上部に水、アルカン、および界面活性剤などの混合溶液の原料を投入するための原料投入口１６を備える。泡膜生成槽１０は、上部に撹拌モータ２２を備える。撹拌モータ２２は、泡膜生成槽１０の内部へ垂直に伸びる撹拌軸１８を有し、撹拌軸１８の先端には撹拌翼２０が設置されている。撹拌翼２０は、撹拌モータ２２により回転させることができる。
【００１９】
円盤型撹拌翼２０は、図２および図３に拡大図として示してある。円盤型撹拌翼２０は、略円盤形状の本体部２４を備え、本体部２４の中心に、撹拌軸１８が円盤平面と垂直方向に接続されている。本体部２４には、撹拌軸１８を中心に、３つの貫通孔が等間隔に放射状に配置され、空気導入口２６を形成している。貫通孔の数は、本実施形態においては３つであるが、これに限定されず、任意の数設けることができる。貫通孔は、略矩形であり、円盤外側方向に向かって若干広くなるように構成されている。
【００２０】
本体部２４の径方向に延びる貫通孔の径方向に沿った縁辺の１方からは、爪２８が下方に向けて設置されている。爪２８は、本体部２４の平面に対して、下方に約４５度の角度で本体部２４の径方向に沿って、平面視で貫通孔と重なる配置とされ、本体部２４の回転方向と逆方向に延びている。爪の角度は、本実施形態においては約４５度であるが、これに限定されず、適宜、最適な角度を選択することができる。この爪２８により、大気から空気を混合溶液中に送り込み、円盤型撹拌翼２０の回転により泡膜を生成させることができる。
【００２１】
泡膜生成槽１０の底面には、泡膜を含む混合溶液を排出する排出口３４が備えられている。排出口３４は、移送路３０を介して、破膜槽１２の底面に備えられている導入口３６に接続され、混合溶液を泡膜生成槽１０から破膜槽１２まで送ることができるようになっている。泡膜生成槽１０の底面近傍の移送路３０には、バルブ３２が配置されている。
【００２２】
排出口３４から導入口３６までの移送路３０は、断面が円形の管であることが好ましく、管内の混合溶液が接液する部分の材質は、滑らかで濡れ性の接触角度が大きいものであることがさらに好ましい。このような材質としては、プラスチックが挙げられる。バルブ３２や具備する機器においても、接液する部分の材質は同様である。移送路３０を流動する泡膜を含む混合溶液は、泡膜に界面活性剤吸着の片寄りが生じ、不安定になることがある。また、移送路３０の接液部分の表面が粗かったり、材質の濡れ性接触角度が小さかったりすると、移送壁と混合液との摩擦面が大きくなり移送時に泡膜の破膜が起こる。この時発生する気泡と泡膜の二種類の泡が振動体３８に衝突するので破膜効率を低下させる場合がある。
【００２３】
破泡槽１２は、円筒形状であり、その内部に振動体３８を備える。振動体３８は、支軸４２を介して駆動手段４４に接続されており、駆動手段４４により、振動体３８を振動させることができる。振動体３８は、円筒形状であり、下方に気泡接触面４０を備える。気泡接触面４０の面積は、破膜槽１２の底面積よりも若干小さくなっており、気泡接触面４０は、破膜槽１２の底面の上方に、底面と略平行に配置されている。これにより、気泡接触面４０と振動体３８は破膜槽１２の底面との間に略水平方向に流路４６が形成される。流路４６の上下間距離は、振動体３８が少なくとも上下に振動可能な程度あればよい。振動体３８の駆動手段４４は、例えば、電磁振動、超音波振動、およびスピーカーが挙げられる。振動数は、エマルションの製造量やアニオン系の親水基に二価のイオンを有する界面活性剤の添加量などにもよるが、例えば、５０Ｈｚ〜３０ｋＨｚ、振動幅０．５〜３．０ｍｍで振動させることができる。流路４６を混合溶液が通過することで振動体３８に接触して、衝撃を受けて泡膜が破膜し、微少飛沫と気泡とが発生する。微少飛沫はアルカン中に分散され、他方、気泡を含むエマルションが製造される。破膜槽１２の上端には、排出路４８が設けられている。排出路４８は、撹拌槽１４の上端部に接続され、破膜槽１２から混合溶液が撹拌槽１４に移送可能となっている。
【００２４】
撹拌槽１４は、上部に低速撹拌モータ５２を備える。撹拌モータ５２は、撹拌槽１４の内部へ垂直に伸びる撹拌軸を有し、撹拌軸の先端にはプロペラ式撹拌翼５０が設置されている。プロペラ式撹拌翼５０は、撹拌モータ５２により回転させ、エマルションに含まれる気泡を脱気することができる。撹拌槽１４の下部には、バルブ５４を備える排出口５６が配置され、得られたエマルション液を取り出すことができる。
【００２５】
次に、図１に示されたエマルション製造装置を用いてエマルションを製造する方法について説明する。
【００２６】
まず、泡膜生成槽１０の原料投入口１６から水、アルカン、および界面活性剤が投入される。原料は、液面が略円盤形の撹拌翼２０の近傍となるまで投入される。原料が投入されるとき、泡膜生成槽１０の底面の排出口３４から原料が破膜槽１２へ流入しないように、バルブ３２は閉じられている。原料投入後、撹拌モータ２２を駆動させ、円盤型撹拌翼２０を回転させる。円盤型撹拌翼２０の回転により、大気の空気を空気導入口２６から取り込み、泡膜を生成させる。
【００２７】
円盤型撹拌翼２０の回転と界面活性剤などにより、混合溶液の粘性が上昇する。その上昇を目安に、バルブ３２を開き、泡膜生成槽１０内の混合溶液が破膜槽１２へ送られる。
【００２８】
破膜槽１２内の混合溶液は、流路４６を流れる。混合溶液中の泡膜は、流路４６を流れる間に浮上して、駆動手段４４によって振動させられている振動体３８に衝突接触して破膜する。この時に界面活性剤が水粒子に吸着した微少飛沫と、破膜時に泡膜と分離した気泡とに分かれる。またこの時点で微少飛沫がアルカンに分散され油中水滴型のエマルションとなる。
【００２９】
破膜槽１２に流入した、混合溶液は、破膜して気泡を含むエマルションになり、その後、排出路４８を通って撹拌槽１４に送られる。撹拌槽１４においては、プロペラ式撹拌翼５０によってエマルションが低速撹拌され気泡が大気中に脱気される。これによりエマルションが製造される。製造されたエマルションは、バルブ５４を開き、排出口５６から取り出される。
【符号の説明】
【００３０】
１０  泡膜生成槽
１２  破膜槽
１４  撹拌槽
２０  円盤型撹拌翼
３８  振動体
４０  気泡接触面
４６  流路
５０  プロペラ式撹拌翼
【図１】
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【図２】
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【図３】
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