(57)【要約】【課題】音響化学反応を連続的かつ効率よく処理可能な装置を開発する。【解決手段】少なくとも一部が反応物質を含有する液体中に配置された周波数１０ｋＨｚ以上、振幅１０μｍ以上の振動が可能な振動体と、前記振動体に気体を供給する気体供給手段と、前記気体供給手段から前記振動体の内部を通り前記液体中に気体を供給する流路を有することで、音響化学反応を好適に行なう装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が反応物質を含有する液体中に配置された周波数１０ｋＨｚ以上、振幅１０μｍ以上の振動が可能な振動体と、前記振動体に気体を供給する気体供給手段と、前記気体供給手段から前記振動体の内部を通り前記液体中に気体を供給する流路を有することを特徴とする反応装置。
【請求項２】
請求項1に記載の振動体の一部が配置される反応物質を含有する液体中に界面活性剤を含む請求項１に記載の反応装置。
【請求項３】
請求項１に記載の振動体の少なくとも１つの気体放出口から放出される気体の流量が０ｍＬ／minを超えて１０００ｍＬ／min以下であることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の反応装置。
【請求項４】
請求項１に記載の振動体の少なくとも１つの気体放出口の開口部面積が1ｍｍ２以上１０００ｍｍ２以下の範囲にあることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の反応装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載の反応装置による物質の処理が、酸化、還元、重合、分解、合成、殺菌、洗浄、加熱、燃焼、分離、固体表面改質のいずれかにおける反応性の付与もしくは向上である、請求項１から請求項４に記載の反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部を気体が通過可能な振動体に気体を供給し振動面から気体を放出することで、気泡の発生および発生した気泡への圧力振動印加を同時に行い、気泡の膨張収縮に伴う気泡内部の高温高圧環境を利用して音響化学反応させる装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体に短い時間で急激な圧力変動が起こると、泡の発生と消滅が瞬間的に起きる現象をキャビテーションといい、気泡が急激に収縮する際には、断熱圧縮に近い過程で収縮し、気泡内部が高温・高圧となることが知られている。特に、液体の急激な圧力変動を超音波で付与し発生するキャビテーションは音響キャビテーションと呼ばれている。この音響キャビテーションによって生じる気泡内部および気泡近傍の高温高圧場を利用した反応は、音響化学反応あるいはソノケミストリーと言い、酸化、還元、重合、分解、合成、殺菌、洗浄、加熱、燃焼、分離、固体表面改質などが可能（非特許文献１）である。更に、非特許文献２では音響キャビテーションによる核融合の可能性についても示されている。本発明は前述した音響化学反応について、処理量の増加や連続的な反応に寄与する最適な条件および装置構成を示すものである。
【０００３】
公知の音響化学反応装置としては、振動板と反射板の距離を調整して、超音波の波長に応じた音響定在波を制御し、振動圧力の高い場を液体中に形成させ音響化学反応を行なう装置（特許文献１）や、円筒容器の側面に振動子を取り付けて中心軸方向に音波を収束させることで、中心軸近傍に音圧の高い場を液体中に形成させ音響化学反応を行なう装置（特許文献２）がある。しかしながら、特許文献１および特許文献２に示された装置においては、気体供給および気体供給の反応に伴う反応性の向上については明示されていない。
【０００４】
また、特許文献３では超音波の振幅を増幅させる超音波ホーンを用いて液体中に強力な圧力振動を印加して有機溶媒の蒸気泡を発生させ、更に前記蒸気泡の収縮時の局所的な高温・高圧場を用いて音響化学的に種々のナノオーダの粒子を生成する技術および装置について記載されている。しかしながら、この装置において音響化学反応の反応場となる気泡は、超音波の周期的な振動に伴う瞬間的な減圧によって発泡する蒸気泡を指し、気体供給手段を用いて外部から気体を供給することによる反応性の向上については示唆されていない。
【０００５】
特許文献４では、超音波が印加された音響場の音波伝播方向の側方より気泡を添加することで、音響化学反応を促進させる技術について記載されている。しかし、前記の手法では、振動体と気泡供給が別の場所で行なわれており、気泡の発生と振動圧力の発生を一体化することについては明示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−８４４０３号公報
【特許文献２】特開２０００−８４４０４号公報
【特許文献３】特開２０１０−８２７７６号公報
【特許文献４】特開２００７−２７５６９４号公報
【特許文献５】特開２０１１−５０８３２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】前田泰昭著、「超音波利用技術集成」、NTS出版、２００５年４月７日、ｐ．３〜１４８
【非特許文献２】Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌ．２９５、ｐ．１８６８−１８７３、２００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の背景技術において、気体供給手段を用いずに液体への圧力振動の印加によって発生する液体の蒸気泡を音響化学反応用いる場合には、圧力振動によって瞬間的に液体の蒸気圧を下回る圧力にして発泡を促す必要があるため、大きな圧力変動を要し、発泡量も少ないため、処理量の増加が困難である事が問題である。
【０００９】
前記の背景技術において、気体供給手段を用いずに、予め溶解させた気体を液体への圧力変動に伴う減圧で析出させた気泡を音響化学反応に用いる場合には、予め液体に溶解可能な気体の量が有限かつ少量であるため連続的な処理は難しく、処理量の増加が困難である事が問題である。
【００１０】
前記の背景技術において、気体供給手段を用いて気泡を発生させ、圧力振動場に導入し、音響化学反応を促進する場合には、気泡が圧力振動の強い領域に移送される前に、圧力の定在波による気泡のトラップや合体を誘発する、いわゆる超音波脱気作用によって、十分な気泡が圧力振動の強い領域に供給されないことが問題である。
【００１１】
本発明は、反応物質を含有する液体中での気泡の発生と圧力振動の発生を同一の振動体を用いて行なうことによって、圧力振動の強い振動面近傍での気泡の発生と連続的な音響化学反応を可能とすることを特徴とする、新規の音響化学反応装置の提供を課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明では、少なくとも一部が反応物質を含む液体中に配置された周波数１０ｋＨｚ以上、振幅１０μｍ以上の振動が可能な振動体と、前記振動体に気体を供給する気体供給手段と、前記気体供給手段から前記振動体の内部を通り前記液体中に気体を供給する流路を有することで、音響化学反応を好適に行なうことを可能とする。
【００１３】
また、本発明の他の側面として、前記反応物質を含有する液体中に界面活性剤を溶解させることを特徴とする。これによれば音響化学反応を好適に行なうことができる。
【００１４】
また、本発明の他の側面として、前記振動体の気体放出口から放出される気体の流量が０ｍＬ／ｍｉｎを超えて１０００ｍＬ／ｍｉｎ以下であることを特徴とする。これによれば音響化学反応を好適に行なうことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の音響化学反応装置では以下の好適な効果を得ることができる。
（１）気泡を供給することで、音響化学反応場の増加と連続的な音響化学反応が可能となる。
（２）気泡発生部と圧力振動発生部が一体となるため、強力な圧力変動を損失少なく気泡に伝え、気泡の体積変動のエネルギーとすることが可能となり、音響化学反応の効率が向上する。
（３）界面活性剤の添加や流量を好適な値に調整することで、音響化学反応に寄与しない大気泡の発生の抑制や過剰な気泡供給による音圧の減衰を防ぎ、音響化学反応の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の最適な構成を示した図である。
【図２】実施例１から実施例９で用いた振動体の形状を示す図である。
【図３】実施例１の条件で気体放出口近傍から発生する気泡の状態を示す図である。
【図４】振動体に供給するアルゴンガスの流量とインジゴカルミンの分解量の関係を示す図である。
【図５】実施例７の条件で気体放出口近傍から発生する気泡の状態を示す図である。
【図６】実施例３、実施例７、実施例８における反応時間とインジゴカルミン分解量の経時変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明における音響化学反応装置は、内部に気体の流路を設けた振動体と、振動体の内部流路に気体を供給する気体供給手段と、振動体の気体放出口が配置される反応物質を含有する液体によって構成される。以下、本発明を実施するための最良の形態について図面１を参照して説明する。
【００１８】
本発明を実施するための最良の形態では、気体導入口１と気体放出口２を接続する流路３を内部に設けた振動体４の気体放出口２が、槽５に保持された反応物質を含有する液体６中に配置される。気体供給手段７からの気体は振動体４の内部の流路３を経由して気体放出口２に供給され、振動面８を振動させることによって、気体放出口２の近傍から反応物質を含有する液体６中に気泡９が発生する。更に前記気泡９が振動体４の振動面８から発生する圧力振動によって急激に膨張・収縮することで、気泡９の内部は瞬間的に断熱圧縮に近い状態となり、気泡９の内部および界面近傍に高温・高圧の反応場が形成される。前記高温高圧場を利用して音響化学反応が起き、反応物質を含有する液体６が含有する単一の反応物質あるいは複数の反応物質が新たな物質に変化する。
【００１９】
気泡の発生および圧力振動の発生を一体で行なう振動体４の形状は、気体供給手段６からの気体を内部に導入する少なくとも一つの気体導入口１と、振動体４の内部に気体導入口１と気体放出口２を接続する流路３を有し、圧力変動を生じさせる振動面８に少なくとも一つ気体放出口２が設けられていれば特に制限はない。気体放出口２の形状および大きさについても特に制限は無いが、形状の好適な例としては、円形、矩形、歯車形状などが例示され、大きさとしては、気体放出口２の一つ当たりの開口面積が1ｍｍ２から１０００ｍｍ２の範囲にあることが好ましい。振動体４の配置については、振動面８および少なくとも一つ気体放出口２が液体５中に配置されていれば、特に制限されない。振動面８で発生する振動については、周波数１０ｋＨｚ以上で振動面が１０μｍ以上の片振幅で振動することが出来れば特に制限はない。この振動体４は、電圧印加によって変位が発生する圧電素子を積層させた超音波振動子や超音波振動子に接続され振幅を増幅させた超音波ホーンなど公知の振動体に流路を設けることで容易に実現可能であり、特に好ましい例として、１００μｍ以下の気泡の発生と液体中への超音波印加が同時に行うことができる微小気泡発生法（特許文献５）に示される中空段付き円筒構造の超音波ホーンなどが挙げられる。
【００２０】
前記気体供給手段７は前記気体導入口１に気体を供給できることができれば特に制限はなく、コンプレッサ、ダイアフラムポンプ、サクションポンプ、ギアポンプ、高圧ボンベ等が例示される。また流量については継続的に気体を振動面に供給する、すなわち、各気体放出口あたり０ｍＬ／ｍｉｎを超えていれば制限されるものではないが、気泡の発生が多すぎると個々の気泡の圧力振動が弱まる場合もあるため、各気体放出口あたり１０００ｍＬ／ｍｉｎが好ましく、特に好ましくは各気体放出口あたり２００ｍＬ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
【００２１】
前記気体放出口２に供給される気体についても限定的ではなく、空気、窒素、酸素、二酸化炭素、オゾン等が例示されるが、好ましくは圧力変動に伴う気泡の収縮時に内部が高温高圧となりやすい比熱比の高いアルゴン、ヘリウム、キセノンなどが例示される。
【００２２】
反応物質を含有する液体６を保持する槽５については、ビーカー、フラスコ、水槽など公知の容器から適宜選択でき、河川、湖沼、海でもよいが、圧力振動の減衰などを考慮すると、反応部の容量が１０L以下であることが好ましい。また、必須ではないが、音響化学反応環境の制御および安定化のため、反応物質を含有する液体６の温度を調整するホットプレート、クールスターラ、熱交換器、オイルバスなどに例示される温度調整手段を槽５に具備することが望ましい。
【００２３】
反応物質を含有する液体６については、音響化学反応によって変化する反応物質を含有することができる液体であれば特に制限はなく、水、油、有機溶媒、アルコール等が例示される。反応物質の含有形態については、溶解した溶液の状態もしくは気泡・粒子・液滴のいずれかの状態で分散した混相状態のどちらでもよい。反応物質を含有する液体６として特に好ましい例としては、液体の表面張力を下げ、気泡の生成促進と合体抑制させた公知の界面活性剤を溶解させた水溶液が挙げられ、界面活性剤としては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、脂肪酸ナトリウム、アルキルグリコシド、コール酸ナトリウム、アルキルベンゼンスルホン酸ナトリウム、ラウリル硫酸ナトリウム、Ｔｒｉｔｏｎ−Ｘ、Ｔｗｅｅｎ、低級アルコール、高級アルコールなどが例示される。
【００２４】
液体６に含まれる反応物質については、本発明によって発生する気泡の内部および界面近傍の高温高圧場によって、酸化、還元、重合、分解、合成、殺菌、洗浄、加熱、燃焼、分離、固体表面改質のいずれかの状態変化または構造変化が起きる物質であれば特に制限されず、インジゴカルミン、リグニン、ベンゼン、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼン、ベンズアルデヒド、ベンジルブロミド、安息香酸、アクリロニトリル、フェノール、ベンジルクロリド、クロロフェノール、トリクロロエチレン、モノクロロアセトアルデヒド、ジクロロアセトアルデヒド、抱水クロラール、フロン、テトラクロロエチレン、ポリ塩化ビフェニル、ペルフルオロオクタンスルホン酸，ペルフルオロオクタン酸、ダイオキシン類、アルキルフェノール、アニリン、マレイン酸ジメチル、ジブロモジフェニルエタン、アセトフェノン、ｎ−ブチルアミン、１,２−ジオール、ピレン、ヨウ化メチル、カルコゲン、チオフェン、硫酸アンモニウムアルミニウム、シリコンアルコキシド、塩化鉄、亜鉛、カルシウム、白金、銅、銀、金、パラジウム、ニッケル、ランタン、ルテニウム、ジルコニウム、酸化チタン、アルコール、パラフィン、シリカ、しゅう酸、蛋白質、微生物、タール、放射性同位元素などが例示される。
【００２５】
以下、本発明をインジゴカルミンの分解反応に適用した実施例１から実施例９に基づき更に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。実施例１から実施例９に示すインジゴカルミン分解量は、インジゴカルミンの発色団である炭素二重結合が音響化学反応により開裂し、６１０ｎｍの波長の透過率が変化することを利用して、分光光度計を用いて算出している。
【実施例１】
【００２６】
実施例１として、振動体として中空構造の超音波段付きホーン、気体としてアルゴン、反応物質を含有する液体として水を用い、インジゴカルミンを分解した例を示す。１５０ｍＬガラスビーカーに２．０ｍｇのインジゴカルミンを溶解させた１００ｍＬの水溶液を入れ、気体放出口が液体中の水深１２ｍｍに配置された超音波段付きホーンに、アルゴンボンベよりアルゴンガスを中空構造の超音波段付きホーンに供給する。中空構造の超音波段付きホーンは、図２に示されるように径の異なる円筒を組み合わせた外形で、直径の大きい円筒部側面に気体導入口、直径の小さい端面に気体放出口、ホーン内部に気体導入口と気体放出口を連結する流路を具備する形状のものを用いた。本実施例では、超音波段付きホーンの直径の大きい端面に接続された超音波振動子からの振動を段付き部で増幅し直径の小さい端面、すなわち振動面において１９．５ｋＨｚ、片振幅２０μｍで振動させ、直径３ｍｍの円形形状の気体放出口から、アルゴンを１０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給し、気泡の発生と気泡への圧力振動印加を行なった。本実施例では、超音波に印加と共に、図３に示すような微細な気泡が発生し、３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが１．００ｍｇ分解された。
【実施例２】
【００２７】
実施例２として、実施例１のアルゴンの流量を３０ｍＬ／ｍｉｎに変えた例を示す。流量以外の使用機器および処理条件は実施例１と同じとした。本実施例２においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．９５ｍｇ分解された。
【実施例３】
【００２８】
実施例３として、実施例１のアルゴンの流量を５０ｍＬ／ｍｉｎに変えた例を示す。流量以外の使用機器および処理条件は実施例１と同じとした。本実施例３においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．９５ｍｇ分解された。
【実施例４】
【００２９】
実施例４として、実施例１のアルゴンの流量を１００ｍＬ／ｍｉｎに変えた例を示す。流量以外の使用機器および処理条件は実施例１と同じとした。本実施例４においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．５２ｍｇ分解された。
【実施例５】
【００３０】
実施例５として、実施例１のアルゴンの流量を２００ｍＬ／ｍｉｎに変えた例を示す。
流量以外の使用機器および処理条件は実施例１と同じとした。本実施例５においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．５４ｍｇ分解された。
【実施例６】
【００３１】
実施例６として、実施例１のアルゴンの供給を止めた例を示す。気体供給を除く処理条件は実施例１と同じとした。本実施例６においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．２６ｍｇ分解された。
【００３２】
実施例１から実施例６でのインジゴカルミン分解量とアルゴンガス流量の関係を図４に示す。まず、気体の供給行なわない実施例６の０ｍＬ／ｍｉｎに比較して、実施例１から実施例５全てにおいて２倍以上の分解が可能となっており、継続的に気体を供給することの有効性が示されている。また、実施例１から実施例３の流量５０ｍＬ／ｍｉｎ以下の条件おいては、実施例４および実施例５に示す流量１００ｍＬ／ｍｉｎ以上の条件に比べて約２倍の分解が可能となっており、継続的に気体を供給することの有効性および気体流量を抑制することによる音響化学反応の促進効果が示されている。
【実施例７】
【００３３】
実施例７として、実施例３におけるインジゴカルミン水溶液に界面活性剤として１−ペンタノールを０．２ｇ添加した例を示す。使用機器および処理条件は実施例３と同じとした。本実施例７においては図５に示すように、細かい気泡が図３より更に多く生成し、３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが１．８３ｍｇ分解された。
【実施例８】
【００３４】
実施例８として、実施例３におけるアルゴンガスに変えて酸素を供給した例を示す。使用機器および処理条件は実施例３と同じとした。本実施例７においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが０．７９ｍｇ分解された。
【００３５】
実施例３、実施例３に界面活性剤を添加した実施例７、実施例３のガスをアルゴンから酸素に変えた実施例８での時間とインジゴカルミン分解量の関係を図６に示す。図６では、界面活性剤の添加により劇的にインジゴカルミンの分解が促進されることが示されている。また、比熱比の低い酸素を用いることで分解量の低下が見られており、比熱比の高い気体を用いることの有効性が示されている。
【実施例９】
【００３６】
実施例９として、実施例１における気体放出口の形状を直径３ｍｍの円形から直径５ｍｍの円形に拡大した例を示す。使用機器および処理条件は実施例１と同じとした。本実施例９においては３０分の処理時間でビーカー中のインジゴカルミンが１．０７ｍｇ分解された。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明で得られる音響化学反応は、これまで回分処理（バッチ処理）がほとんどであった音響化学反応を気体の供給によって連続的に処理可能としただけでなく、圧力変動の強い領域に音響化学反応に好適な量の気体を供給することによって、反応効率の向上が見込まれ、セラミックナノ粒子、磁性ナノ粒子、白金ナノ粒子などの新規材料の合成、バイオエタノールの精製、ポリマーの合成、ＰＣＢやダイオキシンなどの難分解性物質の分解、有害微生物の殺菌、土壌の浄化などに有効であると期待される。
【符号の説明】
【００３８】
１    気体導入口
２    気体放出口
３    流路
４    振動体
５    槽
６    反応物質を含有する液体
７    気体供給手段
８    振動面
９    気泡
【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】
2013180265.tif 000007
【図６】
2013180265.tif 000008