JP2004216200A

JP2004216200A - 化学反応制御方法と装置

Info

Publication number: JP2004216200A
Application number: JP2002347690A
Authority: JP
Inventors: Sakutaro Yamaguchi; 作太郎山口
Original assignee: YYL KK
Current assignee: YYL KK
Priority date: 2002-11-22
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】分解対象物質の分解率を向上し、化学反応の反応制御性を高める方法と装置の提供。
【解決手段】粉末状の触媒物質１０１を含み、一側に化学反応前物質の導入口１０７を備え、前記粉末状の触媒物質１０１を介在して、前記導入口１０７とは反対側に、化学反応後物質の排出口１０６を備えた容器１００と、容器１００内における化学反応物質の転送経路に対して、所定の方向に、粉末状の触媒物質に電磁波１０４を照射する手段を備えている。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学物質反応制御方法と装置に関し、特に、化学物質分解方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイオキシン、ダイオキシン含有物、ベンゼン系列、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）等の化学物質の分解除去の方法として、従来より、マイクロ波を照射する方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２５４９２９号公報（第１頁、第１図等）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、分解対象物質の分解率（効率）を高める手法を鋭意研究し、以下の発明を完成されるにいたった。すなわち、本発明の目的は、分解対象物質の分解率を向上する方法と装置を提供することにある。本発明の他の目的は、化学反応の反応制御性を高める方法と装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の１つのアスペクトに係る方法によれば、粉末状の触媒物質を収容する容器の一側の導入口から化学反応前物質を前記容器内に導入するステップと、前記容器内の少なくとも前記粉末状の触媒物質に対して電磁波を照射するステップと、前記容器内に導入された化学反応前物質は、前記容器内の前記粉末状の触媒物質を経由し、前記容器の他側の排出口から化学反応後物質として取り出されるステップと、を含むことを特徴とする。電磁波は、マイクロ波よりなる。あるいは磁場を印加してもよい。
【０００６】
本発明の１つのアスペクトに係る装置によれば、一側に導入口を備え他側に排出口を備えた容器内に、粉末状の触媒物質を収容し、前記容器内の、少なくとも前記粉末状の触媒物質の設けられた反応領域に対して、電磁波を照射する手段を備え、前記導入口から前記容器内に導入された化学反応前物質は、前記容器内の前記粉末状の触媒物質の配設された領域を経由して、前記容器の他側の排出口から、化学反応後物質として、取り出される、ことを特徴とする。
【０００７】
化学反応では、圧力、温度および触媒が用いられるが、このうち、触媒作用は、その表面で、電子が反応に預かる物質とやりとりがされ、反応が進む。マイクロ波が直接電子と相互作用することによって、エネルギーなどを注入することができれば、化学反応を制御することができるものと本発明者は知見し、本発明を完成させた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する。まず、本発明の原理をなすマイクロ波照射による化学物質の分解について説明する。
【０００９】
図１は、第１の実験の装置構成を説明するための図である。容器１１０内の溶液１１１には被分解対象物１１２が含まれている。そして、容器１１０の底面から垂直に栓１１４を貫通して金属アンテナ１１３が設けられている。
【００１０】
この実験では、金属アンテナ１１３の材料としては、白金、銅、ステンレス、チタン、ニッケル等を用いた。金属アンテナ１１３の寸法は、長さ１２０ｍｍ、径１ｍｍφである。
【００１１】
溶液１１１は水又は過酸化水素水よりなる。溶液１１１は２５ｍｌ、深さ４０ｍｍとした。
【００１２】
被分解対象物１１２は、クロロベンゼン：モノクロロベンゼン、ｏ−、ｍ−、ｐ−クロロベンゼン等が用いられる。実験ではクロロベンゼンは０．１ｍｌとした。
【００１３】
栓１１４は、シリコンゴムを用いた。
【００１４】
運転条件として、２．４５ＧＨｚ、７００Ｗのマイクロ波照射で、温度制御を行い、常温から９０℃の温度変化を、３サイクル繰り返し、溶液中の遊離塩素濃度を測定した。
【００１５】
図２に、図１の構成による実験結果を表形式で示す。被分解対象物１１２の試料（サンプル）、溶液中の遊離塩素濃度、分解率（度）が各試料毎に示されている。実験の結果、以下の点が明らかとなった。
【００１６】
温度は同じでも、電磁波のあるなしで、分解率は変化し、電磁波をあてた方がより高い分解率になった。
【００１７】
アンテナ１１３を用いた方が高い分解率を得た。
【００１８】
アンテナ１１３として銅アンテナが一番高い分解率を得た。
【００１９】
溶液としては、純水より過酸化水素水の方が高い分解率を得た。
【００２０】
したがって、溶液１１１＝過酸化水素水、金属アンテナ１１３＝銅アンテナという条件で、各種化学物質の分解率は、図２に示すとおりである。
【００２１】
化学反応では、圧力、温度および触媒を用いる。このうち、触媒作用は、その表面で、電子が反応に預かる物質とやりとりがされ、反応が進む。
【００２２】
したがって、マイクロ波が直接電子と相互作用することによって、エネルギーなどを注入することができれば、化学反応を制御することができる可能性がある。上記実験は、上記知見に基づくものである。
【００２３】
上記実験結果に示すように、常温から１００℃、圧力は１気圧では分解できない化学物質が、分解された。これは、分解が進むことによって、塩素が溶媒中に遊離される。遊離した塩素を定量分析することによって、分解度を見積もることができる。但し、この実験結果に見られるように、分解度は極めて低く、最大で３％程度であり、分解率（＝反応率）の向上が求められる。
【００２４】
図３は、第２の実験の装置構成を示す図である。
【００２５】
図３に示すように、銅粉末１２１のかたまり（ブロック）の表面をＢＮ（窒化ホウ素）粉末１２２が覆っている。
【００２６】
マイクロ波（２．４５ＧＨｚ、波長は１２ｃｍ）１２３の照射によって、粉末の表面が酸化された銅粉末１２１が焼結され、一体化した銅の板、ブロックとなることが知られるようになった。銅粉末１２１の粒子間距離は１ｍｍ以下であり、粉末を固めたサイズとしては、１０ｃｍ以上、厚さ３ｃｍ以上あるため、従来、このような粉末間に、電磁波は侵入しないものと考えられていた。
【００２７】
しかしながら、金属の焼結体を作製することができた。これは、粉末を作る微粒子間に電場が集中し、そこで放電が生じて粒子が一体化するためと考えられている。
【００２８】
なお、銅だけではなくて、融点の高い金属材料でも、同様な効果が観測されている。また、銅粉末１２１の表面を覆っている酸素（酸化物として存在している）は、ＢＮ粉末１２２などを用いることによって、焼結した表面に析出する。
【００２９】
【実施例】
そこで、本発明では、分解度（例えば遊離塩素濃度）を高めるため、下記の構造を取る。以下、実施例を説明する。
【００３０】
図１および図３で示した実験結果から、触媒材料で作った粉末に、マイクロ波照射を行うと、粒子間に大きな電場の発生が期待できる。したがって、粒子間に大きな電場に反応をさせたい材料を、例えば下部から上部に向けて流すことで、触媒の粉末によって、化学反応が生じ、望まれる化学物質の分解や合成を行うことができる。特に、反応率の向上が期待できる。その理由は、図１の実験では、電場の高い部分は１点しかないが、粉末を利用することで、それぞれの粒子間における高電場が期待できるため、高電場領域が、容器全体にわたるためである。
【００３１】
図４を参照すると、この実施例では、容器１００内に、粉末状の触媒物質１０１が収容されており、容器１００の下の導入口１０７から、化学反応前物質１０２が供給され、容器１００上部の排出口１０６から化学反応後物質１０３が取り出され、図の横方向に、マイクロ波１０４が照射されている。粉末状の触媒物質１０１が収容する容器１００は、マイクロ波１０４を透過する耐熱性の材料からなる。マイクロ波（電磁波）を照射する部分で、化学反応が生じる。このため、当該部分の圧力・温度を制御するための機器を備え、公知の圧力センサと温度センサ、測定系、圧力制御装置、温度制御装置（いずれも不図示）による、フィードバック制御を行う構成とされている。実施例では、例えば、ＰＣＢの分解や、軽油中のベンゼンの分解が行われる。
【００３２】
図５は、本発明の別の実施例の構成を示す図である。図５に示すように、この実施例では、化学物質の反応制御性を高めるために、マグネット１０５を設け、直流磁場を印可する。これは、電子とマイクロ波が直接相互作用するからであり、通常、ＥＳＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）と呼ばれる。その原理は、磁場の印加によって原子や分子のエネルギー準位がゼーマン効果で分かれ、これにマイクロ波が相互作用するためである。通常のＥＳＲであるが、マイクロ波の磁場は高くなり、且つ、時変（時間とともに変化）するため、上記以外の効果も期待される。マグネット１０５（ソレノイド）に流れる電流値を制御することによって、電子スピン共鳴、電子サイクロトロン共鳴する反応容器１００内の位置を変化させても良い。また、触媒物質１０１の組成を、位置に応じて変えてもよい。
【００３３】
また、磁場とマイクロ波の関係が、サイクロトロン共鳴条件を満足するときには、電子がマイクロ波のエネルギーを効果的に吸収するので、化学反応に預かる電子が大きなエネルギーを持つと考えられる。したがって、化学反応の制御をより精密に行うことができる。
【００３４】
図４、図５において、容器の導入口１０７部分の配管と、排出口１０６部分の配管に、バルブ（図示されない）を設け、バッチ処理を行う。
【００３５】
上記のように、本発明によれば、化学反応前物質から、少なくとも触媒を用いて化学反応後物質を生成するにあたり、反応領域に設けられた粉末状の触媒物質１０１に対して電磁波（マイクロ波）を照射するか、又は、マイクロ波と磁場をあてる。容器１００内の化学反応物質は、粉末状の触媒物質１０１の間を流れる。
【００３６】
図３の実験で説明したように、銅粉末１２１（粉末の粒子間距離は１ｍｍ以下）は、マイクロ波１０４（２．４５ＧＨｚ、波長１２ｃｍ）の照射によって、シールドされず、銅粉末１２１を透過し、粉末間でのアーク放電等（と思料される）により融解し、酸化物等の不純物が表面に析出し、純金属が得られる、ことが確認されている。
【００３７】
よって、本実施例では、粉末状の触媒物質１０１が、マイクロ波の照射により溶解する前に、マイクロ波１０４の照射を停止するように制御が行われ、触媒物質１０１は粉末状に保たれる。なお、粉末状の触媒物質１０１としては、例えばＣｕ、Ｎｉが用いられるほか、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｏ等の金属であってもよい。特に、銅が好ましい。また、ＴｉＯ_２等のオキサイドであってもよい。また、分子間に大きな電場（強電場）を発生しやすくするために、誘電体材料（所定の誘電率）であってもよい。
【００３８】
図４、図５において、容器１００、図示されないマイクロ波発振器は、マイクロ波シールド部材で覆う構成としてもよいことは勿論である。また、マイクロ波発振器によって粉末状触媒物質１０１にマイクロ波１０４を照射するために、容器１００内に、アンテナ（図１参照）等を備えてもよいことは勿論である。アンテナとしては、棒状のアンテナ、あるいは平板アンテナ等で構成してもよい。
【００３９】
図４、図５において、容器１００は、圧力容器よりなる。圧力容器は、マイクロ波１０４を透過し、反応にあずかる温度及び圧力に耐える容器よりなる。
【００４０】
図４等に示した上記実施例において、粉末状触媒物質１０１が互いに接触しているように保つ制御が行われる。例えば、粉末状触媒物質１０１をケース（不図示）に収容し（化学反応物質は、当該ケース、及び該ケース内の粉末状触媒物質１０１を通過する）、ケースの互いに対向する両側を、不図示の駆動装置（ピストン等）で押圧する構成としてもよい。
【００４１】
また、上記実施例では、リアクタを構成する容器１００として、導入口１０７、排出口１０６を備えた構成を例示したが、容器構成としては、かかる構成に限定されるものでないことは勿論である。例えば本発明の別の実施例として、図１に示す構成の容器１１０内に、反応前物質をいれ、触媒を粉末状とし、マイクロ波を照射することで、反応後物質（例えば除去対象物質の分解）を得るようにしてもよい。
【００４２】
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例の構成にのみ限定されるものでなく特許請求の範囲の各請求項の本発明の範囲内で当業者であればなしえるであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、除去対象物質の分解率を向上することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ波照射によるクロロベンゼンの分解の実験の装置構成を示す図である。
【図２】図１の実験の結果の一例を示す図である。
【図３】マイクロ波照射による銅粉末の焼結体の作製実験の装置構成を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００容器
１０１粉末状触媒物質
１０２化学反応前物質
１０３化学反応後物質
１０４マイクロ波
１０５マグネット（ソレノイド）
１０６排出口
１０７導入口
１１０容器
１１１溶液
１１２クロロベンゼン
１１３金属アンテナ
１１４シリコンゴム栓
１２１銅粉末
１２２ＢＮ粉末
１２３マイクロ波

Claims

粉末状の触媒物質を収容する容器の一側の導入口から化学反応前物質を前記容器内に導入するステップと、
前記容器内の少なくとも前記粉末状の触媒物質に対して電磁波を照射するステップと、
前記容器内に導入された化学反応前物質は、前記容器内の前記粉末状の触媒物質を経由し、前記容器の他側の排出口から化学反応後物質として取り出されるステップと、
を含む、ことを特徴とする化学反応制御方法。
前記電磁波とともに、磁場を印加する、ことを特徴とする請求項１記載の化学反応制御方法。
前記排出口から取り出される化学反応後物質は、前記化学反応前物質から、除去対象の所定物質が分解除去されたものである、ことを特徴とする請求項１又は２記載の化学反応制御方法。
前記容器内の反応領域の温度、及び／又は、圧力を可変に制御するステップを含む、ことを特徴とする請求項１又は２記載の化学反応制御方法。
前記電磁波はマイクロ波である、ことを特徴とする請求項１記載の化学反応制御方法。
ソレノイドにより、前記磁場を発生させ、
前記ソレノイドの通電電流を可変させ、電子スピン共鳴位置、及び、電子サイクロトロン共鳴位置を可変させる、ことを特徴とする請求項２記載の化学反応制御方法。
前記導入口側の配管、及び／又は、前記排出口側の配管にバルブを設け、バッチ処理の実行を可能としている、ことを特徴とする請求項１記載の化学反応制御方法。
前記除去対象の所定物質が、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）、及び、ベンゼン系列の化学物質のうちの少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項３記載の化学反応制御方法。
一側に導入口を備え他側に排出口を備えた容器内に、粉末状の触媒物質を収容し、
前記容器内の、少なくとも前記粉末状の触媒物質の設けられた反応領域に対して、電磁波を照射する手段を備え、
前記導入口から前記容器内に導入された化学反応前物質は、前記容器内の前記粉末状の触媒物質の配設された領域を経由して、前記容器の他側の排出口から、化学反応後物質として、取り出される、ことを特徴とする反応制御装置。
前記電磁波に加えて、磁場を印加する手段をさらに備えている、ことを特徴とする請求項９記載の反応制御装置。
前記排出口から取り出される化学反応後物質は、前記化学反応前物質から、除去対象の所定物質が分解除去されたものである、ことを特徴とする請求項９又は１０記載の反応制御装置。
前記容器内の反応領域の温度、及び／又は圧力を可変に制御する手段を含む、ことを特徴とする請求項９記載の反応制御装置。
前記電磁波はマイクロ波である、ことを特徴とする請求項１０記載の反応制御装置。
前記磁場の強さを可変させる手段を備えている、ことを特徴とする請求項１１記載の反応制御装置。
ソレノイドにより、前記磁場を発生させ、
前記ソレノイドの通電電流を可変させ、電子スピン共鳴位置、及び、電子サイクロトロン共鳴位置を可変させる、ことを特徴とする請求項１０、１４のいずれか一に記載の反応制御装置。
前記導入口の配管、及び／又は、前記排出口の配管にバルブを設け、バッチ処理を実行可能とした構成とされてなる、ことを特徴とする請求項１０記載の反応制御装置。
前記除去対象の所定物質が、ポリ塩化ビフェニル（ＰＣＢ）、及び、ベンゼン系列の化学物質の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項１２記載の反応制御装置。
化学反応前物質から少なくとも触媒を用いて化学反応後物質を生成するにあたり、
前記触媒として、粉末状の触媒物質を用意し、
前記粉末状の触媒物質に対して少なくとも電磁波を照射し、前記化学反応後物質を生成する、
ことを特徴とする化学反応制御方法。
前記粉末状の触媒物質が前記電磁波の照射によって溶解する前に、前記電磁波の照射を停止するステップを含み、前記触媒物質が粉末状態に保たれる、ことを特徴とする請求項１又は１８記載の化学反応制御方法。
前記容器が、圧力容器である、ことを特徴とする請求項１記載の化学反応制御方法。
前記圧力容器が、前記電磁波を透過し、反応にあずかる温度及び圧力に耐える容器である、ことを特徴とする請求項２０記載の化学反応制御方法。
前記粉末状の触媒物質を収容するケースを設け、前記粉末状の触媒物質が互いに接触しているようにする、ことを特徴とする請求項１又は１８記載の化学反応制御方法。
前記ケースを、前記ケースの一側と前記一側と対向する他側から押圧する、ことを特徴とする請求項２２記載の化学反応制御方法。
化学反応前物質から化学反応後物質を生成する装置において、
反応領域に設けられた粉末状の触媒物質に対して電磁波をあてる手段を備えている、ことを特徴とする反応制御装置。
化学反応前物質を導入する導入口と化学反応後物質を取り出す排出口とを有する容器と、
前記容器内に設けられた粉末状の触媒物質と、
少なくとも前記粉末状の触媒物質に対して電磁波をあてる手段と、
を備えている、ことを特徴とする反応制御装置。
前記粉末状の触媒物質が前記電磁波の照射によって溶解する前に、前記電磁波の照射を停止する制御を行い、前記触媒物質が前記粉末状に保たれるように制御する手段を備えている、ことを特徴とする請求項９、２４、２５のいずれか一に記載の反応制御装置。
前記電磁波に加えて、磁場を印加する手段をさらに備えている、ことを特徴とする請求項２４又は２５記載の反応制御装置。
前記容器が、圧力容器である、ことを特徴とする請求項９、又は２５記載の反応制御装置。
前記圧力容器が、前記電磁波を透過し、反応にあずかる温度及び圧力に耐える容器からなる、ことを特徴とする請求項２８記載の反応制御装置。
前記粉末状の触媒物質を収容するケースを設け、前記粉末状の触媒物質が互いに接触しているようにする、ことを特徴とする請求項９、２４又は２５記載の反応制御装置。
前記ケースを、前記ケースの一側と前記一側と対向する他側から押圧する手段を備えている、ことを特徴とする請求項３０記載の反応制御装置。
ソレノイドにより前記磁場を発生させ、前記ソレノイドの通電電流を制御し、電子スピン共鳴位置、及び、電子サイクロトロン共鳴位置を可変させる、ことを特徴とする請求項２７記載の反応制御装置。