JP2005288334A - 分散乳化方法及び分散乳化装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高温高圧赤外分光システムに簡単に脱着可能で、３．０ｍｌ／ｍｉｎ以上の流量を送液可能とする、高温高圧フローセル及び反応物を溶媒に溶解又は分散して送液可能な高温高圧反応システムを提供する。
【解決手段】 ティー又はクロスにネジ切りをし、片側をネジ止めしたセル本体を、高温高圧赤外分光システムに、高温高圧赤外分光フローセルの代わりに脱着し、また、反応物送液系と水送液系の合流点にミキシングセルを設け、常温において、水平に配置した溶媒送液系に対して反応物を垂直下方から送液することで、浮力と強制対流よる壁面からの反応物の剥離を行い、溶媒中に液体を混合溶解又は分散乳化させる方法、及びその状態で反応装置ないし処理装置へ送液する方法。
【選択図】なし
【解決手段】 ティー又はクロスにネジ切りをし、片側をネジ止めしたセル本体を、高温高圧赤外分光システムに、高温高圧赤外分光フローセルの代わりに脱着し、また、反応物送液系と水送液系の合流点にミキシングセルを設け、常温において、水平に配置した溶媒送液系に対して反応物を垂直下方から送液することで、浮力と強制対流よる壁面からの反応物の剥離を行い、溶媒中に液体を混合溶解又は分散乳化させる方法、及びその状態で反応装置ないし処理装置へ送液する方法。
【選択図】なし
Description
本発明は、分散乳化方法及び分散乳化装置に関するものであり、更に詳しくは、流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する方法及びその溶解又は分散乳化装置に関するものであり、更に、その溶解又は分散乳化した溶液を反応装置あるいは処理装置へ送液し、利用する方法に関するものである。一般に、溶媒に、液体成分を溶解又は分散乳化する物質の溶媒への溶解、分散乳化方法及びその装置の技術分野において、従来法では、例えば、水系成分の溶媒に、油系成分を溶解、分散乳化するには、分散乳化剤等を使用する必要があったが、本発明は、そのような分散乳化剤等を使用することなく、簡便な方法及び手段で、溶媒に、通常、その溶媒に溶解しにくい液体を完全に溶解又は分散乳化することを可能とする新規溶解又は分散乳化方法及びその装置を提供するものであり、上記溶解、分散乳化工程を含む従来型の工業的プロセスに代わり得る次世代技術を提供するものとして有用である。
一般に、乳化水溶液を得るには、乳化対象物質にもよるが、通常、強制撹拌、超音波等の機能を有する高価格で、大型の装置が用いられることが多い。他方、精巧な技術により製作された精密な乳化装置が存在するが、精密技術による技術対価により、製品が高額であり、安価な汎用品として簡単に利用しにくい場合が多い。例えば、先行技術文献には、マイクロチャンネル乳化分散法が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、この方法は、マイクロオーダーに微細加工した基板を用いるものであり、精密機械加工による分散乳化法の極限であると言えるが、マイクロオーダーによる長さ次元の低下により粘度が増加し、拡散が低下するため、閉塞等の問題が生じる。これらの状況から、簡易な手段で迅速に分散乳化を行って、反応あるいは処理を実施することが望まれている。
従来より、水と油は混ざり合わないという原理が確立されていた。ところが、１９９６年に、ＩｖａｎｏｖらによってＯ／Ｗ分散系での油滴への水酸基イオンの自発吸着によって水中での油滴の安定性が指摘された（非特許文献１参照）。
更に、最近、Pashley によって、水の脱気を行うことで、水に油成分の分散が促進されるという、従来の常識とは異なる新知見が得られている。また、この水溶液に再度気体をバブリングしても分散乳化状態は安定であり、バルク状態の油層と水層に分離しないことが、実験的に指摘された（非特許文献２参照）。
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、溶媒に、通常、その溶媒に溶解しにくい液体を、簡易な手段で迅速に溶解又は分散乳化を行うことが可能な新しい方法及び手段を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることにより、所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、脱気した溶媒の流れに、通常、その溶媒に溶解しにくい液体を衝突させることによって、液体を溶媒に溶解又は分散乳化する簡易な溶解又は分散乳化方法及び溶解又は分散乳化装置、及び溶解又は分散乳化した溶液を反応や処理に利用する方法を提供することを目的とするものである。
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する方法であって、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒に対して上記液体を衝突させることを特徴とする液体の溶解又は分散乳化方法。
（２）溶媒が、亜臨界ないし超臨界の高温高圧流体である、前記（１）に記載の方法。
（３）溶媒が、水系成分であり、液体が油系成分である、前記（１）に記載の方法。
（４）流量の大きい脱気した溶媒を水平方向に流し、小流量の液体を垂直方向に流して衝突させる、前記（１）に記載の方法。
（５）流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する装置であって 、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒及び液体を送液する手段、上記溶媒の流路に、上記液体の流路を合流させる連結部を有することを特徴とする液体の溶解又は分散乳化装置。（６）上記溶解又は分散乳化装置が、反応装置あるいは処理装置の前に設置されたものである、前記（５）に記載の装置。
（１）流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する方法であって、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒に対して上記液体を衝突させることを特徴とする液体の溶解又は分散乳化方法。
（２）溶媒が、亜臨界ないし超臨界の高温高圧流体である、前記（１）に記載の方法。
（３）溶媒が、水系成分であり、液体が油系成分である、前記（１）に記載の方法。
（４）流量の大きい脱気した溶媒を水平方向に流し、小流量の液体を垂直方向に流して衝突させる、前記（１）に記載の方法。
（５）流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する装置であって 、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒及び液体を送液する手段、上記溶媒の流路に、上記液体の流路を合流させる連結部を有することを特徴とする液体の溶解又は分散乳化装置。（６）上記溶解又は分散乳化装置が、反応装置あるいは処理装置の前に設置されたものである、前記（５）に記載の装置。
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を簡易に溶解又は分散乳化する方法及び溶解又は分散乳化装置、及び得られた溶解又は分散乳化した溶液を反応装置あるいは処理装置へ送液し、利用する方法を提供するものである。
本発明は、流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を簡易に溶解又は分散乳化する方法及び溶解又は分散乳化装置、及び得られた溶解又は分散乳化した溶液を反応装置あるいは処理装置へ送液し、利用する方法を提供するものである。
本発明では、脱気した溶媒の流れの流量を、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の流量より大きくすることで、混合の効果及び噴霧の効果も期待される。ここで言う噴霧とは、例えば、垂直に連結された配管で、大流量の気体を水平方向に流し、垂直下方からに液体を小流量流すか、又は、大流量の流体の負圧により、垂直下方に配置した液体溜めから液体が引き込まれるかのいずれかにより、流体中に液体が小液滴となって飛散することを意味するものであり、いわゆる霧吹きと類似の原理であるが、水平方向に流す大流量の流体が気体でなく液体状態の溶媒である点が異なる。
このことから、本発明では、好適には、例えば、垂直に連結された配管が必要であり、それを実現するために、市販品の継手であるティーやクロスを用いることが可能であり、これらで溶解又は分散乳化装置を構成することが可能である。これらの手段は、同様の機能を示すものであれば、それらの形状に制限されるものではない。なお、本発明では、セル材質として、好適には、例えば、ＳＵＳ３１６が用いられるが、材質に制限されるものではない。材料の強度と耐圧性に関しては、用いる条件によって、任意に設けることができる。
本発明の方法では、溶媒として水が溶解又は分散乳化装置中を流れるが、水以外の溶媒、例えば、メタノール、エタノールのような有機溶媒、アンモニアのような無機溶媒を任意の割合で含ませた溶液も用いることが可能であり、溶媒の種類は特に限定されるものでない。また、その溶媒に、通常、溶解しない、送込する液体についても同様である。だだし、溶媒については、脱気することが必要である。脱気方法としては、例えば、テフロン（登録商標）チューブを開放孔をもつキャップを通し、純水が満たされた容器の底部に固定し、窒素を４時間以上バブリングすることにより行う方法が例示されるが、これに制限されるものではない。また、本発明の方法は、特に上記溶媒が水系成分であり、上記液体が油系成分である場合に、好適に適用されるものである。
次に、図面に基づいて、本発明を具体的に説明する。
図１は、本発明の溶解又は分散乳化装置の一例である分散乳化器の模式図を示している。１はティーであり、これに２のワンリングフェラルを用いて３のチューブが接続される。内部流路がＴ字型のティーを用いて、水平方向に大きい流量の脱気した溶媒を流し（図１のｓｏｌｖｅｎｔ）、垂直下方から小流量の液体（図１のｌｉｑｕｉｄ）を衝突させる。好適には、液体の流量Ｆ２〔ｍｌ／ｍｉｎ〕に対して、溶媒の流量Ｆ１〔ｍｌ／ｍｉｎ〕が、以下の（式１）の関係を満足するようにする。
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
図１は、本発明の溶解又は分散乳化装置の一例である分散乳化器の模式図を示している。１はティーであり、これに２のワンリングフェラルを用いて３のチューブが接続される。内部流路がＴ字型のティーを用いて、水平方向に大きい流量の脱気した溶媒を流し（図１のｓｏｌｖｅｎｔ）、垂直下方から小流量の液体（図１のｌｉｑｕｉｄ）を衝突させる。好適には、液体の流量Ｆ２〔ｍｌ／ｍｉｎ〕に対して、溶媒の流量Ｆ１〔ｍｌ／ｍｉｎ〕が、以下の（式１）の関係を満足するようにする。
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
この分散乳化の有効性を検証するために、水への飽和溶解度以上の重合しやすい液体基質ミルセンを、高温高圧流体（亜臨界・超臨界）の反応に適用し、閉塞の有無及び反応結果から確認を行った。すなわち、分散乳化が不十分な場合には、バルクな不均一な領域が形成され、熱重合によりポリマーが生成して閉塞する一方、分散乳化が十分である場合には、反応が進行し、生成物が確認可能であるテルペン炭化水素化合物を確認に用いたが、これらに限らず、これらと同効の方法であれば同様に確認に用いることができる。
図２は、用いた高温高圧（亜臨界・超臨界）反応装置の一例であり、斜線部分に、図３の反応器本体を設置する。図３の１０が分散乳化器である。まず、水送液ポンプ５から水が送液され、反応物が反応物送液ポンプ６から送液され、分散乳化器１０で分散乳化される。その分散乳化水溶液は、冷却フランジ８を通過後、炉体１３へ送液される。水加熱用コイル９を通過後、高温高圧状態で温度センサー１１が挿入された温度センサーシース１２に固定された高温高圧赤外フローセルに導入され、この位置で赤外分光測定が可能である。また、洗浄水がポンプ７により送液され、溶媒導入コイル１６を通過後、高温高圧赤外フローセルに導入され、洗浄に用いられる。高温高圧赤外フローセルを通過した溶液は、直線配管１７を通過後、冷却フランジ８を通過して、炉体外を空冷されながら通過する。その後、圧力を設定している背圧弁１８からの排出液を採取し、サンプルとする。
本発明では、例えば、ティー又はクロスにネジ切りをし、片側をネジ止めしたセル本体を、高温高圧赤外分光システムに、高温高圧赤外分光フローセルの代わりに脱着し、また、反応物送液系と水送液系の合流点にミキシングセルを設け、常温において、水平に配置した溶媒送液系に対して反応物を垂直下方から送液することで、浮力と強制対流よる壁面からの反応物の剥離を行い、溶媒中に液体を混合溶解又は分散乳化させる方法、及びその状態で反応装置ないし処理装置へ送液する方法が例示される。上記装置を利用して、本発明の分散乳化方法を実施したところ、分散乳化器の閉塞は無く、分散乳化が良好に達成されることが確認された。本発明の装置は、上記装置に制限されるものではなく、それと同等又は類似の機能を有するものであれば同様に使用することができる。
本発明により、１）溶媒に、通常、その溶媒に溶解しにくい液体を、簡便な方法で、溶解又は分散乳化することができる、２）簡易で、低コストな分散乳化方法及びその装置を提供できる、３）本発明の方法は、溶媒に液体を溶解又は分散乳化させ、反応装置あるいは処理装置へ送液し、利用する方法として有用である、という格別の効果が奏される。
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
流通系高温高圧赤外分光その場測定装置、ティー、クロス、オネジ等は、市販品を用い、最低４時間脱気した純水を用いて、性能を検討した。また、それぞれの条件でレイノルズ数（Ｒｅ）を計算し、臨界レイノルズ数を２１００として、層流か乱流かの流動状態を決定した。
実施例１〜７
層流（Ｒｅ＜２１００）での分散乳化と亜臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は、飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について分散乳化器の閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
層流（Ｒｅ＜２１００）での分散乳化と亜臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は、飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について分散乳化器の閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
実施例８〜９
乱流（Ｒｅ＞２１００）での分散乳化と亜臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
乱流（Ｒｅ＞２１００）での分散乳化と亜臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
実施例１０〜１３
乱流（Ｒｅ＞２１００）での分散乳化と超臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
乱流（Ｒｅ＞２１００）での分散乳化と超臨界水中での反応
本発明の分散乳化器を図３の１０の位置に設置し、反応物送液ポンプ５から基質をＦ２ｍｌ／ｍｉｎで、水送液ポンプから水をＦ１ｍｌ／ｍｉｎで式１を満たすように送液し、分散乳化して反応を実施した。その場合、反応物の水に対する溶解度は飽和濃度の２倍で行ったところ、表１に示す結果が得られた。すべての例について閉塞は観察されず、反応が進行し、物質収支も合っていた。このことから、分散乳化は良好であることを示している。
以上詳述したように、本発明は、溶解又は分散乳化方法及びその溶解又は分散乳化装置に係るものであり、本発明により、脱気した溶媒と簡単な分散乳化器により、溶媒に、通常、溶解しにくい液体を溶解又は分散乳化することができ、分散乳化器の閉塞が観測されず、反応が進行し、物質収支が釣り合う結果が得られる。このことから、通常、溶媒に溶解しにくい液体（反応物あるいは処理物）が脱気溶媒と分散乳化器により、反応に有効な程度にまで分散乳化した水溶液を調製できる。更に、例えば、この分散乳化水溶液を、そのまま連続的に高温高圧流体（亜臨界・超臨界流体）装置に導入できる。このことから、本発明の溶解又は分散乳化法及び分散乳化器は、液体（反応物処理物）が溶媒に溶解しにくい場合の反応プロセスや処理プロセスに対して好適に使用することができる。
１ ＳＵＳ製ティー
２ ワンリングフェラル付オネジ
３ ＳＵＳ３１６チューブ
５ 反応物送液ポンプ
６ 水送液ポンプ
７ 洗浄水送液ポンプ
８ 冷却フランジ（冷却水が循環する）
９ 炉体
１０ 反応物水溶液加熱コイル
１１ 高温高圧フローセル（通常昇温ではティー型、急速昇温ではクロス型）
１２ ＺｎＳｅ窓
１３ 排出コイル
１４ 洗浄水加熱コイル
１５ 反応物導入管（急速昇温法）
１６ 背圧弁
１７ 温度センサーシース
１８ 背圧弁
２１ 水溶液
２２ 洗浄水
２３ 水溶液ポンプ
２４ 洗浄用純水送液ポンプ
２５ 炉体加熱システム
２６ 炉体
２７ 高温高圧赤外フローセル
２８ 冷却水（入口）
２９ 冷却水（出口）
３０ 背圧弁
３１ 排出水溶液受器
３２ 可動鏡
３３ 可動鏡
３４ 干渉計
３５ 光源
３６ 赤外レーザー
３７ ＭＣＴ受光器
３８ ＴＧＳ受光器
３９ 解析モニター
２ ワンリングフェラル付オネジ
３ ＳＵＳ３１６チューブ
５ 反応物送液ポンプ
６ 水送液ポンプ
７ 洗浄水送液ポンプ
８ 冷却フランジ（冷却水が循環する）
９ 炉体
１０ 反応物水溶液加熱コイル
１１ 高温高圧フローセル（通常昇温ではティー型、急速昇温ではクロス型）
１２ ＺｎＳｅ窓
１３ 排出コイル
１４ 洗浄水加熱コイル
１５ 反応物導入管（急速昇温法）
１６ 背圧弁
１７ 温度センサーシース
１８ 背圧弁
２１ 水溶液
２２ 洗浄水
２３ 水溶液ポンプ
２４ 洗浄用純水送液ポンプ
２５ 炉体加熱システム
２６ 炉体
２７ 高温高圧赤外フローセル
２８ 冷却水（入口）
２９ 冷却水（出口）
３０ 背圧弁
３１ 排出水溶液受器
３２ 可動鏡
３３ 可動鏡
３４ 干渉計
３５ 光源
３６ 赤外レーザー
３７ ＭＣＴ受光器
３８ ＴＧＳ受光器
３９ 解析モニター
Claims (6)
- 流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する方法であって、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒に対して上記液体を衝突させることを特徴とする液体の溶解又は分散乳化方法。 - 溶媒が、亜臨界ないし超臨界の高温高圧流体である、請求項１に記載の方法。
- 溶媒が、水系成分であり、液体が油系成分である、請求項１に記載の方法。
- 流量の大きい脱気した溶媒を水平方向に流し、小流量の液体を垂直方向に流して衝突させる、請求項１に記載の方法。
- 流量の大きい脱気した溶媒の流れに対して、通常、その溶媒に溶解しにくい液体の小流量の流れを衝突させることによって、溶媒に液体を溶解又は分散乳化する装置であって 、以下の式１；
Ｆ１≧２５×Ｆ２ （式１）
（但し、式中、Ｆ１は、溶媒の流量ｍｌ／ｍｉｎ、Ｆ２は液体の流量ｍｌ／ｍｉｎを示す。）の関係を満たすように、上記溶媒及び液体を送液する手段、上記溶媒の流路に、上記液体の流路を合流させる連結部を有することを特徴とする液体の溶解又は分散乳化装置。 - 上記溶解又は分散乳化装置が、反応装置あるいは処理装置の前に設置されたものである、請求項５に記載の装置。
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| JP2004107620A JP4418927B2 (ja) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | 分散乳化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2004107620A JP4418927B2 (ja) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | 分散乳化方法 |
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-
2004
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