JP2012040459A - 紫外線化学反応装置 - Google Patents

Abstract

【課題】紫外線ランプあるいは超音波発生装置が不要で装置のコンパクト化が可能な紫外線化学反応装置を提供する。
【解決手段】紫外線化学反応装置１は、炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で発生する紫外線を利用する装置であって、被処理物質１１および炭酸（塩）を含有する水１２を導入する導入口２と、前記被処理物質１１を反応させて得られる生成物１３および水１２を排出する排出口３と、マイクロ波発生装置４と、該マイクロ波発生装置４から発生したマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体５とを備え、導入口２から導入した被処理物質１１および炭酸（塩）を含有する水１２を、炭酸ガス生成温度以上の温度でマイクロ波吸収体５と接触させ、生成した炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で紫外線を発生させ、発生させた紫外線を、被処理物質１１の処理反応に利用する装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガスとマイクロ波との相互作用により紫外線を発生させることのできる紫外線化学反応装置に関する。

化学反応において紫外線を利用する際は、紫外線ランプを用いるのが一般的である。しかし、紫外線は懸濁液中では透過率が低く、有効に照射できないという問題点がある。

そのため、光触媒を活性化させるために光触媒と紫外線発光ダイオードを組み合わせた各種の装置、例えば、浄水タンク及び浄水ポット、空気清浄装置、内燃機関の排出ガス浄化装置、冷蔵庫、生ゴミ処置装置等が提案されている（特許文献１〜６参照）。

また、紫外線発光ダイオードを組み合わせた反応装置により、以下の反応例に示すように、光触媒懸濁液中でＣＯ_２とＨ_２に紫外線を照射することで、ギ酸あるいはアルデヒドを生成させる方法が提案されている（特許文献７参照）。しかし、この装置も、光触媒による液の懸濁により紫外線の有効照射という点では課題があった。
（反応例）
２Ｈ_２Ｏ → （光触媒＋光Energy） → ２Ｈ_２＋Ｏ_２
ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ → （光触媒＋光Energy）→ ＨＣＯＯＨ（ギ酸）
または
ＣＯ_２ ＋ ２Ｈ_２ →（光触媒＋光Energy）→ ＨＣＨＯ（アルデヒド）＋Ｈ_２Ｏ

一方、水中に光触媒を分散させて紫外線を照射すれば、水中の有機物を分解、脱色・脱臭、殺菌できることが知られており、これらの処理に要する時間を短縮させるために、光触媒を懸濁した有機物含有水に、紫外線ランプから紫外線を照射すると同時に、マグネトロンからマイクロ波を照射する装置（特許文献８参照）、あるいは、電磁波発生器と電磁波の照射を受けて紫外線を発光する紫外線光源とを備えた化学反応促進装置（特許文献９参照）が提案されている。しかし、これらの装置では、紫外線ランプあるいは紫外線光源が別途必要であり、反応装置のコンパクト面およびコスト面で課題がある。

さらに、紫外線ランプを用いない場合でも、超音波装置で発生させたキャビテーションにマイクロ波を照射することにより、紫外線が発生することが知られている（例えば、特許文献１０参照）。しかし、キャビテーションにマイクロ波を照射して紫外線を発生させる場合は、超音波発生装置が別途必要であり、反応装置のコンパクト面およびコスト面で課題がある。

実用新案登録第３１００６３２号公報 特開平１１−４７５４５号公報 特開２０００−１６７３５３号公報 特開２００４−１６２５５２号公報 特開２００６−０１７３５８号公報 特開２００６−２８１１６１号公報 特開２００８−２４６３５５号公報 特開２００１−２５９６２０号公報 特開２００８−１５９３８７号公報 特開２００８−１７３５２１号公報

本発明は、紫外線ランプあるいは超音波発生装置が不要で、装置のコンパクト化が可能な、紫外線化学反応装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明者等は鋭意検討した結果、超音波装置でキャビテーションを発生させなくても、反応装置内に収容したマイクロ波吸収体の周辺に気体分子が存在すると、マイクロ波吸収体にマイクロ波を照射した際に、この気体分子がマイクロ波を吸収して紫外線が発生することに着目し、本発明に到達した。

すなわち、本発明は、炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で発生する紫外線を利用する紫外線化学反応装置であって、
被処理物質および炭酸（塩）を含有する溶媒を導入する導入口と、前記被処理物質を反応させて得られる生成物を含む溶媒を排出する排出口と、マイクロ波発生装置と、該マイクロ波発生装置から発生したマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体とを備え、
前記導入口から導入した被処理物質および炭酸（塩）を含有する溶媒を、前記排出口から排出させるまでの間に、炭酸ガス生成温度以上の温度でマイクロ波吸収体の固定床と接触させ、生成した炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で紫外線を発生させ、発生させた紫外線を、被処理物質の処理反応に利用することを特徴とする紫外線化学反応装置を提供する。

本発明によれば、マイクロ波の局所加熱効果で、マイクロ波吸収体の周辺で炭酸ガスが生成し、生成した炭酸ガスにマイクロ波を照射することで紫外線が発生するため、超音波発生装置が不要で、反応装置のコンパクト化が可能な紫外線化学反応装置を提供することができる。この紫外線化学反応装置は、被処理物質として二酸化炭素を用いれば、二酸化炭素の処理装置となり得る。

発生した紫外線は、減衰がなく、被処理物質に近距離で照射されるため省エネであり、反応時間を短縮できる効果もある。

本発明の一実施形態である紫外線化学反応装置を示す概略構成図である。 本発明の紫外線化学反応装置を用いた応用例である。

以下、本発明の紫外線化学反応装置を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態である紫外線化学反応装置を示す概略構成図である。
図１に示すように、本発明の紫外線化学反応装置１は、炭酸もしくは炭酸塩の分解により発生する炭酸ガスと、マイクロ波との相互作用で発生する紫外線を利用する紫外線化学反応装置であって、被処理物質１１および炭酸（塩）を含有する溶媒１２を導入する導入口２と、前記被処理物質１１を反応させて得られる生成物１３を含む溶媒１２を排出する排出口３と、マイクロ波発生装置４と、該マイクロ波発生装置４から発生したマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体５の固定床とを備えている。

導入口２から導入した、被処理物質１１および炭酸（塩）を含む溶媒１２を、排出口３から排出させるまでの間に、マイクロ波吸収体５と接触させながらマイクロ波発生装置４よりマイクロ波を照射して、炭酸塩を分解もしくは炭酸を気化させることにより、気体を発生させる。

図１に示したように、マイクロ波発生装置４およびマイクロ波吸収体５は、マイクロ波吸収体５がマイクロ波発生装置４から照射されるマイクロ波を吸収しやすく、かつ、マイクロ波吸収体と接触した炭酸塩の分解等により生成する気体分子が、マイクロ波と相互作用しやすい位置に配置する。図１では、マイクロ波発生装置４を、紫外線化学反応装置１の側部に配置した例を示したが、同装置１の上部に配置することもできる。なお、マイクロ波発生装置４には、電気制御装置が備えられ、マイクロ波吸収体５により形成された固定床には、温度測定用の熱電対と温度コントローラー用熱電対が備えられている（いずれも図示省略）。

マイクロ波吸収体５を用いて固定床を形成する場合は、後記するマイクロ波吸収体５あるいは担体との混合物、あるいはこれらを所定の形状に加工したものを、反応装置１内にカラム形状に充填、固定する方式が好ましい。

本発明の紫外線化学反応装置１においては、被処理物質１１および炭酸（塩）を含有する溶媒（好ましくは、水）１２を導入口２から導入した後、それらを炭酸ガス生成温度以上の温度でマイクロ波吸収体５と接触させる。この際、マイクロ波発生装置４から照射されるマイクロ波により局所的に加熱されたマイクロ波吸収体５の周辺では、炭酸の溶解度の減少あるいは炭酸塩の分解により、炭酸ガスが発生し、発生した炭酸ガスとマイクロ波との相互作用により紫外線が発生する。この発生した紫外線ならびにマイクロ波を利用して被処理物質１１を反応させ、その後、生成物１３および水を排出口３から排出する。

被処理物質１１および炭酸（塩）を含有する溶媒１２は、紫外線化学反応装置１の中を、１パスさせるだけでもよいが、被処理物質１１について所定の処理反応が完了するまで、排出口３と導入口２とを配管で繋いで循環させることも可能である。反応の雰囲気は不活性ガス中で行うことが好ましい。

また、紫外線化学反応装置１を繋ぐ配管上の少なくとも１箇所の、任意の場所に、コンデンサなどの冷却装置を設置することもできる。これにより、マイクロ波吸収体５を通過した後に排出口３から排出される高温の溶媒１２を冷却することで、炭酸ガスを溶媒中に溶解させることができ、有機溶媒１２を再びマイクロ波吸収体５と接触させて反応させる際には、再び炭酸ガスに気化させることが可能になる。さらに、特に低沸点の溶媒１２を用いる場合には、紫外線化学反応装置１の上部に冷却手段を設けることで、蒸発した溶媒１２を液化、回収して反応系に戻すことができる。

上記のマイクロ波吸収体５としては、炭素化合物、金属含有化合物などが挙げられ、これらの化合物のうち、１種を単独で用いてもよく、２種以上を混合して用いてもよい。マイクロ波吸収体５の形状は任意であるが、例えば、粉末状、顆粒状、ロッド状、スティック状、シート状、ハニカム状に加工したものなどが好ましい。

上記の炭素化合物としては、活性炭、グラファイト、カーボンナノチューブ、フラーレンなどがあげられる。

上記の金属含有化合物としては、ゼオライトなどの複合金属酸化物；二酸化チタンなどの金属酸化物；鉄、銀、白金、ルテニウム、パラジウム、ロジウムなどの金属を炭素化合物や樹脂等の担体に担持させた化合物があげられる。これらの金属含有化合物では金属が触媒として作用し、金属を担持する担体がマイクロ波吸収体５として作用する。

マイクロ波吸収体５による固定床には、固定床の温度を制御するための担体として、ＣｅＯ_２、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、ＭｎＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｖ_２Ｏ_５、ＷＯ_３、ＣｕＯなどの金属酸化物や、シリコン、ゲルマニウム、ホウ素、炭化ケイ素などの半導体を、任意の割合で混合することもでき、マイクロ波吸収体５と上記の担体との混合物を、顆粒状、ロッド状、スティック状、シート状、ハニカム状に加工したものを用いることもできる。

マイクロ波発生装置４から照射するマイクロ波は、周波数が１〜３００ＧＨｚ、出力が１０Ｗ〜２０ｋＷの範囲が好ましい。マイクロ波照射時間は、被処理物質１１の処理反応の進行状況により適宜決定すればよい。マイクロ波発生装置４における発振器としては、マグネトロン等のマイクロ波発振器や、固体素子を用いたマイクロ波発振器等を適宜用いることができる。

本発明の紫外線化学反応装置１は、その内部に、マイクロ波吸収体５による固定床を有しており、マイクロ波により加熱されたマイクロ波吸収体５と、被処理物質１１および炭酸（塩）含有溶媒１２とが接触することで、炭酸ガスが生成し、この炭酸ガスとマイクロ波とが相互作用することで紫外線が発生する。紫外線は、被覆処理物質１１の周辺で発生するので、被処理物質１１を反応させるのに効率よく利用することができる。

本発明において、被処理物質１１は、これを構成する分子の平均結合エネルギーが、紫外線エネルギー（４１１ｋＪ／ｍｏｌ）以下であることが好ましい。このような結合としては、Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｎ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｃｌ、Ｃ−Ｂｒ、Ｃ−Ｉ、Ｃ-Ｓ、Ｃ−Ｓｉ、Ｎ−Ｈ、Ｐ−Ｈ、Ｓ−Ｈ、Ｎ−Ｎ、Ｏ−Ｏ、Ｆ−Ｆ、Ｃｌ−Ｃｌ、Ｂｒ−Ｂｒ、Ｉ−Ｉ、Ｈ−Ｂｒ、Ｈ−Ｉの単結合の切断、或いはＣ＝Ｃ、Ｃ≡Ｃ、Ｃ＝Ｏ、Ｏ＝Ｏ、Ｃ＝Ｎ、Ｃ≡Ｎ、Ｎ＝Ｎ、Ｎ≡Ｎの多重結合からの単結合への切断が挙げられ、被処理物質１１はこれらの結合から選ばれる結合で構成されている物質であることが好ましい。

上記の被処理物質１１は、化学反応原料などである。化学反応原料は、一般的な化学反応に用いられる原料であれば１種類でも２種類以上の混合物でもよい。例えば、二酸化炭素、炭化水素、アルコール、アルデヒド、ハロゲン化物、硫化物などがあげられる。

例えば、化学原料としては、二酸化炭素（化学式：Ｏ＝Ｃ＝Ｏ、Ｃ＝Ｏの切断）、光重合開始剤（アゾジイソブチロニトリル 化学式：（ＣＨ_３）_２（ＣＮ）ＣＮ＝ＮＣ（ＣＮ）（ＣＨ_３）_２、Ｃ−Ｎの切断、過酸化ベンゾイル 化学式：（Ｃ_６Ｈ_５）ＣＯＯ−ＯＯＣ（Ｃ_６Ｈ_５）、Ｏ−Ｏの切断などがあげられる。

本発明の紫外線化学反応装置１を用いた反応の実施形態は、大きく分けて２通りある。
（１）被処理物質１１である化学原料と炭酸（塩）とを含む溶媒１２を、当該装置１に導入し、炭酸（塩）より発生する気体を、マイクロ波と相互作用させて、紫外線を発生させる形態。
（２）被処理物質１１である二酸化炭素を、あらかじめ炭酸（塩）の形に固定し、これを溶解させた溶媒１２を、当該装置１に導入し、炭酸（塩）より発生する気体を、マイクロ波と相互作用させて、紫外線を発生させる形態。即ち、この形態では、二酸化炭素をアミンやアルカリで固定化した炭酸（塩）を含む溶媒１２を、当該装置１に導入し、二酸化炭素を紫外線で反応処理することができる（本願明細書の段落［０００４］参照）。
なお、上記（２）の場合、マイクロ波吸収体５の固定床の中に、紫外線によるに二酸化炭素の処理反応を促進するための光触媒などの触媒を添加しておくことが好ましい。

上記の炭酸塩としては、炭酸水素アンモニウム、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸水素マグネシウムカリウム、炭酸水素カルシウムなどの重炭酸塩、一般式ＲＮＨ_２（ＨＣＯ_３）（ＲはＣ_１〜Ｃ_１８の炭化水素基である。）で表わされるアミン炭酸塩などが好ましい。重炭酸塩は、分解により炭酸ガスが生成する（下記式化１参照）。

本発明の紫外線化学反応装置１における反応処理温度は、炭酸塩の種類によって異なるが、７０〜１５０℃の範囲が好ましい。

本発明の紫外線化学反応装置１では、マイクロ波がマイクロ波吸収体部分に集中する。そのため、マイクロ波吸収体５と接触した炭酸は、加熱による溶解度の減少により、また、マイクロ波吸収体５と接触した炭酸塩は、加熱により分解して炭酸ガスを生成する。生成した炭酸ガスにマイクロ波が照射されることで、溶媒中で紫外線が発生するため、紫外線は被処理物質１１に有効に作用する。

次に、本発明の紫外線化学反応装置を用いた応用例を説明する。

（応用例１）
本発明の紫外線化学反応装置の応用例を図２に示す。この応用例は、被処理物質が二酸化炭素である、二酸化炭素固定化装置への応用例であり、炭酸塩として炭酸水素カルシウムを用い、マイクロ波吸収体２５として活性炭を用いる。被処理物質１１である二酸化炭素を水酸化カルシウム水溶液に大過剰に吹き込み、炭酸塩として炭酸水素カルシウムを含有する炭酸水を被処理水とする。また、マイクロ波吸収体２５の固定床中には、ＴｉＯ_２（光触媒）を添加する。

上記の被処理水を、ポンプを用いて、導入口２２より紫外線化学反応装置２１内に導入し、マイクロ波発生装置２４より照射するマイクロ波を制御しながら、マイクロ波吸収体２５周辺の温度が約１００℃になるように調整し、被処理水をマイクロ波吸収体２５と接触させた後、排出口２３から排出する。

この応用例では、炭酸水素カルシウムが、マイクロ波を吸収して加熱された活性炭に接触することにより分解して炭酸ガスを生成し（上記の化１参照）、この生成した炭酸ガスにマイクロ波が照射されることで、紫外線が発生する。

そして、発生した紫外線と、マイクロ波吸収体２５の固定床中に共存する光触媒（二酸化チタン）の触媒作用とにより、水が分解して水素と酸素が生成する。さらに、炭酸ガスと水素が反応して、ギ酸またはホルムアルデヒドが生成する。

ただし、上記の応用例は、本発明の紫外線化学反応装置１を用いた一例であり、他のマイクロ波吸収体や、炭酸（塩）を用いた場合にも、同様の反応を生じさせることが可能である。

本発明の紫外線化学反応装置は、二酸化炭素の処理に好適に利用することができる。

１、２１ 紫外線化学反応装置
２、２２ 導入口
３、２３ 排出口
４、２４ マイクロ波発生装置
５、２５ マイクロ波吸収体
１１ 被処理物質
１２ 炭酸（塩）含有水
１３ 反応生成物

Claims (7)

1. 炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で発生する紫外線を利用する紫外線化学反応装置であって、
   被処理物質および炭酸（塩）を含有する溶媒を導入する導入口と、前記被処理物質を反応させて得られる生成物を含む溶媒を排出する排出口と、マイクロ波発生装置と、該マイクロ波発生装置から発生したマイクロ波を吸収するマイクロ波吸収体とを備え、
   前記導入口から導入した被処理物質および炭酸（塩）を含有する溶媒を、前記排出口から排出させるまでの間に、炭酸ガス生成温度以上の温度でマイクロ波吸収体の固定床と接触させ、生成した炭酸ガスとマイクロ波との相互作用で紫外線を発生させ、発生させた紫外線を、被処理物質の処理反応に利用することを特徴とする紫外線化学反応装置。
2. 炭酸塩が、重炭酸塩またはアミン炭酸塩である請求項１記載の紫外線化学反応装置。
3. 被処理物質を構成する分子の平均結合エネルギーが、紫外線エネルギー（４１１ｋＪ／ｍｏｌ）以下である請求項１または２記載の紫外線化学反応装置。
4. 被処理物質は、Ｃ−Ｃ、Ｃ−Ｈ、Ｃ−Ｎ、Ｃ−Ｏ、Ｃ−Ｆ、Ｃ−Ｃｌ、Ｃ−Ｂｒ、Ｃ−Ｉ、Ｃ-Ｓ、Ｃ−Ｓｉ、Ｎ−Ｈ、Ｐ−Ｈ、Ｓ−Ｈ、Ｎ−Ｎ、Ｏ−Ｏ、Ｆ−Ｆ、Ｃｌ−Ｃｌ、Ｂｒ−Ｂｒ、Ｉ−Ｉ、Ｈ−Ｂｒ、Ｈ−Ｉから選ばれる結合で構成されている物質である請求項１〜３いずれか記載の紫外線化学反応装置。
5. 被処理物質が、二酸化炭素である請求項１〜４いずれか記載の紫外線化学反応装置。
6. マイクロ波吸収体が、炭素化合物または金属含有化合物のうちの少なくとも１種である請求項１〜５いずれか記載の紫外線化学反応装置。
7. マイクロ波吸収体が、粉末状、顆粒状、ロッド状、スティック状、シート状またはハニカム状である請求項１〜６いずれか記載の紫外線化学反応装置。