JP2013180265A - Sonochemistry reaction apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention supplies a gas to a vibrating body through which gas can pass and releases the gas from the vibration surface, thereby simultaneously generating bubbles and applying pressure vibration to the generated bubbles, and accompanying expansion and contraction of the bubbles. The present invention relates to an apparatus that performs a sonochemical reaction using a high-temperature and high-pressure environment inside a bubble.
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。 When a sudden pressure fluctuation occurs in a liquid in a short period of time, the phenomenon in which bubbles are generated and disappeared instantaneously is called cavitation, and when a bubble contracts rapidly, it contracts in a process close to adiabatic compression, Is known to become high temperature and pressure. In particular, cavitation that is generated by applying an abrupt pressure fluctuation of a liquid with ultrasonic waves is called acoustic cavitation. The reaction using high-temperature and high-pressure fields inside and in the vicinity of bubbles generated by acoustic cavitation is called sonochemical reaction or sonochemistry, and it is oxidized, reduced, polymerized, decomposed, synthesized, sterilized, washed, heated, burned, separated, solid Surface modification or the like is possible (Non-Patent Document 1). Furthermore, Non-Patent Document 2 also shows the possibility of nuclear fusion by acoustic cavitation. The present invention shows the optimum conditions and apparatus configuration that contribute to an increase in throughput and continuous reaction for the sonochemical reaction described above.
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。 As a known sonochemical reaction device, the distance between the vibration plate and the reflection plate is adjusted to control the acoustic standing wave according to the wavelength of the ultrasonic wave, and a high vibration pressure field is formed in the liquid. By attaching a vibrator to the side of the cylindrical container and converging the sound wave in the direction of the central axis, a field with a high sound pressure is formed in the liquid near the central axis to cause the sonochemical reaction. There is a device to perform (Patent Document 2). However, in the apparatus shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, the improvement in reactivity associated with gas supply and gas supply reaction is not clearly described.
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。 In Patent Document 3, an ultrasonic horn that amplifies the amplitude of the ultrasonic wave is used to apply a strong pressure vibration in the liquid to generate vapor bubbles of the organic solvent. Further, when the vapor bubbles contract, A technique and apparatus for generating various nano-order particles sonochemically using a high-temperature and high-pressure field are described. However, in this device, the bubbles that become the reaction field of the sonochemical reaction are vapor bubbles that are foamed by instantaneous pressure reduction accompanying the periodic vibration of ultrasonic waves, and gas is supplied from the outside using gas supply means. There is no suggestion of improved reactivity due to.
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。 Patent Document 4 describes a technique for promoting a sonochemical reaction by adding bubbles from the side of a sound wave propagation direction of an acoustic field to which ultrasonic waves are applied. However, in the above-described method, the vibrating body and the bubble supply are performed at different locations, and it is not explicitly stated that the generation of the bubble and the generation of the vibration pressure are integrated.
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。 In the above-described background art, when a liquid vapor bubble generated by applying pressure vibration to a liquid without using a gas supply means is used in a sonochemical reaction, the pressure is instantaneously reduced to a pressure lower than the liquid vapor pressure by the pressure vibration. Since foaming needs to be promoted, a large pressure fluctuation is required and the amount of foaming is small, so that it is difficult to increase the processing amount.
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。 In the above-described background art, in the case of using for the sonochemical reaction a bubble obtained by precipitating a gas dissolved in advance under reduced pressure accompanying a pressure fluctuation to the liquid without using a gas supply means, a gas that can be dissolved in the liquid in advance. Since the amount of slag is limited and small, continuous processing is difficult, and it is difficult to increase the processing amount.
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。 In the above background art, when bubbles are generated using the gas supply means and introduced into the pressure vibration field to promote the sonochemical reaction, the pressure is reduced before the bubbles are transferred to the region where the pressure vibration is strong. The problem is that sufficient bubbles are not supplied to the region where pressure vibration is strong due to the so-called ultrasonic degassing action that induces trapping and coalescence of bubbles by standing waves.
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。 In the present invention, the generation of bubbles and the generation of pressure vibration in a liquid containing a reactant are performed using the same vibrating body, thereby generating bubbles in the vicinity of a vibration surface where pressure vibration is strong and continuous acoustics. An object of the present invention is to provide a new sonochemical reaction device characterized by enabling a chemical reaction.
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。 In the present invention, at least a part of the vibrating body that is disposed in a liquid containing a reactive substance and capable of vibrating with a frequency of 10 kHz or more and an amplitude of 10 μm or more, a gas supply unit that supplies gas to the vibrating body, and the gas supply By having a flow path for supplying a gas into the liquid from the means through the inside of the vibrator, the sonochemical reaction can be suitably performed.
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。 In another aspect of the present invention, a surfactant is dissolved in a liquid containing the reactant. According to this, the sonochemical reaction can be suitably performed.
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。 As another aspect of the present invention, the flow rate of the gas discharged from the gas discharge port of the vibrating body is more than 0 mL / min and 1000 mL / min or less. According to this, the sonochemical reaction can be suitably performed.
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。
In the sonochemical reaction device of the present invention, the following preferred effects can be obtained.
(1) By supplying bubbles, an increase in the sonochemical reaction field and a continuous sonochemical reaction are possible.
(2) Since the bubble generation unit and the pressure vibration generation unit are integrated, it is possible to transmit powerful pressure fluctuations to the bubbles with little loss and use them as energy for the volume fluctuations of the bubbles, thereby improving the efficiency of the sonochemical reaction.
(3) By adjusting the addition of the surfactant and the flow rate to suitable values, the generation of large bubbles that do not contribute to the sonochemical reaction can be suppressed, and the sound pressure attenuation due to excessive bubble supply can be prevented. Will improve.
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。 The sonochemical reaction device according to the present invention includes a vibrating body provided with a gas flow path therein, a gas supply means for supplying gas to the internal flow path of the vibrating body, and a reactant in which a gas discharge port of the vibrating body is disposed. It is comprised by the liquid containing. Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to FIG.
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。 In the best mode for carrying out the present invention, the gas discharge port 2 of the vibrating body 4 provided therein with the flow path 3 connecting the gas introduction port 1 and the gas discharge port 2 is a reactant substance held in the tank 5. It arrange | positions in the liquid 6 containing. The gas from the gas supply means 7 is supplied to the gas discharge port 2 via the flow path 3 inside the vibrating body 4, and contains the reactant from the vicinity of the gas discharge port 2 by vibrating the vibration surface 8. Bubbles 9 are generated in the liquid 6. Further, the bubble 9 rapidly expands and contracts due to pressure vibration generated from the vibration surface 8 of the vibrating body 4, so that the inside of the bubble 9 is instantaneously close to adiabatic compression, and the bubble 9 is in the inside of the bubble 9 and in the vicinity of the interface. A high temperature and high pressure reaction field is formed. A sonochemical reaction occurs using the high-temperature and high-pressure field, and a single reactant or a plurality of reactants contained in the liquid 6 containing the reactant is changed to a new substance.
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。 The shape of the vibrating body 4 that integrally generates the bubbles and the pressure vibration includes at least one gas introduction port 1 for introducing the gas from the gas supply means 6 into the inside, and the gas introduction port 1 inside the vibration body 4. There is no particular limitation as long as at least one gas discharge port 2 is provided on the vibration surface 8 that causes a pressure fluctuation. The shape and size of the gas discharge port 2 are not particularly limited, but preferred examples of the shape include a circular shape, a rectangular shape, and a gear shape. The opening area is preferably in the range of 1 mm 2 to 1000 mm 2 . The arrangement of the vibrating body 4 is not particularly limited as long as the vibrating surface 8 and at least one gas discharge port 2 are arranged in the liquid 5. The vibration generated on the vibration surface 8 is not particularly limited as long as the vibration surface can vibrate with a single amplitude of 10 μm or more at a frequency of 10 kHz or more. This vibrating body 4 is provided with a flow path in a known vibrating body such as an ultrasonic vibrator in which piezoelectric elements that generate displacement due to voltage application are laminated or an ultrasonic horn that is connected to the ultrasonic vibrator and amplifies the amplitude. As a particularly preferable example, a hollow stepped cylindrical structure shown in the microbubble generation method (Patent Document 5) capable of simultaneously generating bubbles of 100 μm or less and applying ultrasonic waves to the liquid And an ultrasonic horn.
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。 The gas supply means 7 is not particularly limited as long as it can supply gas to the gas inlet 1, and examples thereof include a compressor, a diaphragm pump, a suction pump, a gear pump, and a high-pressure cylinder. The flow rate is not limited as long as the gas is continuously supplied to the vibrating surface, that is, if it exceeds 0 mL / min per each gas discharge port, but if there are too many bubbles, the pressure of each bubble Since vibration may weaken, 1000 mL / min per gas outlet is preferable, and 200 mL / min or lower per gas outlet is particularly preferable.
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。 The gas supplied to the gas discharge port 2 is not limited, and examples thereof include air, nitrogen, oxygen, carbon dioxide, ozone, and the like. Preferably, the inside tends to become high temperature and high pressure when the bubbles contract due to pressure fluctuation. Argon, helium, xenon, etc. with high specific heat ratio are illustrated.
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。 The tank 5 for holding the liquid 6 containing the reactant can be appropriately selected from known containers such as a beaker, a flask, and a water tank, and may be a river, a lake, or the sea. The capacity is preferably 10 L or less. In addition, although not essential, temperature control exemplified by a hot plate, a cool stirrer, a heat exchanger, an oil bath, or the like that adjusts the temperature of the liquid 6 containing the reactant for controlling and stabilizing the sonochemical reaction environment. It is desirable to provide the means in the tank 5.
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。 The liquid 6 containing a reactive substance is not particularly limited as long as it can contain a reactive substance that changes due to a sonochemical reaction, and examples thereof include water, oil, an organic solvent, and alcohol. Regarding the containing form of the reactant, either a dissolved solution state or a mixed phase state dispersed in any of bubbles, particles, and droplets may be used. As a particularly preferable example of the liquid 6 containing the reactive substance, an aqueous solution in which a known surfactant that reduces the surface tension of the liquid and suppresses the formation of bubbles and coalescing is dissolved may be mentioned. Examples include polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, fatty acid sodium, alkylglycoside, sodium cholate, sodium alkylbenzenesulfonate, sodium lauryl sulfate, Triton-X, Tween, lower alcohol, higher alcohol and the like.
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。 Reactive substances contained in the liquid 6 are oxidized, reduced, polymerized, decomposed, synthesized, sterilized, washed, heated, combusted, separated, solid surface modified by high-temperature and high-pressure fields inside the bubbles generated in the present invention and in the vicinity of the interface. There is no particular limitation as long as the substance undergoes any state change or structural change of quality, indigo carmine, lignin, benzene, chlorobenzene, dichlorobenzene, trichlorobenzene, benzaldehyde, benzyl bromide, benzoic acid, acrylonitrile, phenol, benzyl chloride , Chlorophenol, trichlorethylene, monochloroacetaldehyde, dichloroacetaldehyde, chloral hydrate, chlorofluorocarbon, tetrachloroethylene, polychlorinated biphenyl, perfluorooctanesulfonic acid, perfluorooctanoic acid, dioxins, al Ruphenol, aniline, dimethyl maleate, dibromodiphenylethane, acetophenone, n-butylamine, 1,2-diol, pyrene, methyl iodide, chalcogen, thiophene, ammonium aluminum sulfate, silicon alkoxide, iron chloride, zinc, calcium, platinum, Examples include copper, silver, gold, palladium, nickel, lanthanum, ruthenium, zirconium, titanium oxide, alcohol, paraffin, silica, oxalic acid, protein, microorganism, tar, and radioisotope.
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。 Hereinafter, although this invention is further demonstrated based on Example 1 to Example 9 which applied the decomposition reaction of indigo carmine, this invention is not limited to this. The amount of indigo carmine degradation shown in Examples 1 to 9 is determined by using the fact that the carbon double bond, which is the chromophore of indigo carmine, is cleaved by sonochemical reaction, and the transmittance at a wavelength of 610 nm changes. Calculated using a photometer.
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。 Example 1 shows an example in which indigo carmine is decomposed using an ultrasonic stepped horn having a hollow structure as a vibrator, argon as a gas, and water as a liquid containing a reactant. Into a 150 mL glass beaker, 100 mL of an aqueous solution in which 2.0 mg of indigo carmine is dissolved is put, and an argon gas is supplied from an argon cylinder to an ultrasonic stepped horn whose gas discharge port is arranged at a depth of 12 mm in the liquid. Supply to the horn with sonic step. As shown in Fig. 2, the hollow-structured ultrasonic stepped horn has a combination of cylinders with different diameters. The gas inlet is on the side of the cylindrical part with the large diameter, the gas outlet is on the end face with the small diameter, and the horn is inside the horn. The thing of the shape which comprises the flow path which connects a gas inlet and a gas discharge port was used. In this embodiment, the vibration from the ultrasonic transducer connected to the end face having the large diameter of the ultrasonic stepped horn is amplified by the stepped portion, and the end face having the small diameter, that is, the vibration surface is 19.5 kHz and the half amplitude is 20 μm. It was vibrated, and argon was supplied at a flow rate of 10 mL / min from a circular gas discharge port having a diameter of 3 mm to generate bubbles and apply pressure vibration to the bubbles. In this example, application of ultrasonic waves produced fine bubbles as shown in FIG. 3, and 1.00 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 As Example 2, an example in which the flow rate of argon in Example 1 is changed to 30 mL / min is shown. Equipment used and processing conditions other than the flow rate were the same as in Example 1. In Example 2, 0.95 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 As Example 3, an example in which the flow rate of argon in Example 1 is changed to 50 mL / min is shown. Equipment used and processing conditions other than the flow rate were the same as in Example 1. In Example 3, 0.95 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 As Example 4, an example in which the flow rate of argon in Example 1 is changed to 100 mL / min is shown. Equipment used and processing conditions other than the flow rate were the same as in Example 1. In Example 4, 0.52 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。
Example 5 shows an example in which the argon flow rate in Example 1 is changed to 200 mL / min.
Equipment used and processing conditions other than the flow rate were the same as in Example 1. In Example 5, 0.54 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 Example 6 shows an example in which the supply of argon in Example 1 is stopped. The processing conditions except for the gas supply were the same as in Example 1. In Example 6, 0.26 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 FIG. 4 shows the relationship between the indigo carmine decomposition amount and the argon gas flow rate in Examples 1 to 6. First, compared with 0 mL / min of Example 6 in which no gas is supplied, all of Examples 1 to 5 can be decomposed twice or more, and it is effective to supply gas continuously. Sex is shown. In addition, under the conditions of the flow rate of 50 mL / min or less in the first to third embodiments, the decomposition can be performed approximately twice as much as the flow rate of 100 mL / min or more shown in the fourth and fifth embodiments. Thus, the effectiveness of continuously supplying gas and the effect of promoting the sonochemical reaction by suppressing the gas flow rate are shown.
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。 Example 7 shows an example in which 0.2 g of 1-pentanol was added as a surfactant to the indigo carmine aqueous solution in Example 3. The equipment used and the processing conditions were the same as in Example 3. In Example 7, as shown in FIG. 5, more fine bubbles were generated than in FIG. 3, and 1.83 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 Example 8 shows an example in which oxygen is supplied instead of the argon gas in Example 3. The equipment used and the processing conditions were the same as in Example 3. In Example 7, 0.79 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 FIG. 6 shows the relationship between the time and the amount of decomposition of indigo carmine in Example 8 in which the surfactant was added to Example 3 and Example 3, and Example 8 in which the gas in Example 3 was changed from argon to oxygen. FIG. 6 shows that the degradation of indigo carmine is dramatically accelerated by the addition of a surfactant. Moreover, the amount of decomposition | disassembly is seen by using oxygen with a low specific heat ratio, The effectiveness of using gas with a high specific heat ratio is shown.
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。 Example 9 shows an example in which the shape of the gas discharge port in Example 1 is expanded from a circle with a diameter of 3 mm to a circle with a diameter of 5 mm. The equipment used and the processing conditions were the same as in Example 1. In Example 9, 1.07 mg of indigo carmine in the beaker was decomposed in a treatment time of 30 minutes.
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。 The sonochemical reaction obtained by the present invention is not only capable of continuously treating sonochemical reactions that have been mostly batch processing (batch processing) by gas supply, but also in sonochemical regions where pressure fluctuations are strong. By supplying a suitable amount of gas for the reaction, the reaction efficiency is expected to be improved, synthesis of new materials such as ceramic nanoparticles, magnetic nanoparticles, platinum nanoparticles, bioethanol purification, polymer synthesis, PCB and It is expected to be effective for the decomposition of persistent substances such as dioxins, sterilization of harmful microorganisms, and soil purification.
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas introduction port 2 Gas discharge port 3 Flow path 4 Vibrating body 5 Tank 6 Liquid containing reactive substance 7 Gas supply means 8 Vibrating surface 9 Bubble
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3424588A4 (en) * | 2016-03-01 | 2019-10-30 | Hirose Holdings&Co., Ltd. | Gas introducing/retaining device, gas introducing/retaining method, and gas release head |
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JP2008119642A (en) * | 2006-11-14 | 2008-05-29 | Sharp Manufacturing System Corp | Cleaning method and cleaning apparatus |
JP2011050832A (en) * | 2009-08-31 | 2011-03-17 | Hisanori Makuta | Minute bubble generation apparatus and generation method |
JP2011245452A (en) * | 2010-05-28 | 2011-12-08 | Hisanori Makuta | Hollow particle made out of bubble and method for manufacturing the same |
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- 2012-03-05 JP JP2012047477A patent/JP2013180265A/en active Pending
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