JP2019025394A

JP2019025394A - 微粒子の製造法

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Publication number: JP2019025394A
Application number: JP2017145088A
Authority: JP
Inventors: 雄一館山; Yuichi Tateyama; 増田　賢太; Kenta Masuda; 賢太増田; 三崎　紀彦; Norihiko Misaki; 紀彦三崎; 広樹山崎; Hiroki Yamazaki; 松井　克己; Katsumi Matsui; 克己松井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2017-07-27
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-27
Also published as: JP7046518B2

Abstract

【課題】噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子製造時における、ミスト同士の干渉及びミストの炉心管壁への固着を防止して、均一な微粒子を効率良く製造する手段の提供。【解決手段】（１）噴霧ミスト生成のために噴霧ノズル内に導入する圧縮空気の温度を８０℃〜３００℃とする手段、（２）噴霧ノズルをソケットに挿入し、噴霧ノズルとソケットの間にクリアランスを設け、そのクリアランスから１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる手段、及び（３）反応炉上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状にエア導入口を設け、この導入口から１５０℃〜４５０℃の空気を反応炉内に導入する手段から選ばれる１以上の手段を行うことを特徴とする噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法。【選択図】なし

Description

本発明は、噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法に関する。

微粒子の製造方法として噴霧乾燥法又は噴霧熱分解法が使用されている。この製法に用いる外熱式キルンはセラミックス製や金属製の炉芯管を内包しており、炉芯管の上端には水溶液を噴霧するための噴霧装置（ノズルユニット）が設けられている。ここで用いるノズルは２流体ないし４流体ノズルと呼ばれるものであり、水溶液を圧縮空気と同時に先端から噴出してミスト化し、微小粒子を形成する。この微小粒子が炉芯管内で乾燥又は熱分解され、製品となる。製品の回収は、吸引ファンによって炉芯管内を負圧とし、バグフィルターによって行う。特許文献１では、パルスジェットに噴霧ミストを接触させ、粒子の干渉・凝集を防止する手段が記載されている。

特開２０１０−２０８９１７号公報

しかしながら、従来の噴霧装置によってミストを噴霧する際、吸引ファンによって炉芯管内は負圧となっているが、ミスト噴霧による生じるノズルユニットの底面付近における局所的な負圧や、炉芯管内に生じる若干の上昇気流により、同一ミスト内での乾燥前のミスト同士の干渉が発生する。干渉が起こった粒子は、乾燥後、綺麗な球形にならず、粒子強度の低下、粒度分布のばらつきを引き起こす。また、製品の大量製造を目的として複数ノズルでの噴霧が必要となる場合があり、この場合、他方のノズルから噴霧されたミストとの干渉も発生するため、前記ミスト同士の干渉がより顕著になる。特許文献１記載の手段では、パルスジェットがミストの外側の粒子にしか接触しないため、ミストの内側の粒子の干渉・凝集は防止できない。

また、従来の噴霧装置では、円錐状に広がったミストの一部が、乾燥される前に炉芯管の内壁にぶつかり、その後次第に乾燥し、固着物となる。炉芯管内に固着物が生じると、炉芯管の外側に位置するヒーターからの熱が炉芯管内に伝わりにくくなり、製品の粒度分布のばらつき、炉芯管内壁への更なる固着発生の原因となる。

従って、本発明の課題は、噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子製造時におけるミスト同士の干渉及びミストの炉心管壁への固着を防止して、均一な微粒子を効率良く製造する手段を提供することにある。

そこで本発明者は、噴霧乾燥法又は噴霧熱分解法における噴霧工程の条件について種々検討した結果、噴霧工程の温度、ノズルユニット内における一定温度のエアの供給、及びミストと炉心管の間への一定温度のエアの供給から選ばれる１種以上の手段を講じることにより、ミスト同士の干渉、凝集及びミストの炉心管への固着の両者が防止でき、一定の品質への微粒子が効率良く製造できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、（１）噴霧ミスト生成のために噴霧ノズル内に導入する圧縮空気の温度を８０℃〜３００℃とする手段、（２）噴霧ノズルをソケットに挿入し、噴霧ノズルとソケットの間にクリアランスを設け、そのクリアランスから１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる手段、及び（３）反応炉上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状にエア導入口を設け、この導入口から１５０℃〜４５０℃の空気を反応炉内に導入する手段から選ばれる１以上の手段を行うことを特徴とする噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法を提供するものである。

本発明方法によれば、高温の圧縮空気によりミストは噴霧されてから即座に乾燥されるため、同一ミスト内における、ミスト同士の干渉が減少し、綺麗な球形の粒子が得られる。ミストの噴霧量を増やす場合、たとえば、大量製造を目的としてノズル１本あたりの噴霧量を増やす場合や、複数ノズルにて噴霧する場合でも、干渉が減少する。炉芯管内に生じる固着も防止できる。

噴霧装置の断面概略図である。噴霧装置の上面図を示す。実施例７で得られた微粒子のＳＥＭ像を示す。比較例１で得られた微粒子のＳＥＭ像を示す。

本発明の噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法は、（１）噴霧ミスト生成のために噴霧ノズル内に導入する圧縮空気の温度を８０℃〜３００℃とする手段、（２）噴霧ノズルをソケットに挿入し、噴霧ノズルとソケットの間にクリアランスを設け、そのクリアランスから１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる手段、及び（３）反応炉上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状にエア導入口を設け、この導入口から１５０℃〜４５０℃の空気を反応炉内に導入する手段から選ばれる１以上の手段を行うことを特徴とする。

噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法は、基本的に、炉芯管の上部に設けられた原料溶液の噴霧装置（ノズルユニット）から炉心管内に原料溶液を噴霧し、噴霧されたミストを炉心管内で乾燥又は熱分解することにより微粒子が製造される。生成した微粒子は、吸引ファンにより炉心管内を負圧とし、バグフィルターによって回収される。

原料溶液としては、酸化物を構成する元素を含む原料であればよく、例えば水等の溶媒に溶解する化合物であり、無機塩、金属アルコキシド等が挙げられる。より具体的には、アルミニウム塩、チタン塩、マグネシウム塩、カルシウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩、リチウム塩、ホウ酸塩、リン酸塩、アルミノケイ酸塩、アルミニウムアルコキシドやテトラエトキシシラン、テトラメトキシシランなどのケイ酸アルコキシド等が挙げられる。
また、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物を溶媒に分散した溶液、アルミニウム酸化物、ケイ素酸化物のゾル溶液も原料溶液として用いることができる。さらに、溶融温度、耐熱性、粒子強度を調整するために、他の元素の原料を添加することもできる。

また、これらの原料化合物から得られる酸化物としては、無機酸化物、例えば金属酸化物、アルミナ、シリカ、カルシア、マグネシア、アルミニウムおよびケイ素からなる酸化物等が挙げられ、より具体的には、アルミナ、シリカ、アルミニウムおよびケイ素からなる酸化物、チタン酸化物、マグネシウム酸化物、カルシウム酸化物、ナトリウム酸化物、カリウム酸化物、リチウム酸化物、ホウ素酸化物、リン酸化物、ジルコニウム酸化物、バリウム酸化物、セリウム酸化物、イットリウム酸化物等が挙げられ、これら酸化物を組みあわせた複合酸化物も挙げられる。
これらの酸化物を構成する元素の原料を溶解あるいは分散する溶媒としては、水及び有機溶媒が挙げられるが、環境への影響、製造コストの点から水が好ましく、水溶液のｐＨ調整剤として、酸やアルカリを添加しても良い。酸としては、塩酸、硝酸、硫酸、有機酸などを用いることができ、アルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化カリウムなどを用いても良い。

噴霧装置におけるノズルは、通常２流体ないし４流体ノズルが用いられる。すなわち、原料溶液を圧縮空気とともにノズル先端から噴出してミスト化する。

本発明における第一の手段は、（１）噴霧ミスト生成のために噴霧ノズル内に導入する圧縮空気を８０℃〜３００℃とする手段である（図１、圧縮空気）。通常この圧縮空気の温度は常温であるが、本発明では、８０℃〜３００℃とする。８０℃未満の温度では、ミスト同士の干渉により凝集が生じやすくなるが、８０℃以上の圧縮空気を用いればミストの生成と同時に乾燥が生じるので、ミスト同士の凝集が抑制され、ミストの炉心管壁への固着も防止できる。
また、３００℃を超えると噴霧溶液のノズル内での突沸が生じる可能性がある。より好ましい圧縮空気の温度は８０℃〜２５０℃である。

本発明における第二の手段は、（２）噴霧ノズルをソケットに挿入し、噴霧ノズルとソケットの間にクリアランスを設け、そのクリアランスから１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる手段である（図２、クリアランスエア参照）。すなわち、噴霧ノズルの周囲を空間が生じるようなソケット（外筒）を形成させ、そのソケットの上部から炉心管内にミストの周囲を覆うように１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる（図１、クリアランスエア）。このクリアランスエアが炉心管内に噴出されたミストを速やかに乾燥させてミスト同士の干渉による凝集を防止するとともに、ミストの炉心管壁への固着を防止する。空気の温度が１００℃未満ではミストの凝集、炉芯管壁への固着が十分に防止できない。また４５０℃を超える温度とするとノズルチップ、ノズル本体やノズルユニットが変形し、噴霧した液滴が不均一になるなど、安定した噴霧が困難になる。より好ましいクリアランスエアの温度は１００℃〜４００℃であり、さらに好ましくは１００℃〜３００℃である。

本発明における第三の手段は、反応炉（炉心管）上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状にエア導入口を設け、この導入口から１５０℃〜４５０℃の空気を反応炉内に導入する手段である。すなわち、反応炉の上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状に設けられた、エア導入口から、ミストと反応炉壁との間に１５０℃〜４５０℃のエアカーテン（サラウンドエア）を設ける手段である。この高温のエアカーテンを設けることにより、拡散した外側のミストの乾燥を促進してミスト同士の凝集を防止するとともに、ミストの炉心管壁への固着が防止できる。エアカーテンの温度が１５０℃未満ではミストの炉心管壁への固着が十分に防止できない。また４５０℃以上ではノズルチップ、ノズル本体やノズルユニットが変形し、噴霧した液滴が不均一になるなど、安定した噴霧が困難になる。好ましいエアカーテンの温度は１５０℃〜４００℃である。

炉心管の加熱は、外部式が好ましく、電気ヒータ、燃焼ガス、高周波などにより加熱される。

本発明方法によれば、ノズルユニットから噴霧されたミストの表面の乾燥が初期から進行するとともに、噴霧後も高温空気により拡散されるため、ミスト同士の干渉による凝集が有効に防止される。また、ミストの炉心管壁への固着も防止できる。本発明においては、（１）〜（３）のいずれか一つの手段でもよいが、（１）＋（２）、（１）＋（３）、（２）＋（３）、（１）＋（２）＋（３）のように２以上の手段を組み合わせて採用するのが、さらに好ましい。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

実施例および比較例
噴霧ノズルとソケットとの間にクリアランスを設けたノズルユニットを炉芯管に設置した。ノズルユニットの設置パターンは、１つの場合と、２つ隣接させた場合との２パターンとした。次いで蒸留水１リットルに硝酸アルミニウムを０．０４ｍｏｌ、オルトケイ酸テトラエチルを０．１６ｍｏｌ溶解したアルミニウム及びケイ素の混合水溶液を溶液タンクに投入した。投入された水溶液は送液ポンプにより、２流体ノズルを介してミスト状に噴霧され、乾燥ゾーン（約４００℃）、次いで熱分解ゾーン（８００℃）を通過させた。
その後バグフィルターを用いて中空粒子を回収した。得られた中空粒子を約１０００℃で焼成し、目的とするアルミノシリケート中空粒子を得た。
上記における、（１）ミスト生成に用いる圧縮空気の温度、（２）クリアランスエアの温度、（３）サラウンドエアの温度と使用の有無、観察された中空粒子の形状、乾燥ゾーンに用いた炉芯管の内側の固着の状態を、表１及び表２に示す。また、実施例７及び比較例１で得られたＳＥＭ像を図３及び図４に示す。

Claims

（１）噴霧ミスト生成のために噴霧ノズル内に導入する圧縮空気の温度を８０℃〜３００℃とする手段、（２）噴霧ノズルをソケットに挿入し、噴霧ノズルとソケットの間にクリアランスを設け、そのクリアランスから１００℃〜４５０℃の空気を噴出させる手段、及び（３）反応炉上部の噴霧ノズルユニットの周囲に円周状にエア導入口を設け、この導入口から１５０℃〜４５０℃の空気を反応炉内に導入する手段から選ばれる１以上の手段を行うことを特徴とする噴霧乾燥又は噴霧熱分解による微粒子の製造法。