JP4802318B2 - 磁場中における有機物の分離、精製方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁場中における有機物の分離、精製方法に関する。

一般に、有機物も無機物も、混合物として得られる。純粋な単一物質として有効に利用するために、様々な分離法が用いられている。例えば、各種クロマトグラフィー、再結晶、蒸留、水蒸気蒸留等である。これらの方法は、それぞれの特徴を有しているが、多大の設備とエネルギーを必要とし、維持管理、保守点検にも、多くの費用と時間を要するといった問題点を有している。
一方、近年、強力で大型の超伝導磁石（超伝導マグネット）が、比較的安価に、入手できるようになり、超伝導磁石の各種産業プロセスへの応用技術の開発が進められてきている。

したがって本発明は、このような現状を踏まえて、各種有機混合物を、簡便な手法で分離、精製する方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、非磁性物質、即ち反磁性もしくは常磁性物質の強磁場中における挙動について検討する過程で、非磁性物質といえども、液体状態では、強磁場中、とりわけ大きな磁場勾配の存する場所においては、磁場の強さ、磁場勾配及び物質固有の反磁性もしくは常磁性の３者により決定される磁気力のために動く可能性があること、したがって、磁気力の作用は、わずかながら、物質によって異なることを見出した。
強磁性物質は、微粉状でも、強い磁場中において動くことが出来るが、非磁性物質は、微粉状或いは結晶状態では、強い磁場中においても移動させることは実際上不可能である。従って、加熱、融解して、液体状態にした後、強い磁場をかけ、磁場勾配（磁気力が一定の範囲において勾配をもって変化する磁場）を形成すると、有機物同士でも作用する磁気力が異なるので、異なる動きを示し、その結果、混合物を互いに分離し、その後、冷却することによって、再度固体状態に戻すことができる。このように、温度制御を利用して分離することができる。

このようにして、水平面上では、非磁性物質といえども、強い磁気力によって動かされるが、そのままでは、一定方向に動き続けるので、混合物を分離することは出来ない。そこで、滑らかな、しかも、その勾配が連続的に変化する斜面上を動かすことが有効であることが分かった。水平方向に磁気力を受け、且つ、滑らかな斜面上にある液体は、水平方向に受ける磁気力の大きさと、鉛直方向に受ける重力の合力によって、滑らかな斜面をさかのぼり、ちょうどつりあった地点まで達して停止する。磁気力を大きく受ける物質は、斜面の勾配の大きな地点まで到達して停止し、磁気力に対して感受性の小さな物質は、斜面を少し動いただけで、釣り合って停止する。
更に、滑らかな斜面を構成する物質の材質も、磁気分離に大きな影響を与えることが明らかとなった。滑らかな斜面を構成する物質と、その上に載っている、分離される物質との間には、常に界面張力が働いているから、その界面張力の大きさによって、磁気力によって動かされる力、斜面をさかのぼる程度が異なる。
以上、磁気分離に影響する主要な要件は、磁気力の大きさ、分離すべき物質を液体状態に保つこと、滑らかな斜面の勾配、斜面を構成する物質の表面物性、の４つであると考えられる。
本発明はこれらの知見に基づき検討を重ね、なされたものである。

すなわち、本発明は、
（１）融解した有機物混合体に、滑らかな曲面上で磁場勾配下、磁気力をかけることにより、水平方向に受ける磁気力と鉛直方向にかかる重力との合力が釣り合う地点が各有機物成分によって異なることを用いて前記有機物混合体中の各有機物成分を分離して液体のまま上記曲面上に停止させることを特徴とする有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法、
（２）前記融解した有機物混合体を、磁場の強さと磁場勾配の大きさの積で決められる磁気力が最大の位置に置く（１）項記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法、
（３）前記滑らかな曲面が、中央では水平であり、かつ中心から遠ざかるに従って勾配が大きくなる曲面である（１）項又は（２）項記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法、
（４）前記各有機物成分をその後固化させる（１）〜（３）のいずれか１項記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法、及び、
（５）前記固化が、有機物混合体中の有機物成分の最低の融点以下まで冷却することにより行われる（４）項記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法
を提供するものである。

本発明の分離、精製方法によって、室温で固体の各種有機物を、容易に分離、精製することが出来る。極めて限定された、温和な条件でしか、過熱、冷却を行わず、強力な磁気力を用いる以外には、普遍的に存在する重力、及び、安定な容器表面との界面張力を用いるのみで、物質本来の性質をなんら損なうことなく、不安定な物質をも容易に分離することが可能である。

本発明において、有機物の分離、精製は磁気力により行われる。そのための磁場の発生源としては、それに限定されるものではないが、超伝導磁石によるものが好ましく、なかでもヘリウムフリーの超伝導マグネットを用いることが、操作性及びコストなどの面に優れ特に好ましい。ヘリウムフリーの超伝導マグネットとしては市販のものをそのまま用いることができる。また、本発明において、磁場の強さは、１〜10テスラ程度が好ましく、５〜１０テスラがさらに好ましい。
例えば、典型的な市販の10テスラの超伝導マグネットの場合、磁場中心から100mm離れた地点で、磁気力が最大となるので、その場所に、分離したい混合物を置く。例えば、融点が室温以上、100℃以下の有機化合物の混合体を分離する場合には、循環水で温度制御した銅製の試料台に載せた容器に混合体を入れ、融点以上の温度で完全に融解したことを確認した後、超伝導マグネットの磁気力が最大となる場所に混合物を置き、磁気分離することができる。

本発明において有機物混合体を温度制御により融解させる方法は、特に限定されるものではなく、従来用いられている加熱方法を用いることができる。

本発明においては、有機物混合体は、滑らかな曲面上で融解、磁気分離、及び、固化されるものである。滑らかな曲面を有する容器としては、例えば、滑らかな凹面をしており、中央では水平であるが、中心から遠ざかるに従って勾配が大きくなるような容器が挙げられ、最も簡単には、一定の曲率半径を持った球面をした試料皿などが挙げられる。
滑らかな曲面を構成する物質としては、それに限定されるものではないが、比較的入手しやすい物質としては、例えば、ガラス（ＧＬ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ナイロン（親水性ポリマー、Ｎｙ）、セロファン（親水性ポリマー、Ｃｅｌｌ）、ポリカーボネートなどが挙げられる。これらの物質からなる滑らかな曲面を、分離、精製される有機物に合わせ、適宜選択することができる。

混合物の入った滑らかな曲面の容器を設置後、磁場を発生させ、これを磁気力として作用させることにより、融解された液体状の混合物は、磁気力によって滑らかな曲面の容器中を移動し、容器と分離する物質との間に働く界面張力、物質固有の常磁性もしくは反磁性の大きさに基づく磁気力の大きさ、容器の曲面の勾配にしたがって決まる重力による容器中心に引き戻される力、の３者の釣り合いの位置で、液体のまま停止する。このとき、それぞれの物質の釣り合いの位置は、各物質によって異なるので、液体のまま、各成分に分離される。
その後、容器を、混合物のうちで低いほうの物質の融点以下まで冷却することによって、分離された各成分は、それぞれの位置で凝固して固化し、室温で、容易に、磁場中より取り出し、精製することが出来る。このとき、実際には、滑らかな曲面上で、融点よりもはるかに低温まで、各物質は凝固することなく、液体のまま保たれるので（過冷却）、融点よりもはるかに低温まで冷却することが必要である。本発明において、有機物を固化させるための冷却方法は特に限定されるものではなく、従来用いられている冷却方法を用いることができる。

次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。なお、例中、組成を示す％は質量％を示す。
実施例１
水循環式温度制御装置と、耐熱ホースで連結した温度制御容器を試作した。温度制御容器は、外壁が直径98mm、長さ200mmのポリ塩化ビニルで作られた円筒型容器で、その中に、発泡ポリスチロールの断熱材で保護された銅製の水循環用パイプ及び試料台が組み込まれている。銅製試料台１の部分（平面図（Ａ）側面図（Ｂ）及び断面図（Ｃ））を図１に示す。なお、図１中に記載された数値の単位はｍｍである。
この銅製試料台１の凹部１ａの上に、図２に示す試料皿２を載せた。図２の（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。試料皿２は、外側の曲率半径76.3mm、曲面部分の直径65mm、厚さ0.125mmのポリエチレンテレフタレート製で、一定曲率の滑らかな凹面をしている。この試料皿２は、別途作成したステンレス製の型を用いて電気炉中でポリエチレンテレフタレートフィルムを加熱、融解、冷却して作成したものである。試料皿を、試料台１に密着するようにプラスチック製のねじ４個で固定し水平に保った。
次に、試料皿の中央にベンゾフェノンの結晶100mg及びｎ−ドコサンの結晶100mgを載せ、温度制御装置を作動させて、試料台を70℃一定に保った。ベンゾフェノンとｎ−ドコサンは完全に融解し、互いに混合して、均一な溶液となった。試料部分を銅製のふた、更に断熱材及びポリ塩化ビニルのふたで覆い、円筒型容器全体を、水平に保ったまま、水平方向に固定されたヘリウムフリー超伝導マグネットのボア中に挿入した。このとき、まだ、超伝導磁石は作動しておらず、磁場は発生していない。
ヘリウムフリー超伝導マグネットのボアは内径100mmであり、円筒型容器は丁度その中に入るように設計されている。磁場の中心より100mm手前に試料皿の中心が位置し、そこに試料が来るように試料容器の位置を固定した。この位置で、磁場の強さと磁場勾配の大きさの積の値で決められる磁気力が最大となる。
ボア中で70℃に保ったまま磁場の上昇を開始し、45分後に図１に示す磁場中心が10.0テスラに達した後は、そのまま一定に保った。温度は、その後、分速0.5℃で０℃まで下げ、３時間一定に保った後、25℃まで昇温した。その後、ボア中より円筒型容器を取り出し、試料を取り出すと、肉眼でみて試料皿の中央に近い側（磁場中心と皿の中心を結ぶ線の延長線で、皿の中心から１５ｍｍ離れたところ）と、試料皿の外周に近い側（磁場中心と皿の中心を結ぶ線の延長線で、皿の中心から２６ｍｍ離れたところ）の２つの部分に分かれて、明らかに異なる種類の結晶が付着していた。それぞれの部分の結晶を示差走査熱量計を用いて分析したところ、試料皿の中央に近い側の結晶には、ベンゾフェノン74％及びｎ−ドコサン26％が、試料皿の外周に近い側の結晶には、ベンゾフェノン５％及びｎ−ドコサン95％が、それぞれ含まれていた。この結果は以下のことを示している。

即ち、ベンゾフェノン、ｎ−ドコサン共に、融解状態では完全に混合しているが、それにもかかわらず大きさの相違する磁気力を受ける。磁気力の作用で、重力に逆らって、それぞれ滑らかな斜面を遡るが、磁気力の作用（磁気力で押される力）は、ベンゾフェノンよりもｎ−ドコサンに対するのほうが大きいので、ｎ−ドコサンのほうがより急勾配のところまで到達する。その結果、両者共に液体であるにも関わらず、分離した状態でそれぞれの斜面に留まる。その後、温度低下によって最初にｎ−ドコサンが、次いでベンゾフェノンも結晶化し、ポリエチレンテレフタレート膜の表面に付着したものである。表面付着力は両者共に強いので、磁場の外に室温で取り出した後も、分離した状態がそのまま保たれていたものである。

この試験における磁場の強さ、磁場勾配、磁気力の指標（＝磁場の強さ×磁場勾配）のそれぞれの値を、磁場中心（磁場の強さが最大のところ）を距離０として図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す。
図３（Ａ）は、磁場の強さＨｘ（Ｔ）と磁場中心からの距離との関係を示す。同図から磁場の強さについては、磁場中心（距離０）のとき１０．０テスラの中心から離れるにつれて磁場は弱くなることがわかる。
図３（Ｂ）は、磁場の強さ図３（Ａ）の接線の勾配と磁場中心からの距離との関係を示したグラフである。磁場中心から１００ｍｍを越えたところで極小値を示すことがわかる。
図３（Ｃ）は、磁気力の指標を示す。同図が示すように、磁気力の指標である（磁場の強さ）×（磁場勾配）の値は、磁場中心（磁場の強さが最大の地点）から１００ｍｍ離れたところで最大値をとる。従って、この場合（この磁石を用い、１０．０テスラの磁場にしたとき）、１００ｍｍの地点で磁気力が最大となり、最も大きな力で曲面を登ることができる。

実施例２〜５
実施例１と同様にして各100mgずつのベンゾフェノン及びｎ−ドコサンを用い、試料皿を厚さ0.125mmのポリエチレンテレフタレートから、厚さ0.200mmのポリテレラフルオロエチレン（実施例２）、厚さ0.300mmのナイロン66（実施例３）、厚さ２mmのガラス（実施例４）、厚さ0.5mmのポリ塩化ビニル（実施例５）に変えて、それぞれ同様の実験を試みたところ、ほぼ同様の結果を得た。但し、ポリ塩化ビニルを用いた場合には、分離効率は他の場合と同様に良好であったが、皿が若干変形した。これは恐らく、ポリ塩化ビニル膜中に含まれる可塑剤が溶出してきてベンゾフェノンと反応したためと考えられた。

実施例６〜７
実施例１と同様にして各100mgずつのベンゾフェノンを用いる一方、ｎ−ドコサンを各100mgのｎ−オクタデカン（実施例６）もしくはｎ−トリアコンタン（n-C₃₀H₆₂）（実施例７）に変え、試料皿を厚さ0.2mmのポリテトラフルオロエチレンに変えて、実施例１と同様の実験を行い、ほぼ同様の磁気分離の結果を得た。

実施例１において用いた試料台を示し（Ａ）平面図（上左図）、（Ｂ）は側面図（上右図、なお、Ａ−Ａ断面を一点鎖線で示す）、及び（Ｃ）Ｂ−Ｂ断面図（下図）である。図中の×印は磁場中心を示し、磁場中心から１００ｍｍは離れた位置に分離すべき混合有機物をおく。 実施例１において用いた試料皿の（Ａ）は平面図（上図）及び（Ｂ）は断面図（下図）である。 実施例１で用いた装置の（Ａ）は磁場の強さと磁場中心からの距離の関係を示すグラフ、（Ｂ）は磁場勾配と磁場中心からの距離の関係を示すグラフ、（Ｃ）は、磁気力の指標である（磁場の強さ）×（磁場勾配）と磁場中心からの距離との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 試料台
２ 試料皿

Claims (5)

1. 融解した有機物混合体に、滑らかな曲面上で磁場勾配下、磁気力をかけることにより、水平方向に受ける磁気力と鉛直方向にかかる重力との合力が釣り合う地点が各有機物成分によって異なることを用いて前記有機物混合体中の各有機物成分を分離して液体のまま上記曲面上に停止させることを特徴とする有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法。
2. 前記融解した有機物混合体を、磁場の強さと磁場勾配の大きさの積で決められる磁気力が最大の位置に置く請求項１記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法。
3. 前記滑らかな曲面が、中央では水平であり、かつ中心から遠ざかるに従って勾配が大きくなる曲面である請求項１又は２記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法。
4. 前記各有機物成分をその後固化させる請求項１〜３のいずれか１項記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法。
5. 前記固化が、有機物混合体中の有機物成分の最低の融点以下まで冷却することにより行われる請求項４記載の有機物混合体中の各有機物成分の分離、精製方法。
   

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