超音波の化学工業での応用？

装置の現場には超音波流量計が数台しかなく、確かに研究されたことはありません。

電気脱塩 超音波乳化破壊 加熱器超音波オンラインスケール除去

私の知る限り、現在化学工業における超音波の利用はほとんどが実験室段階にあり、実際に多く使われているのは流量計や配管検査です

塔底吸収液の脱着時に役立つ。溶解するときも、この補助があります。。。

パイプラインの施工後に行う超音波検査しか知らなかったが、もっと高度なのは、今では記録可能な超音波検査装置があることだ。

私たちは超音波を使って配管の欠陥検出を行いました

超音波は物質移動、熱伝達、化学反応などの分野でその効果が認められており、世界中で研究が盛んに行われている。特にアメリカ、イギリス、フランスなどの国々で、また超音波出力装置の開発と普及に伴い、日本やロシアなどの国々でも産業化の面で一定の進展が見られている。我が国の科学技術の発展は、新興の学際分野である音響化学へと進化しました。その発展は、研究者たちが理論面および応用面で多大な努力を払ったことによるものです。 いわゆる超音波とは、一般的に周波数範囲が20kHz～10MHzの音波を指し、化学分野におけるその応用の動機は主に超音波キャビテーションに由来する。強烈な衝撃波と100m/sを超える速度の微小噴流により、衝撃波と微小噴流の高勾配せん断が水溶液中でヒドロキシラジカルを生成し、それに伴って生じる物理化学的効果は主に機械的効果である。これら4つの効果は独立しているのではなく、互いに作用し合い、相乗的に反応の進行を加速させる。 本稿では、近年の化学工業分野における超音波の主な応用状況を概説し、工学分野における超音波技術の研究と普及促進を図るものである。 *1 清掃* 超音波洗浄は超音波の主な応用の一つであり、他の洗浄法と比べて効率が高く品質も良い。複雑な部品や深穴、ブラインドホール、狭い隙間にある汚れも洗浄でき、洗浄の自動化も容易に実現できるという特徴がある。現在、超音波洗浄機の製造企業は、1990年代初頭の数社から現在では数百社にまで増加している。我が国の国民経済がさらに発展するにつれて、それは間違いなく多くの工業、医療、環境保護などの分野において欠かせない技術手段となるでしょう。 超音波洗浄機の動作周波数は、洗浄対象に応じて大まかに3つの周波数帯に分けられます：低周波超音波洗浄。低周波超音波洗浄は、大型部品の表面や、汚れと洗浄対象物の表面の結合強度が高い場合に適しています。周波数が低いほどキャビテーション強度が高くなり、洗浄対象物の表面が腐食しやすくなるため、表面の平滑度が高い部品の洗浄には適していません。また、キャビテーションによる騒音も大きくなります。40kHz前後の周波数では、同じ音圧のもとで20kHzの場合よりもキャビテーションバブルの数が多くなり、貫通力は強いがキャビテーション強度は低い。そのため、表面形状が複雑な部品やブラインドホールのある部品の洗浄、また汚れと洗浄対象物の表面との結合力が弱い部品の洗浄に適しており、さらにキャビテーション騒音も小さい。高周波超音波洗浄は、ディスク、ドライブ、リード/ライトヘッド、液晶ガラス、フラットパネルディスプレイ、マイクロコンポーネント、研磨済み金属部品など、マイクロエレクトロニクス部品の精密な洗浄に適しています。これらの洗浄対象は、洗浄過程でキャビテーション腐食を受けないこと、そしてマイクロメートル級の汚れを除去できることが求められる。メガヘルツ超音波洗浄は、集積回路チップ、シリコンウェーハ、薄膜などの洗浄に適しており、マイクロメートルやサブマイクロメートル級の汚れを除去しつつ、洗浄対象に何の損傷も与えないことが求められます。このときキャビテーションは発生しないため、その洗浄メカニズムは主に音圧勾配、粒子速度、および音速流の作用によるものである。特徴は洗浄方向性が強く、洗浄対象物は一般的に音波ビームと平行な方向に置かれる。洗浄媒体によって分類すると、通常の洗浄と気相超音波洗浄に分けられます。通常の洗浄とは、大量に蒸発しない一般的な洗浄溶剤、例えば水、水系洗剤、洗浄用の石油製品などを使用することを指します。超音波と組み合わせてよく用いられる洗浄手法には、高温浸漬、バブリング、スプレーなどがある；乾燥方法としては、一般的に熱風乾燥や遠心乾燥などが用いられます。気相洗浄では、一般的にフロン、トリクロロエチレン、トリクロロエタンなどの揮発性の高い洗浄溶剤が使用されます。これらは油汚れを除去する能力が非常に高いですが、沸点が低いため、使用時には通常凝縮回収システムが設置されます。超音波と組み合わせてよく用いられる洗浄方法には、熱浸漬、スプレー洗浄、蒸気浴洗浄などがある；乾燥方法としては、一般的に凍結乾燥が用いられる。 *2 萃出* 超音波強化溶媒抽出は主に液体のキャビテーション作用に依存しているため、超音波出力、周波数、作用時間、抽出体系の性質など、キャビテーション効果に影響を与えるあらゆるパラメータが抽出効果に影響を及ぼすことになる。超音波を抽出過程に応用すると、固液抽出や液液抽出が可能となり、熱処理、機械的撹拌、圧力変化といった従来の方法よりも、抽出分離における物質移動速度や効果を全体的に向上させ、強化することができる。超音波抽出は、通常の流体による物質の抽出過程を強化するだけでなく、超臨界状態における物質の抽出過程も強化し、収率を向上させることができる。化学プロセスにおいて超音波を利用した抽出法が適用される例としては、ベンゼンなど8種類の溶剤を用いてオイルシェール中のアスファルテンを抽出する際、50kHz、400Wの音場下での抽出速度がソックスレー法の24倍に相当することが挙げられる； ナトリウムヒドロキシドと塩化アンモニウムの混合溶液で亜鉛含有量17.3％の亜鉛鉱石サンプルを浸出する際、22kHz、100Wの超音波を用いることで**浸出速度を向上させることができる； 周波数20kHz、出力100Wおよび600Wの音場照射により、正ヘキサンで抽出した粉末状の除虫菊からのピレスロイドの抽出速度が向上する； その際、真空昇華法には比類のない抽出速度がある； 18.5kHz、250Wの高強度大型単頭挿入型超音波場は、シアン化法による金の浸出速度を向上させることができる； 20kHzの超音波を用いたレンギョウ総アルカロイドの抽出では、通常の還流法よりも高い収率が得られ、かつ抽出時間も短縮された。逆流法で抽出した場合、2時間後の抽出率は0.176％であったが、超音波法で40分間抽出した場合の抽出率は0.248％に達した； 20kHz、47Wの超音波を照射し、機械的にかき混ぜることで、Niの抽出速度は4～7倍に向上する。 現在、超音波抽出技術は一部の業界において少量のサンプルの抽出に利用されているが、大量生産での応用はまだ少ない。それに伴い、超音波抽出装置も未熟な状態にあり、装置の開発や工程パラメータの最適化をさらに進める必要がある。 *3結晶、粉砕*超音波は、過飽和溶液の固体溶質を迅速かつ緩やかに沈殿させるとともに、結晶成長を促進することができる。溶液結晶は、有機溶媒に溶ける物質と無機塩類の分離・精製において非常に重要な役割を果たします。溶質を固体状態で溶液から分離するだけでなく、異なる結晶は異なる格子構造を持つため、結晶性物質の精製にも利用できます。他の刺激起晶法や投種起晶法と比較して、超音波核生成法では必要な過飽和度が低く、成長速度が速く、得られる結晶核はより均一で完全かつ滑らかであり、結晶核および完成品結晶のサイズ分布範囲も狭く、変動係数も低い。しかし、超音波キャビテーションバブルの崩壊によって生じるマイクロジェットは結晶表面に侵食作用を及ぼし、その強度が過大になると結晶を破壊し、結晶成長を妨げる。王伟寧らは、周波数33kHz、出力250Wの超音波を水酸化マグネシウム塩の結晶化過程に導入し、過飽和溶液の誘導期間を短縮させた。その結果、結晶化にかかる時間は12時間から4時間になった。また、超音波の周波数が高くなるほど核生成速度は速くなり、誘導期間も短くなり、結晶化が完了するまでの時間も短くなる。この研究を基に、超音波結晶誘導装置がすでに産業界で実用化されている。溶融金属を固化中に超音波処理することで、結晶粒を微細化し、伸び率や機械的強度などの物理的特性を向上させることができる。炭素鋼の超音波処理により、結晶粒サイズが200μmから25～30μmに減少し、延性が30％～40％向上し、機械的強度も20％～30％高まることが示された。製薬業界では、微細で均一な粒子を得るために、経口または皮下注射用の懸濁剤製剤の製造に超音波結晶化が用いられている。その他にも、超音波を用いて硝酸カリウム、アセトアミド、ケイ酸カリウムナトリウムなどの溶液の結晶化を促進する例がある。工業生産において、超音波を用いた結晶化や沈殿の大きな利点は、生成した沈殿物が冷却管に付着しないため、システムの冷却速度が均一に保たれることです。超音波によるスケール防止・除去技術は、熱交換装置の構造や工程条件を変更する必要がなく、化学薬品を添加する必要もないため、最も優れたグリーンなスケール防止技術の一つです。超音波の振動が金属部品を通じてチューブバンドに伝わり、チューブバンド上のスケールを絶えず剥がし落とすことで、スケールが付着する速度を遅らせます。同時に、超音波によって一部の硬質塩が溶液中で結晶化し、ゼリー状の沈殿物が形成されます。この技術は、山西南風集団などの企業ですでに良好に活用されている。 *4 乳化、破乳* * *現在、超音波乳化の理論としては主に3つあり、キャビテーション、表面不安定、そして超音波の作用によって引き起こされる微小な流れである。超音波乳化法は、一般的な乳化工程や装置に比べて乳化品質が高く、生成されるエマルションの平均液滴サイズは小さく、0.2～2μmとなります。また、液滴サイズの分布範囲も狭く、0.1～10μm、あるいはそれよりも狭くなります。濃度も高く、純粋なエマルションの濃度は30％に達し、添加される乳化剤の濃度は70％にもなります。 乳化剤を使わない、または少なくしても安定したエマルションを作ることができ、中には数ヶ月から半年以上安定するものもあり、消費エネルギーが少なく、生産効率が高く、コストも低い。 あらゆるタイプのエマルションを製造できるが、機械的な乳化法ではこれは不可能であり、乳酸のタイプを制御できるのは乳化剤の性質のみである。例えば、トルエンを水に乳化させると、低音圧の条件下ではある種のエマルションが形成され、高音圧の条件下では別の種類のエマルションが形成される可能性がある。 エマルジョンを製造するのに必要な動力は少ない。例えば、4.55m3/h、液滴サイズ1μmのエマルションを製造する場合、リードホーンを使用すれば作業圧力が10.5～14.1kg/cm2のときには5～7馬力の駆動動力で済むが、高圧ホモジナイザーを使用し作業圧力を70.3～351.6kg/cm2にすると、40～50馬力の駆動動力が必要となる。超音波乳化法を用いると、通常の方法では全く得られないエマルションも製造できる。例えば、通常の撹拌では水に5％のパラフィンが含まれるエマルションしか得られないが、音場中では20％のパラフィンを含むエマルションを得ることができる。燃料への水の混入による超音波乳化燃焼は、国内で既に長年にわたり普及している。このプロセスでは乳化剤を添加する必要がなく、乳化油中の水滴の粒径は約1μmであり、エネルギー消費を6％～25％削減し、煙塵を40％～90％低減し、NOxを20％～75％減少させる効果が得られ、省油かつ環境に優しい。灯油系混合燃料に少量の水を加えて超音波乳化して混合することで、炭素含有量が40％以上の安定した灯油懸濁液を製造でき、保管や輸送が容易であり、顕著な効果が得られる。一方、低出力かつ一定の周波数では、超音波によってエマルションが破乳する。アメリカのTeksonic社は、超音波を利用して油水エマルジョンを破乳処理する、効率的かつ経済的なプロセスを開発し、良好な結果を得ました。さらに、同社は超音波技術を三相不均一系の分離にも応用しており、処理が困難な油・水・固体からなるエマルジョンを破壊して分離させている。 *5 化学反応 超音波は化学反応*に作用し、主に超音波キャビテーション現象を利用する。キャビテーション泡の崩壊によって局所的な高温・高圧が生じ、強烈な衝撃波やジェットが発生する。これにより、通常の条件下では実現が困難または不可能な化学反応を可能にする、非常に特異な物理化学的環境が創出される。これは、音響学と化学が交差する新興の学問分野である。多数の実験により、超音波は粉末状の固体粒子が関与する反応、乳化反応、均一系反応を含む、さまざまな反応に広く応用できることが証明されている。 ポリマー化学の分野では、重合反応や高分子分解反応などがあります。 電気化学の面では、超音波を直接めっき槽に導入することで、キャビテーション作用により析出速度が向上し、電流密度が高まる。 それは磁気角スピンMAS技術よりも便利で実用的です。例えば、20kHzの超音波を用いて四塩化炭素中に懸濁したアルミニウム硫酸塩のAl四極子共鳴スペクトルの半値幅は170Hzであるのに対し、MAS技術を用いて得られた同じスペクトル線の半値幅は660Hzであった。ガスクロマトグラフィーにおいて、超音波脱気を用いて固定相の塗布均一性を向上させることは、既に標準的な操作となっている。超音波化学反応に影響を与えるパラメータは多く、主に動作周波数、強度、出力、照射時間、波形、反応媒体の温度、大気圧などがある。例えば、合成化学においては超音波の周波数は一般的に数十kHzが選ばれ、重合化学では1MHz未満が一般的ですが、音圧は通常5W/cm²以上です。*6 採油* 油井の採掘過程において、様々な理由で油井内に詰まり物が生じることがあり、これによって原油が井筒内に流れ込むのを妨げ、原油の浸透率が低下し、油井の後期の生産量や油田の回収率に影響を与えます。音波処理によって油井や注入井、および井戸周辺の油層を処理し、油層内の流体の物性や流動状態を変化させることで、井底付近の油層の流動条件や透過性を向上させ、詰まりの解消やスケールの防止・除去、ワックスの防止を図り、採油量を増加させつつ原油の粘度を低下させる。 超音波による石油採取の原理は、高出力の超音波が油層に入ると、超音波の作用によって油層内の毛細管の直径が大きくなったり小さくなったりすることです。毛細管の直径が変化すると、その表面張力や毛細管力も変化する。毛細管の半径が大きくなると、表面張力は半径の2乗に反比例して減少し、毛細管力は半径の3乗に反比例して減少する。これにより、元々毛細管力と重力の間にあった平衡関係が崩れ、毛細管内に閉じ込められていた残留油は、力の平衡関係が崩れたため、重力と超音波の振動の作用によって井戸の中に流れ出る。さらに、高出力の超音波の作用により、油層は割れて亀裂が生じ、原油の浸透率が向上する。超音波採油の適用範囲は主に、掘削時に泥水に長時間浸され、油井が深刻な汚染を受ける油井です； 油層の閉塞が深刻で、水や酸に敏感な油井； 油水境界に近く、フラクチャリングによる生産向上措置を講じることができない油井； 油層の物性は良く、厚さも大きいが、産油能力が低い油井； 重油井、ワックス付着井； 塩分やスケール、または機械的な不純物による汚染で透過率が急激に低下した油井。 1960年代、アメリカの科学者たちが最初に超音波を用いた油田の生産性向上に関する研究を行い、オクラホマ州ワシントン郡の油田で超音波による石油採取の実証試験を実施し、一定の成果を上げました。その後、旧ソ連は超音波採油技術の研究と応用において多大な努力を払い、常に世界の最先端を走ってきました。我が国の科学技術者たちは、油田の地下で使用可能な高出力の超音波採油機を開発し、玉門や大慶といった油田で超音波技術を用いた採油試験を行った。その結果、油田の油層の物性が顕著に改善され、流動係数、流度比、比層係数、透過率などが大幅に向上し、かなり理想的な効果が得られた。超音波を用いて油井や油層を処理することで、原油の生産量を40％～50％向上させ、回収率を10％以上高めることができる。成功率は80％に達し、増産効果は半年以上続く。超音波採油装置は多くが車載型で、作業が比較的柔軟かつ便利です。地上に設置された超音波発生器が数万Hzの電気信号を生成し、ケーブルを通じて井戸内の油層部分にある超音波トランスデューサーへ送信される。超音波トランスデューサーはその電気信号を音波信号に変換し、その音波信号は井戸内の原油を介して油層内へ伝わっていく。超音波による石油採取の主な利点は、作用が迅速で、増産効果が顕著であることです； 油井を汚染することはなく、油層も損傷しません； 設備費用は比較的低く、施工工程も簡単で、コストが安く、効率が高い； 他の増産手法と組み合わせて使用でき、利点が相互に補完される； 適用範囲が広い。現在、超音波発生器の電力は数百キロワットに達しており、超音波トランスデューサーの形状は一般的に円筒形で、長さは約1～2m、半径は数十ミリメートル程度です。超音波採油技術は、プロセス技術面でも装置の研究面でも、すでに成熟しつつある。この技術は広い発展の見通しを持ち、油田の後期の増産において重要な役割を果たすことでしょう。 *7 その他の応用* 超音波は、化学工業分野の多くの場面でも利用される。膜分離に応用すると、物質移動が顕著に促進され、濃度勾配による極化が解消されるため、膜分離の分離効率を向上させることができる；汚水処理に応用することで、その中の有機物を効果的に分離し、廃水中の有害物質を分解することができる；発酵過程において、超音波は細胞内の酵素を迅速に細胞外に放出させることができ、それによって発酵液全体の酵素活性を大幅に高め、結果として基質の転換率も向上する；感熱性物質の乾燥には、温度を上げることなく固体から水分を除去でき、乾燥速度を速め、固体内の残留水分量を減少させることができる；マイクロバブルの製造や溶接などに使用されます。 *8 結論* 現在、超音波は化学工業分野においてまだ初期段階にあり、さまざまな応用の発展は均一ではない。例えば超音波洗浄などはその規模がますます拡大している一方で、超音波加工や超音波抽出といった他の高出力超音波技術は数十年間ほとんど変化がなく、多くの作用原理についてはさらなる探求と整理が必要である。新しい超音波技術の実験段階では投資やリスクが大きくなる可能性があるため、異なる分野での応用には関連企業が共同で開発研究に取り組む必要があり、さらには**的な投資と支援も求められます。そうすることでのみ、効率的で省エネルギーな超音波技術やソリューションを迅速に実際のプロジェクトに導入し、産業化を加速させることができるのです。超音波の導入により化学工業分野に新たな活気がもたらされ、通常の方法では得られない多くの効果が生まれている。装置も簡単で二次汚染もないため、その発展の見通しは非常に有望である。

化学工業界では、超音波装置や機器が多く使用されており、例えば超音波流量計、超音波探傷器、超音波による防汚・除垢、さらには研究室での超音波洗浄器などがあります~~

この投稿は、2015年9月8日17時04分に范工によって最終的に編集されました。実験室用の超音波洗浄装置や、液相クロマトグラフィーにおける超音波を利用した溶解ガスの除去などがあります。機械業界では超音波洗浄や超音波による油分除去などが行われており、石油化学業界では超音波を利用して原油の乳化を解消することもできます

洗浄業界でよく使用され、ほとんどの洗浄槽には超音波機能が搭載されています。また、以前研究室で重合を行う際に超音波乳化を使ったことがありますが、撹拌乳化よりも効果がずっと良かったです。現在、工業的に実用化されているかどうかはわかりません。