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マイクロ波化学プロセス技術II

  • Microwave-assisted Chemical Process Technology Ⅱ
★前書から6年、産業利用に向け大きな進展を遂げたマイクロ波化学技術!
★化学品・材料製造プロセスのグリーン化・省エネルギー化ほか、幅広い応用が期待!
★2006年以降の進展状況を中心にまとめた一冊!

商品コード: T0886

  • 監修: 竹内和彦、和田雄二
  • 発行日: 2013年1月発行
  • 価格(税込): 75,600 円
  • 体裁: B5判、300ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0706-0

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  • 加熱 / 非熱的効果 / 周波数効果 / 特殊効果 / スケールアップ / 省エネルギー / 反応促進 / シミュレーション / 可視化技術 / 測定 / 装置 / 有機合成 / 高分子合成 / 無機合成 / 金属合成 / プラズマ化学 / バイオマス / 環境浄化 / メタマテリアル

刊行にあたって

 マイクロ波はcmスケールの波長の電磁波で、通信やレーダーに広く用いられる。また、加熱用として、食品分野(食品の乾燥・解凍・調理、殺菌・妨黴等)、セラミックス工業(粉体や成型体の乾燥・焼結等)、ゴム工業(ゴム加硫、粘着テープの予備加熱等)、木材工業(乾燥、曲げ加工、木材接着等)、医療用途(癌治療、加温療法、マイクロ波メス、医療廃棄物処理装置等)、化学分析分野(試料前処理)、製鉄所での不定形耐火物の乾燥などの分野で既に産業用装置として実用化されている。
 化学分野では、1960年代末以降、ビニルモノマーの重合(Dow Chemical、1969)やグアニジン合成(American Cyanamid、1980)、木質バイオマスの分解(東ら、1983)などについて先駆的な研究が行われてきたが、1986年のGedyeおよびGiruereらのグループによる有機合成への応用の報告を機に多数の研究者の興味を引き、多くの論文や特許が発表、出願されてきた。また、金属精錬や無機材料の合成などの分野でも、近年、単なる誘導加熱に留まらない新しい加熱原理による材料製造の手法がいくつも発見され、基礎研究で大きな進展をみている。
 一方、化学産業でのマイクロ波の応用については、青酸や塩素化メタンの製造、ゼオライトの合成等に一部利用されたものの、実用化技術としては開発はなかなか進展しなかったが、近年、マイクロ波発振器の性能向上やアプリケータの設計技術の向上などもあり、有機合成や高分子合成、バイオ燃料、ナノ粒子製造などの分野で実用化する事例がいくつも報告されてきた。
また、マイクロ波加熱の原理についても、単なる誘導加熱で理解が困難なケースが多見され「非熱的効果」として棚上げされてきた現象について、最近、分光学的あるいは実験の高精度化による研究や再見直しが行われ、加熱原理の解明も進んできている。
 本書は2006年にシーエムシー出版から発刊された「マイクロ波化学プロセス技術」(普及版「マイクロ波の化学プロセスへの応用」(2011年))に続くもので、主に2006年以降のマイクロ波化学技術の進展状況を中心に編集した。加熱原理や理論、物性評価、加熱装置などの進歩に加え、有機・高分子合成、無機・金属合成、プラズマ化学、環境・エネルギー分野の進展について、斯界で活躍されておられる研究者の方々に執筆をお願いした。
 昨年の震災以来、我が国のエネルギー体系の大きな見直しが行われ、また我が国の産業の空洞化が懸念されるなかで、化学品や金属製品の製造プロセスをグリーン化し、大きな省エネ効果をもたらすマイクロ波技術は、我が国の産業復活にも大いに役立つものと期待している。
 本書の出版を機に、より多数の研究者がマイクロ波化学の研究に興味を持っていただき、基礎化学の進展や新しい製造装置の開発の一助となれば、監修者として大きな喜びとするところである。
 最後に、貴重な時間を割いて膨大な文献を調査、整理し、原稿の作成にあたっていただいた執筆者各位に対し深甚なる感謝の意を表するとともに、本書の出版に際して多大なご援助をいただいたシーエムシー出版の渡邊翔氏に心からお礼申し上げたい。

2012年12月
竹内和彦、和田雄二

著者一覧

竹内和彦  (独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 主任研究員
和田雄二  東京工業大学 大学院理工学研究科 応用化学専攻 教授
堀越智   上智大学 理工学部 物質生命理工学科 准教授
長畑律子  (独)産業技術総合研究所 ナノシステム研究部門 主任研究員
河野巧   新日鉄住金化学(株) 新事業開発本部 開発推進部 グループリーダー,主幹研究員
佐藤啓   上野ゼミナール 代表取締役
田中基彦  中部大学 工学部 共通教育科 教授
滝沢力   (株)エスイー 新製品開発部 担当部長
二川佳央  国士舘大学 大学院工学研究科 教授
福島英沖  (株)豊田中央研究所 無機材料研究室
近藤勇太  (株)デンソー 材料技術部
佐野三郎  (独)産業技術総合研究所 サステナブルマテリアル研究部門 環境セラミックス研究グループ 主任研究員
吉田睦   富士電波工機(株) 第一機器部 取締役,第一機器部部長
西岡将輝  (独)産業技術総合研究所 コンパクト化学システム研究センター 主任研究員
小島秀子  愛媛大学 大学院理工学研究科 教授
安田誠   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 准教授
馬場章夫  大阪大学 理事,副学長;同大学 大学院工学研究科 教授
中村考志  (独)産業技術総合研究所 コンパクト化学システム研究センター 研究員
吉村武朗  東京理科大学 理工学部 応用生物科学科 助教
大内将吉  九州工業大学 情報工学部 生命情報工学科 准教授
東順一   大阪大学 大学院工学研究科 応用化学専攻 特任教授
滝澤博胤  東北大学 工学研究科 応用化学専攻 教授
福島潤   東北大学 工学研究科 応用化学専攻 助教
吉川昇   東北大学 大学院環境科学研究科 准教授
森田一樹  東京大学 生産技術研究所 サステイナブル材料国際研究センター センター長,教授
高木泰史  信州大学 大学院総合工学系研究科
太田朝裕  信州大学 大学院総合工学系研究科
清水政宏  信州大学 大学院総合工学系研究科
太田和親  信州大学 大学院総合工学系研究科 教授
辻正治   九州大学 先導物質化学研究所 融合材料部門 教授
永田和宏  東京芸術大学 大学院美術研究科 教授
尾上薫   千葉工業大学 工学部 教授
福岡大輔  千葉工業大学 工学部 博士研究員
成島隆   (株)菅製作所 SED部 研究員
菅育正   (株)菅製作所 社長
米澤徹   北海道大学 大学院工学研究院 材料科学部門 教授
三谷友彦  京都大学 生存圏研究所 准教授
渡辺隆司  京都大学 生存圏研究所 教授
吉野巌   マイクロ波化学(株) 代表取締役社長
塚原保徳  大阪大学 大学院工学研究科 特任准教授;マイクロ波化学(株) 取締役 CSO
池永和敏  崇城大学 工学部 ナノサイエンス学科 准教授
天野耕治  東京電力(株) 技術開発研究所 主管研究員

目次

【第1編 現状と展望】
第1章 研究・技術開発の現状と将来展望 
1 はじめに
2 文献・情報の動向
3 本書の構成と各項目に対応する分野の進展と変化
4 学会の状況
5 将来展望

第2章 最近のトピックス(周波数効果) 
1 はじめに
2 実験装置
3 化学反応における周波数効果の特徴
3.1 有機溶媒に対する周波数効果
3.2 異なる周波数における溶媒の誘電因子
4 周波数効果を利用したモデル有機合成
4.1 5.8 GHzの有利な反応1:Diels-Alder反応
4.2 5.8 GHzの有利な反応2:イオン液体の合成
4.3 5.8 GHzの有利な反応3:ホットスポットの制御
4.4 915 MHzの有利な反応1:ジェミニ型界面活性剤の合成
4.5 915 MHzの有利な反応2:溶存酸素の脱気効果
5 おわりに

第3章 メタマテリアル(メタケミストリー) 
1 メタマテリアル
2 メタマテリアルの歴史的背景と原理
3 透明マント(クローキング)
4 メタケミストリー(Metachemistry)
5 マイクロ波化学とメタマテリアル
6 メタマテリアルの問題点
7 おわりに

第4章 実用化への道 
1 はじめに
2 論文などの実験再現性がない?
2.1 電子レンジを用いた場合
2.2 マイクロ波合成装置
3 本当に省エネ効果はあるのか?
4 実用プラントへスケールアップできるのか? 実用化例が少なく不安?

第5章 化学企業のマイクロ波化学の開発 
1 はじめに
2 マイクロ波のバルク化学品プロセスへの適用について
2.1 乾燥プロセスの実用化事例
2.2 吸脱着プロセスの開発事例
2.3 固液反応プロセスの開発事例(バイオマスの液化)
2.4 今後の展望について
3 マイクロ波を用いた高付加価値材料の創製(ファインプロセスへの適用)について
3.1 電子材料用のナノ粒子材料の創出
3.2 今後の展望について
4 まとめ

【第2編 理論・物性評価・装置】
第1章 マイクロ波化学における特殊効果 
1 はじめに
2 “マイクロ波特殊効果”
3 確実に観測されるマイクロ波の熱的効果
3.1 無機ナノ粒子合成における迅速加熱・内部加熱・均一加熱
3.2 ナノ粒子系内均一発生の確認
3.3 物質選択加熱によるマルチ元素ハイブリッドナノ粒子精密合成
4 マイクロ波特殊効果としての“非平衡局所加熱現象”
4.1 固体表面上の非平衡局所加熱
5 非平衡局所加熱によるマイクロ波特殊効果
5.1 固液反応で起こる化学反応促進効果
5.2 気固反応で起こる化学反応促進効果
6 電子移動反応に対する促進効果
7 さらに提案されつつある“マイクロ波非熱的効果”

第2章 電磁波理論によるマイクロ波と物質との相互作用―マイクロ波化学反応機構の構築への序章― 
1 はじめに
2 電磁場の基礎理論と振動子モデル
2.1 電磁波
2.2 物質の分極P
2.3 振動子モデル
2.4 誘電体のエネルギー吸収
2.5 物質の磁化
2.6 強磁性体
3 マイクロ波と化学反応
3.1 平衡系から非平衡系へ
4 マイクロ波と物質の内部構造との相互作用
4.1 非熱効果の可能性
5 おわりに
6 補足説明

第3章 マイクロ波による物質加熱の物理機構 
1 マイクロ波による加熱の背景
2 磁性体のマイクロ波加熱の機構
2.1 磁鉄鉱の加熱機構
2.2 加熱の温度依存性
2.3 加熱の周波数依存性
2.4 静磁場への依存性
3 金属粉体のマイクロ波加熱の機構
3.1 最適加熱半径、実効媒質
4 マイクロ波・遠赤外電磁波による水の加熱機構

第4章 シミュレーション・可視化技術 
1 はじめに
2 サーモグラフィー(thermography)
2.1 サーモグラフィーとは
2.2 サーモグラフィーによる観察例
2.2.1 恒温槽加熱
2.2.2 電子レンジ加熱
2.2.3 電子レンジによるヒートウォール加熱
3 シミュレータによる可視化
3.1 シミュレータとは
3.2 シミュレータによる解析例
3.2.1 サーモグラフィーによる観察
3.2.2 シミュレーション
4 感熱ゲル
5 光電界センサー
6 簡易空間可視化センサー
7 まとめ

第5章 誘電特性・透磁特性の測定 
1 はじめに
2 各測定方法の概要
2.1 平行金属板法
2.2 線路法
2.2.1 先端短絡法による誘電率の測定
2.2.2 先端短絡および開放法による誘電率、透磁率の測定
2.2.3 Sパラメータ法
2.3 共振器法
2.3.1 空洞共振器法
2.3.2 誘電体共振器法
2.3.3 ストリップライン共振器法
2.4 自由空間法
3 誘電特性・透磁特性の動的測定
3.1 動的測定方法の概要
3.2 摂動法による測定
3.2.1 摂動法
3.2.2 実験
4 結果
5 まとめ

第6章 マイクロ波帯での各種固体、粉体および液体の複素誘電率、透磁率測定 
1 はじめに
2 測定方法
3 測定結果
3.1 固体の複素誘電率
3.2 粉体の複素誘電率、透磁率
3.3 液体の複素誘電率
4 まとめ

第7章 液相の誘電率測定・周波数効果 
1 はじめに
2 同軸プローブ法
3 低温での水溶液の誘電率測定
4 まとめ

第8章 半導体式マイクロ波電源および反応装置 
1 はじめに
2 半導体式マイクロ波電源
3 半導体式マイクロ波電源の製品例
4 半導体式マイクロ波電源の特徴
5 半導体式マイクロ波電源の大電力化
6 波動と共振器
7 反応容器へのエネルギー効率
8 半導体式マイクロ波電源と反応
9 製品使用例
10 まとめ

第9章 新しいマイクロ波反応装置の設計および各種合成反応などへの応用 
1 はじめに
2 シングルモードの利用について
3 矩形導波管を用いたシングルモードマイクロ波反応器
4 円筒型キャビティによるシングルモードマイクロ波リアクター
5 誘電率変化と共振周波数
6 発振周波数制御による均一マイクロ波制御
7 気相反応への応用
8 液相反応への応用
9 反応場センシング
10 おわりに

【第3編 有機・高分子合成】
第1章 マイクロ波有機合成化学
1 はじめに
2 マイクロ波の非熱的効果
3 水中でのマイクロ波合成
4 ラジカル反応
5 医薬品合成への応用
6 スケールアップ

第2章 マイクロ波有機金属化学 
1 はじめに
2 有機金属試薬の発生
3 有機ケイ素化合物の反応
4 有機ホウ素化合物の反応(鈴木-宮浦カップリング)
5 有機スズ化合物の反応
6 有機亜鉛化合物の反応(根岸カップリング)
7 オレフィンメタセシス
8 縮合型炭素-炭素結合形成反応
9 反応の大スケール化
10 今後の展望

第3章 マイクロ波高分子合成 
1 はじめに
2 ラジカル重合
3 逐次重合
4 その他の応用
5 おわりに

第4章 マイクロ波化学のバイオテクノロジーへの応用 
1 はじめに
2 マイクロ波照射下での酵素反応
3 酵素反応における反応基質、溶媒ならびに蛋白質立体構造とマイクロ波照射の関係
4 マイクロ波化学によるプロテオミクス解析の高速化技術
5 マイクロ波促進遺伝子増幅反応、PCRとRCA
6 マイクロ波照射下での微生物の滅菌と培養
7 微生物の細胞破砕と蛋白質回収技術としてのマイクロ波照射
8 おわりに

第5章 マイクロ波の特殊効果を利用したバイオマスの有効利用 
1 はじめに
2 マイクロ波の特殊効果
3 外部加熱に対するマイクロ波加熱の優位性
3.1 マイクロ波加熱法と水蒸気爆砕法との比較
3.2 マイクロ波加熱法と誘導加熱法との比較
4 マイクロ波吸収材を利用した生物系資源の分解
4.1 活性炭の利用
4.2 イオン成分の利用
5 マイクロ波の特殊効果を期待した生物系資源の分解
6 マイクロ波の迅速加熱の特徴を活かした有用成分の抽出
7 まとめ

【第4編 無機・金属合成】
第1章 非平衡反応場を利用したメゾスコピック組織形成と材料創製 
1 はじめに
2 マイクロ波照射下における化学反応
2.1 選択加熱による非平衡物質拡散
3 マイクロ波照射による物質の形態制御
3.1 マイクロ波照射によるメゾスコピック組織形成
3.2 SnO2-TiO2系
3.3 ZnO-FeOx系
3.4 マイクロ波照射によるアモルファス組織形成
4 おわりに

第2章 マイクロ波加熱利用による環境・材料技術
1 緒言
2 新規マイクロ波加熱プロセスに関する基礎研究
2.1 酸化物の誘電率温度依存性と急速加熱
2.2 電場/磁場分離加熱
2.3 強磁性共鳴(FMR)加熱
3 新規マイクロ波加熱プロセスの応用に関する研究
3.1 製鋼副産物(Cr含有スラグ、ステンレス酸洗スラッジ)からの有価金属の回収
3.2 金属薄膜のマイクロ波磁場加熱による迅速熱処理
4 結論

第3章 製鉄スラグ・耐火物のリサイクル/高付加価値化 
1 はじめに
2 マイクロ波―水熱反応による高炉スラグの改質
3 製鋼スラグの加熱挙動と資源回収
4 MgO系廃棄耐火物の資源化
5 おわりに

第4章 マイクロ波加熱を用いたカーボンナノチューブの合成 
1 序
2 実験
2.1 装置
2.2 合成(一般的な合成法)
2.3 物性測定
3 結果と考察
3.1 反応温度と時間
3.1.1 収率
3.1.2 TEM写真
3.1.3 ラマンスペクトル
3.1.4 X線回折
3.2 最適触媒量
3.3 CNTの大量合成
4 結論

第5章 マイクロ波照射下の結晶成長とナノ粒子合成 
1 はじめに
2 マイクロ波-ポリオール法による金ナノ微結晶の合成
3 マイクロ波加熱による十面体、二十面体金・銀コア・シェルナノ微結晶の合成と成長機構
4 おわりに

第6章 銑鉄の製造
1 現代鉄鋼生産の課題
2 マイクロ波加熱による銑鉄の製造
2.1 電子レンジで鉄を作る
2.2 炭材内装ペレットのマイクロ波加熱
2.3 マルチモード型マイクロ波加熱炉による連続製銑法の開発
2.4 マイクロ波集中型加熱炉による連続製銑法の開発
2.5 マイクロ波製鉄炉の大型化
3 マグネタイトとグラファイトの発熱機構
3.1 マイクロ波帯域における誘電率と透磁率の高温測定
3.2 酸化鉄の複素誘電率および透磁率
3.3 炭材の誘電率

【第5編 マイクロ波プラズマ化学】
第1章 マイクロ波プラズマの応用 
1 はじめに
2 マイクロ波プラズマ反応における3つの反応場の特徴と活用法
3 プラズマ-気相系反応への応用―メタンのスチームリフォーミング―
4 プラズマ-固相系反応への応用
4.1 固相の改質―メタンプラズマを用いた浸炭技術―
4.2 固相触媒の調製―酸化チタン光触媒の調製―
4.3 固相の分解―C-H系プラスチックのケミカルリサイクル―
4.4 気相プラズマ-固相触媒反応―メタンからのエチレンの合成―
5 おわりに

第2章 マイクロ波液中プラズマの応用 
1 はじめに
2 マイクロ波液中プラズマの発生原理
3 マイクロ波液中プラズマを用いた材料の合成
3.1 無機ナノ粒子
3.2 カーボン材料

【第6編 環境・エネルギー】
第1章 バイオマス分解・燃料化 
1 はじめに
2 バイオマス分解におけるマイクロ波の有効性
3 マイクロ波によるバイオマスの熱分解
4 木質バイオマスマイクロ波前処理装置の研究開発
4.1 装置の概要
4.2 被加熱物の誘電率測定
4.3 3次元電磁界シミュレータを用いた装置設計
4.4 プロトタイプ製作および実測評価
5 マイクロ波化学プロセスの量産化に対する方向性

第2章 マイクロ波化学プロセスのスケールアップと事業化 
1 はじめに
2 マイクロ波と固体触媒を用いた革新的反応系構築
3 マイクロ波化学反応装置スケールアップ
4 マイクロ波化学プロセス制御システム
5 マイクロ波化学プロセスを用いた化成品製造
6 バイオディーゼル・事業化への取り組みと課題
7 マイクロ波化学プロセスの展開
7.1 グリーンケミカル(脂肪酸エステル)の合成
7.2 機能性化学品の合成
7.3 油分・有効成分のマイクロ波抽出
8 おわりに

第3章 プラスチックの解重合・リサイクル技術 
1 はじめに
2 廃PETおよび廃FRPの解重合技術の現状
3 マイクロ波を利用する廃PETの化学分解法
4 マイクロ波を利用する廃GFRPの解重合
5 まとめ

第4章 環境汚染物質浄化技術 
1 はじめに
2 マイクロ波を用いた環境汚染物質浄化技術
2.1 土壌浄化への適用
2.2 大気汚染物質浄化
2.3 水処理への適用
3 絶縁油無害化への適用
3.1 PCBの物性と用途
3.2 マイクロ波と触媒の組合せによるPCB無害化処理技術
3.3 装置構成と反応成績
3.4 化学反応式
3.5 反応速度の定式化と応用例
3.6 マイクロ波効果のメカニズム解明
4 まとめ
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