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マイクロ波化学プロセス技術II    
Microwave-assisted Chemical Process Technology U
[コードNo.2013T886]

※ 本書籍はご試読頂けません ※

■監修/ 竹内和彦和田雄二
■体裁/ B5判 300ページ
■発行/ 2013年1月 (株)シーエムシー出版
■定価/ 75,600円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-7813-0706-0

 
★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!

キーワード

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

構成および内容

【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 和田雄二
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) 堀越智
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
4.15.8 GHzの有利な反応1:Diels-Alder反応
4.25.8 GHzの有利な反応2:イオン液体の合成
4.35.8 GHzの有利な反応3:ホットスポットの制御
4.4915 MHzの有利な反応1:ジェミニ型界面活性剤の合成
4.5915 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) 堀越智
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 竹内和彦、長畑律子
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 河野巧
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 和田雄二
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― 佐藤啓、和田雄二
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 田中基彦
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 滝沢力
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 二川佳央
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
2.2.3S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 福島英沖、近藤勇太
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 佐野三郎
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 吉田睦
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 西岡将輝
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 小島秀子
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 安田誠、馬場章夫
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 長畑律子、中村考志、竹内和彦
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 吉村武朗、大内将吉
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 東順一
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 滝澤博胤、福島潤
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
3.2SnO2-TiO2系
3.3ZnO-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 吉川昇
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 森田一樹
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
4MgO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 高木泰史、太田朝裕、清水政宏、太田和親
1
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
3.1.2TEM写真
3.1.3ラマンスペクトル
3.1.4X線回折
3.2最適触媒量
3.3CNT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 辻正治
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 永田和宏
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 尾上薫、福岡大輔
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 成島隆、菅育正、米澤徹
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 三谷友彦、渡辺隆司
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
4.33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 吉野巌、塚原保徳
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 池永和敏
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 天野耕治
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
3.1PCB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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