超音波霧化分離
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超音波霧化分離（ちょうおんぱむかぶんり）とは、超音波を液体に照射することで液体が霧化し[1]分離する現象、またそれにより分離された物質の回収にいたるまでの分離工学としての方法[2][3][4]。蒸留のように全体を加熱し気化（ガス化）して分子間の結合を切るのではなく、加熱せずに微粒子化（ミスト化）し、分子のクラスターレベルで分離する。液体中では同じ物質の分子はクラスター化しやすいことや、物質によりクラスターの大小に隔たりがあることを利用している[5][6]。たとえばエタノール水溶液の場合、溶液中のエタノールリッチなクラスターを、そのクラスター界面の結合が弱いことを利用して分離する[7]。
従来の分離法、つまり膜分離、遠心分離、電気泳動、蒸留、蒸発操作、再結晶、晶析、抽出、クロマトグラフィー等、いずれにも属さない分離法である[8]。
超音波霧化分離の前提となる超音波霧化（超音波噴霧, Ultrasonic atomization）は、超音波を液中から液面に向けて照射すると、音圧により液面に噴水状の液柱が発生し、液柱の側面からおもに数ミクロン程度の微細な液滴（ミスト）が発生する現象である[7][9]。発生した液滴は、その小さい粒径から長時間気相中に滞留することになる。その発生機構については、キャビテーションに起因する衝撃波説と液体表面に形成されるキャピラリー液（表面波）説の2説があるが、高周波数の超音波の照射の場合はキャビテーションは無視できるという報告があり、このことからキャビテーション説は採りにくい[9]。
超音波霧化現象自体は、19世紀末より知られており[10][11]、現在では超音波加湿器、超音波霧化機（ネブライザなど[1]）、殺虫スプレーや石油ファンヒーター、食品・肥料・塗料の噴霧乾燥[12]、除菌、消臭、アロマテラピーなど、幅広い分野で使用される技術である[13]。超音波の発生には主に超音波振動子と呼ばれる製品が使われる。超音波振動子はアメリカ、ドイツ、台湾などで量産されており、仕様の標準化も世界的に進んでいる[8]。
1995年、松浦一雄（現：ナノミストテクノロジーズ株式会社[14]）らによりエタノールと水の混合溶液を超音波霧化するとエタノールと水が分離し、結果としてエタノールが濃縮されることが報告された[2][3][15][16]。これにより、蒸留に代わる非加熱の分離濃縮法として超音波霧化分離が注目されはじめた[17]。
超音波霧化分離装置の構成の一例は次の通りである。[8][18]
- 溶液中に設置した超音波振動子により溶液がミスト化される。
- ミストは、サイクロン等分級装置により、軽いミストは上部へ、重いミストは下部に分離される。
- 軽いミストは冷却等により凝縮され液体化、重いミストは重さにより落下し液体化する。