Development of catalyst-free selective oxidation method using flow reactors that selectively arrange the desired active species
| Project/Area Number |
21H01697
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高橋 厚 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60357366)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000)
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| Keywords | 低温大気圧プラズマ / 選択酸化 / 速度論モデル / 活性酸素種 / 選択酸化反応 / 速度論解析 / 触媒フリー / フローリアクターシステム / 貴金属触媒 |
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| Outline of Research at the Start |
空気中の酸素のみを使って有機化合物を選択的に酸化することは、経済性、環境性、持続性から理想的な反応である。これまで不均一系触媒の使用が検討されてきたが、経済性や有限資源利用による持続性を考慮すると、触媒なしでの選択酸化技術の確立も今後重要となる。本研究では、水溶液への低温大気圧プラズマ照射により生成する活性酸素種を活用し、速度論解析による活性種の寿命予測と反応器のフローシステム化を組み合わせた活性種空間再配置型フローリアクターシステムを新たに構築し、触媒フリーで所望の選択酸化反応のみを進行させる手法を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、活性種空間再配置型フローリアクターの設計を目的として、バッチ式反応器にてグリセリン溶液を原料として、プラズマ源ガスに関する実験条件（ガス種、共存ガス)について検討を行った。その結果、Arを使用した場合、Heに比べ、転化率ならびに目的とするグリセリン酸の収率が増加することを見出した。これは、HeとArの電離電圧ならびに準安定電位の違いによるものと推定され、Arの方がHeよりも電離電圧が低く準安定電位との差が大きいために、Heに比べて容易にプラズマになるものの、状態は不安定となることにより、プラズマとして多くのエネルギーを注入、かつ、その不安定さ故に液面との接触面積が増加し、目的活性酸素種の量が増加し、反応が促進されたのではないかと考えられる。一方、共存ガスの影響として、Arに水蒸気またはO2を添加しても選択酸化挙動にポジティブな効果は得られなかった。通常、水蒸気はプラズマを安定させる目的で使われるが、本結果からは、選択酸化用途ではむしろプルームを不安定にしたほうが良い可能性が改めて示された。O2共存についても、O2は酸化力の強いラジカル生成に効果があるとされるため、選択酸化のような適度な酸化力を要求される場合にはむしろネガティブに働いた可能性がある。
ここまでに得られた知見を総合し、反応液を流通させながらプラズマ照射が可能な形へ反応器の改良を行い、連続フロー型反応器を構築した。まず水のみの反応実験を実施し、生成物である過酸化水素濃度が一定時間経過後一定となり、定常状態が達成されていることが確認された。そこで、実際にグリセリン溶液を通液し、流通反応試験を行ったところ、目的生成物であるグリセリン酸の生成が観察され、バッチ式の場合よりも選択率が増加する傾向が観察された。よって、流通条件下においてもプラズマ照射によって選択酸化を進行させることができることを実証した。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(15 results)
