イオン風生成装置による大気エアロゾルのイオン化機構の解明

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K17481
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 伊藤 智子 大阪大学, 工学研究科, 特任研究員 (10724784)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 大気圧プラズマ / 大気汚染防止・浄化 / イオン風

Outline of Annual Research Achievements

近年、室内環境清浄化の観点から、様々な種類の電気集塵装置が市販されるようになってきた。電気集塵装置の内部で生じている大気中のエアロゾル(微粒子)のイオン化および輸送機構は、ほとんど解明されていない。電気集塵装置内で生じている大気放電による大気エアロゾルのイオン化および輸送機構は、電子衝突および分子イオン生成過程等の様々な物理現象を含んでいる。そのため、それらの解明には、イオン風(加速されたイオン流によって誘起される空気の流れ)の発生初期の大気イオン化機構の理解が鍵を握ると考えられる。本研究では、イオン風の風速計測等のイオン風の特性を明らかにする実験および電気流体力学シミュレーションにより、大気放電により生成された分子イオンが荷電持った微粒子へと発展していく過程を時間・空間的に明らかにし、得られた知見を基にイオン風の初期発生機構を解明することを目的とし、大気エアロゾルイオン化機構の解明を最終の目標としている。28年度に関しては、前年度に作製したイオン風生成装置を用いて微粒子捕集実験を行い、光学顕微鏡およびXPS(X線光電子分光法)を用いて電極に捕集された微粒子の観察を行うことで、放電により生成された分子イオンが荷電を持った微粒子の分布と成分を明らかにし、高電圧印可電極と接地電極では捕集された微粒子の成分が異なることが明らかにした。29年度は、電気流体力学シミュレーションによるイオン風の流速および電界分布計算も行い、28年度に行ったイオン風発生装置による微粒子捕集実験より得られた微粒子分布と比較することで理論的・実験的にイオン風の初期発生機構を明らかにする。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

27年度に作成したイオン風生成装置(平板電極と複数の針状電極とを組み合わせた機構を採用)を用いてイオン風による微粒子捕集実験を行った。窓を開け放した室内にイオン風生成装置を設置し、8 kVの直流電圧を針状電極に印加し、3日間かけて室内の微粒子の捕集を行ない、その後、光学顕微鏡およびX線光電子分光装置(XPS)を用いて電極に付着した微粒子の分布の観察および成分分析を行った。イオン風は、高電圧を印可した針状電極の先端から接地電極に向かって流れるため、接地電極に微粒子が捕集されると予想していたが、光学顕微鏡の観察により針先端にも大気中の微粒子が捕集されていることが明らかとなった。XPSによる電極に捕集された微粒子成分の表面分析結果については、直流電圧を印可した針電極先端では、主に炭素化合物が捕集されていることが、また、接地電極に関しては硫黄化合物を確認した。本実験から、高電圧印可電極と接地電極では捕集された微粒子の成分が異なることが明らかになったが、その理由については、29年度に行う電気流体力学ミュレーションを合わせて考察を行い、成果発表を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

最終年度である29年度は、電気流体力学シミュレーションを用いたイオン風の流速および電界分布の計算を行う。イオン風の発生現象のような波動性の高い液体や気体に電場や磁場をかけると液体や気体が流動するという現象を理解する為には、電磁気学と流体力学の観点からも理解を進めていく必要がある。そのため、本研究では、電気流体力学シミュレーションによる、電極近傍の電界分布、イオン風の流速およびイオンの密度分布の計算を行い、流体としてのイオン風の空間分布および時間発展を明らかにする。27および28年度のイオン風の計測および微粒子の捕集実験によって得られた位置ごとの風速および電極に付着した微粒子の分布等のデータを基に計算を行う。このように、27および28年度のイオン風の計測および大気エアロゾル微粒子の捕集実験結果と29年度に行うシミュレーション結果との比較を行うことで、イオン風の空間的および時間的分布を明らかにし、大気放電により生成された分子イオンが荷電を持った微粒子へと発展していく過程を明らかにすることで、イオン風の初期発生機構の解明を目指す。27年度から29年度までに得られた成果をとりまとめ、学会報告および論文投稿も行う。

Causes of Carryover

実験に関しては、当初の研究計画通り進めているが、29年度のシミュレーションの結果を含めての研究成果の発信が必要であると考えたため、論文投稿および学会発表が遅れている。

Expenditure Plan for Carryover Budget

イオン風発生装置の電極等の消耗部品を物品費として購入する。研究成果の発信の為、国内外の学会の参加予定であり、旅費として使用する。また、論文投稿に関しては、その他の費用として使用する予定である。