2016 Fiscal Year Annual Research Report
Development of advanced air purification system by coupling ionic liquid electrospray with reactive plasma
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16H04262
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高奈 秀匡 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40375118)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 静電噴霧 / CO2吸収 / イオン液体 / 混相流 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ナノ秒パルス放電による高活性化学種生成とイオン液体静電噴霧法とを融合した，革新的高度大気環境浄化法を創出することを目的としたものである。本研究で提案する方式により，VOCの酸化分解及び二酸化炭素の分離・回収，環境汚染微粒子の静電集塵・液滴吸収を同時に達成することが可能となる。本年度においては，まず，直流高電圧を印加した際のイオン液体静電噴霧形成過程に対する物理モデルを構築し，数値シミュレーションにより，液体界面の帯電，静電気力によるテイラーコーン形成および分裂による液滴形成過程を明らかにすることに成功した。さらに，イオン液体静電噴霧には，大きく分けて2つの噴霧形態が存在し，それらの遷移は，無次元数であるウェーバー数とボンド数により議論することができることが分かった。実験的研究においては，圧力チャンバーに二酸化炭素ガスを充てんし，イオン液体静電噴霧を行った際のチャンバー内の圧力変化から二酸化炭素吸収量を求めた。その結果，チャンバー内にイオン液体を静置した場合よりも，イオン液体静電噴霧を行った場合の方が，イオン液体体積当たりの二酸化炭素吸収量が大幅に向上することが示された。また，印加電圧を直流パルス電圧とすることで，噴霧の収束性が著しく改善し，噴霧液滴径分布がより一様となることが明らかとなった。静電気力と表面張力の作用する系に対して流体モデルを構築し，テイラーコーン内の液体の固有振動数を求めた結果，液体の固有振動数と印加電圧の周波数がほぼ一致した際に，噴霧特性が向上することが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
イオン液体静電噴霧現象に対し，物理モデルを構築し，静電噴霧形成過程を数値シミュレーションにより明らかにすることに成功した。数値シミュレーションにより，様々な条件下における液滴生成特性を明らかにすることが可能となり，さらには，実用の上で問題となる，複数のノズルを用いた際の干渉効果についても明らかにすることが可能となる。実験においては，イオン液体静電噴霧生成装置および圧力チャンバーからなるCO2吸収計測システムを構築した。本システムにより，イオン液体静電噴霧による二酸化炭素吸収量の定量的計測が可能となり，二酸化炭素吸収特性に関する予備的な実験結果を蓄積することができた。さらに，印加電圧を直流パルスとし，液体の固有振動数と同期させた周波数で電圧を印加することにより，噴霧の収束性が改善し，単一径の液滴径の生成量が著しく向上するという新たな知見が得られた。以上の結果より，本研究課題に対し，おおむね順調に進展していると判断される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，静電噴霧とナノパルス放電を重畳した際の放電および噴霧挙動を可視化計測により明らかにする。また，本年度に導入予定である液滴計測システムにより，噴霧液滴径分布とCO2吸収特性を相関づけて詳細に解析し，二酸化炭素吸収に対する最適条件を抽出する。多点イオン液体静電噴霧とナノ秒パルス放電を重畳させた系に対してプラズマ生成実験を行い，静電噴霧下におけるストリーマの発生条件を明らかにした上で，超高感度ICCDカメラによる放電電流と完全同期させた高速度撮影を行い，ナノ秒スケールでの超高速可視化計測を行い，ストリーマ発生の様子を計測し，微小液滴生成過程と放電挙動を関連づけて議論する。さらに，分光計測により，プラズマ生成化学種を同定し，周囲圧力や水分含有量に対する高活性化学種の生成特性を明らかにする。数値計算においては，複数ノズルを用いた際の干渉効果を解明するとともに，パルス印加電圧時における液滴噴霧過程を明らかにする。また，ナノパルス放電によるVOC分解に関しては，VOCガス中でのプラズマ化学反応モデルを構築し，数値シミュレーションにより，放電電力に対する分解特性を明らかにする。
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