2017 Fiscal Year Research-status Report
現象を分けて考えるアプローチによる分子拡散域で起きる非等モル相互拡散のモデル化
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16K06831
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
甲斐 敬美 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (00177312)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 拡散 / 非等モル / 多孔質体 / 分子拡散 / Grahamの法則 / 相互拡散 / 分離操作 / 物質移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
等圧条件での多孔質体内の気相二成分相互拡散が非等モルであることは1833年に報告され、その120年後に再認識されGrahamの法則と呼ばれるようになった。この現象は当時の常識では考えられない現象であり、それを説明するために多くのメカニズムが提案されてきた。しかし、これまで提案されてきたモデルはすべて「等モル相互拡散係数」を使っているため、前提条件や導出過程に大きな問題がある。本研究では、分子拡散領域でも比較的細孔が狭い場合には、粘性の影響で等モル相互拡散にならないと考え、拡散現象をブレイクダウンして分子運動による移動とそれによる圧力勾配で生じる粘性流を組み合わせることによって、この現象を説明するモデルを構築した。このモデルを検証するため、充てん層における定容系での相互拡散実験を行った。充てん層には長さ数センチのステンレス鋼の管を使用し、内部に数十ミクロンメートルの粒径分布がシャープであるガラスビーズを充てんした。充てん層をあるガスで満たした後に一端で他のガスとの拡散を行った。他端における圧力の時間変化を微差圧センサーで測定し、デジタル信号をパソコンに記録した後に解析を行った。使用したガスは、水素、ヘリウム、アルゴン、ネオン、窒素、二酸化炭素である。得られた結果とモデルによる計算値を比較すると比較的良好な一致が得られた。さらに、モデルの時間０での境界条件を見直し、また、わずかではあるがガス吸着量を考慮することによって、モデルの精度を高めることができた。非等モル相互拡散は拡散の本質に深く関わる現象であるにも関わらず、これまでそのメカニズムについて詳細な説明はなされていない。化学装置の操作においても、深く考察されることはなかったが流動触媒層の運転では支障がでる現象を引き起こすこともあるため、科学的な観点からだけでなく工業的な観点からも正しい認識を持つことは重要と思われる。
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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
本研究の目的は、分子拡散領域の等圧条件の多孔質体で起こる非等モル相互拡散現象のメカニズムを明らかにすることである。そのために拡散現象を分子固有の拡散と非等モル拡散によって生じる圧力勾配による粘性流を組み合わせたアプローチを採用した。平成２９年度は、粒子径分布が極めてシャープな粒子の充てん層を用いた定容系での実験を行った。実験で得られる圧力差の時間変化の実測値とすでに報告した分子固有の拡散係数を使ったモデルによる計算値を比較することによって、モデルがおおむね妥当であることを確認した。これらの成果は学術論文に発表し、また、6件の学会発表も行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は定容系での相互拡散の実験を継続する。昨年度、流路径が一定のキャピラリーを使用した実験の目処が立ったため、実験装置を作成して測定を実施する。キャピラリーの場合には、流路径の分布および流路長（迷宮度）の影響を考える必要がなく、より正確なモデルの解析が可能となる。また、キャピラリーもしくは充てん層を通した定圧系の実験も実施する。この方法は直接的にGrahamの法則の検討ができる。Grahamの法則では従来報告されたメカニズムでは分子量のみが拡散速度の比に影響する。しかし、我々が提案したモデルでは分子量に加えて分子径も拡散速度に影響する。したがって、窒素とエチレンの組み合わせのように分子量は等しいが粒子径が異なるガスを使うことによって従来のモデルが不十分であり、我々の提案するモデルが妥当であることを証明できる。
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Research Products
(8 results)
