2017 Fiscal Year Annual Research Report
超音波キャビテーション制御による液中微粒子の選択霧化分離
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17H03445
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
二井 晋 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (90262865)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水田 敬 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (10336323)
五島 崇 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (90709560)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 超音波 / ナノ粒子 / キャビテーション / 気泡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、研究代表者により発見された、種々の径をもつサブミクロン粒子懸濁液を超音波霧化することで、特定の径を持つ粒子のみが気相に移って回収できる現象において、粒子のサイズ認識メカニズムの解明と、分離粒子径を自在に制御する手法の開発を目的とする。平成29年度には、粒子混合物の分離特性解明のため、実験装置を製作するとともに分析手法を確立し、粒子の分離と回収に及ぼす操作条件を変化させて、分離特性に及ぼす操作条件の影響を明らかにした。得られた重要な成果は４つある。第1にこれまで超音波霧化分離では困難であった霧の回収方法が確立され、霧の回収率として90%以上と、サブミクロンシリカ粒子の回収率として80%以上を達成したことである。第2に100 nmと300 nmのシリカ粒子の混合懸濁液を霧化して回収すると、選択的に回収される100 nm粒子濃度が原液よりも高くなり、濃縮されることがわかった。第3に、回収液中での粒子濃縮は、原液が異なる径の粒子混合物でのみ発現され、原液が単成分粒子、例えば100 nm粒子のみ含む場合には、濃縮が起こらなかった。第4に、購入した分析装置であるナノサイトを用いて、液中に気泡と粒子が含まれる場合に、気泡と粒子のどちらが主成分であるかを見分けることができる方法が確立された。これは当初の計画では平成30年度に取り組む課題として設定していたが、予想したよりも早く研究を進展させることができた。得られた結果の意義として、高い回収率の実現は、結果の信頼性の担保として重要で、原液に異なる径の粒子が混合されていた場合にのみ、特定粒子が濃縮して回収されることは、分離技術としての価値が高いだけでなく分離メカニズム考察の重要な鍵を与える。液中に存在する粒子について、気泡と粒子の判別は世界に例を見ない重要な発見である。一方、溶存ガス種の変化、粒子種の変化の検討が遅れている。
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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
進捗状況については、上記の研究実績の概要で示した平成29年度の計画として、装置作製を実現し、その装置が順調に稼動していることを高い霧の回収率と粒子回収率の実現で確認した。もうひとつの課題である分離に及ぼす操作条件の影響について、条件として超音波周波数、溶存空気濃度、超音波パワー、混合粒子組成を変化させた。超音波周波数では、周波数5 MHz以上で超音波霧化を生じさせるのは困難であり、それ以下の周波数で超音波霧化を行うことが適切であることがわかった。溶存空気濃度は、粒子混合物の分離では非常に重要なパラメータであり、粒子懸濁液が空気で飽和している場合には、特定の径を持つ粒子が選択的に霧に移って回収されたが、溶存空気濃度を低下させて、キャビテーションを起こりにくくすると、分離能力が失われた。混合粒子組成については、単一成分と2成分混合物について、分離特性を調査した。計画では、溶存ガス種、液粘度と添加物として界面活性剤や揮発性物質の影響も調査を予定したが、平成30年度の課題とする。一方、平成30年度に予定していた、気泡と粒子を切り分けて測定する手法を発見することができ、この点では当初よりも早く研究が進展した。これらの点を総合的に判断して、概ね計画通りに進行しているとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究が概ね順調に遂行されていることから、計画の変更は予定しておらず、微調整にとどめる。平成30年度では、キャビテーションにより生成する気泡挙動の把握と、気泡と粒子の相互作用を明らかにすることを目指す。具体的には、液中に生成する気泡のキャラクタリゼ―ションとして、粒子を含まない液中で生成するキャビテーション気泡の径分布と気泡数密度を調査する。液中気泡の状態とH29年度に得た分離特性の結果を照合して、気泡と粒子分離の相関をより明確化する。さらに、静的な気泡と液中粒子との相互作用を解明するため、気泡含有水に粒子を加えて粒子濃度の変化を測定する。また、H29年度で検討が不足していた、溶存ガス種による影響と界面活性剤などの添加剤が分離に及ぼす影響を調査する。H31年度には粒子混合物からのサイズ認識分離を可能にする操作条件を明らかにして、メカニズムを解明するとともに分離粒子径制御技術を確立する予定である。予想される研究進捗の主な問題は実験的検討の遅れであり、その場合には研究分担者の課題を増やすことと、研究協力者の大学院生を増員することで対応する。
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Research Products
(1 results)
