2018 Fiscal Year Research-status Report
マランゴニ対流を利用した気液界面での革新的二酸化炭素吸収分離への挑戦
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17K18835
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小宮 敦樹 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (60371142)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岡島 淳之介 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (70610161)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 二酸化炭素吸収 / アミン溶液 / 気液界面 / 可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，気液界面近傍における二酸化炭素吸収分離過程の革新的促進化を目的としている．気液界面に生じるマランゴニ対流を利用したこれまでにない高吸収能を有する二酸化炭素吸収分離法の実現のため，二酸化炭素吸収過程を伝熱工学的かつ流体力学的見地から測定し，濃度場情報と流れ場情報の関連性を精緻に捉え評価する．研究二年目は，前年度に構築した高精度計測システムを用いて，三次元流れ場と二酸化炭素吸収による非定常濃度場の同時計測を行った．前年度に引き続き，吸収剤として水および第二級・三級アミン溶液を用い，アミン溶液の種類による違いを定性的に評価した．これらの可視化実験の結果を用いて，吸収開始からの各時刻における二酸化炭素吸収量を定量評価し，二酸化炭素吸収のための吸収剤の選定には，溶液の有する吸収能の他に，溶液の粘度や表面張力等の諸物性値も検討しなければならないことを示した．これは二酸化炭素吸収過程における流動場と濃度場の同時計測を行うことによって，はじめて定量的な評価が可能となったものである．
また，吸収過程促進のキーとなる対流による物質輸送過程を定量的に評価するために，吸収界面におけるマランゴニ対流の影響も実験的に明らかにした．これまでは故意にマランゴニ対流を生じさせない条件下での実験を行い，吸収開始後にしばらくして生じ始める濃度差マランゴニ対流も自然対流の一部とみなして評価を行ってきたが，今年度は特殊な装置を用いて気液界面に温度勾配を生じさせ，温度差マランゴニ対流をパラメトリックに変えることで吸収量の評価を行った．その結果，マランゴニ対流は吸収量促進に影響は及ぼすものの，マランゴニ対流の生じる位置や向きによって吸収量が大きく異なることが明らかとなった．この関係性はまだ定量的には評価できていなく，次年度まで研究期間を延長して評価していくこととした．
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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
研究二年目の本年度の研究進捗は，交付申請書に記載した研究計画に照らし合わせておおむね計画通りに研究を進められたと判断できる．本年度は研究目標を「吸収分離法の提案」として，前年度構築したシステムを用い，吸収過程観察を行う．二酸化炭素の吸収過程を解明し，新たな吸収分離法を提案する」と定め，サブテーマとして「マランゴニ対流が生じる条件での吸収過程観察実験」および「マランゴニ対流を考慮した高吸収能条件の提案」の2点を掲げた．「マランゴニ対流が生じる条件での吸収過程観察実験」においては，当初の計画通り前年度に構築した流動場-濃度場同時計測システムを用いて，パラメトリックな実験を実施できた．また，温度差マランゴニ対流を生じさせた実験も実施し，吸収過程のマランゴニ対流の関連性について観察実験およびその評価を行うことができた．「マランゴニ対流を考慮した高吸収能条件の提案」については，マランゴニ対流の条件を変えることで二酸化炭素吸収量を評価し，マランゴニ対流と液相深部からの還元流が作り出す渦の大小によって吸収量が大きく変化することを見出し，定性的に高吸収能条件の提案に至った．しかしながら，条件提案における定量的評価は行えておらず，研究期間を1年間延長して評価を行っていくこととした．この定量評価については研究計画に挙げてていなかったが，より信頼度の高い提案のためには必要であると判断した．以上の理由により，本年度の進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
上述の通り，計画に挙げた研究内容は概ね終了し，より質の高い研究成果の創出のために，高吸収能条件提案の定量評価と実験データの確度向上を行っていくこととなった．そのために研究期間を2年間から3年間とし，残り1年をかけてパラメトリックな実験を進めていくこととなった．研究目標としては，研究計画書における研究２年目の目標を踏襲し，「高吸収能条件の提案に向けて定量評価を行う」という点を追記する．実験装置は既に完成し，また実験パラメータも明確であることから，研究の遂行において問題が生じる可能性はなく，繰り返し実験を主として進めていく．実験を効率的に進めていくために研究代表者の研究室所属の大学院生を雇用し，研究を進めていく．
また，条件提案においては引き続き海外研究協力者の助言が必要であることから，定期的な会議を続けていく予定である．会議はSkype等の遠隔会議を行い，必要に応じて会合を持つこととする．
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| Causes of Carryover |
前述の通り，研究期間を延長して実験を行ってくこととなった．このため，一部研究費を繰り越して使用していく．使用計画は，実験消耗品，実験実施補助のための大学院生雇用，および海外研究協力者との会合と研究成果発表のための旅費とする．研究費使用のおいては，研究費の効率的利用に努め，実験消耗品等の購入は柔軟に対応できるようにする．
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