2019 Fiscal Year Research-status Report
自発走行油滴による環境汚染物質の濃縮回収システムの創出
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19K05572
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| Research Institution | Shizuoka Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
南齋 勉 静岡理工科大学, 理工学部, 准教授 (20563349)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | アクティブマター / 非平衡界面 / 非線形現象 / 環境浄化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
陽イオン界面活性剤を含む水溶液中において，この界面活性剤とイオン会合反応する溶質を含むニトロベンゼン油滴を滴下すると，自発的に油滴が走行する現象が見られる。この現象は油滴周囲の不均一な界面張力が引き起こす脱ぬれ効果とマランゴニ効果によって説明できると考えられる。これまで，運動性と溶媒物性の関係について検討してきたが，ニトロベンゼンのような水より比重が大きい溶媒は種類が限られるため，本研究では水より低比重の14種類の溶媒を用いることで溶媒選択の幅を広げ，油滴の自発運動に対する溶媒物性の影響について検討した。走行速度と溶媒極性の関係を見ると，概ね正の相関がみられたが，一部の溶媒種については顕著な相関は見られなかった。極性が高い溶媒の場合，油相溶質の水相への拡散とイオン化，またイオン化した溶質の油相への再分配が促進されるためガラス―油界面での溶質間反応が速くなり，油滴の運動性が高まると考えられる。相関から外れる溶媒種の運動を目視観察した結果から，走行の停止と再開を頻繁に繰り返すことが分かった。これまでの研究から，走行の停止は，ガラス表面への吸着速度が溶質間反応より速い場合に起こることが分かっているため，上記の低極性による反応速度の低下と矛盾しない。また，走行の再開には，溶質間反応による界面活性剤の脱離とともに，マランゴニ対流の発生が重要であることが分かっている。マランゴニ対流の起こりやすさは，溶媒の動粘性に反比例することから、動粘性と走行速度の関係についても検討した。油相溶媒の動粘性が大きくなるほど走行速度は低下することが分かった。このことから，油滴の走行には，マランゴニ対流の起こりやすさが最も大きな因子として影響することが分かった。しかしながら，ニトロベンゼンについては，動粘性が高いにもかかわらず走行速度が速いことから，油滴溶媒の極性の高さも重要な因子であると言える。
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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
今年度の実験計画として，ニトロベンゼンのような水より高比重の溶媒から選択肢を広げるため，水より比重が小さい溶媒を用い，それらの物性について系統的に検討することが中心としてあった。その中でも，比較的に極性が高く，炭素鎖数が増えると比誘電率は低下するため極性のコントロールが容易な酢酸エステルに着目し，実験を行なった。酢酸エステルの比重は炭素鎖に依存せず，ほぼ一定であるため，比重の影響を無視することができる。さらに，酢酸エステルは生分解性であるため，環境負荷が低い。また，エステルのカルボン酸側のアルキル鎖長を変化させることでも，重要な因子の一つである粘度を変化させることができるため，これらの物性の油滴運動性に対する影響とその機構について検討した。実験を進める中で，課題となったことは，酢酸エステルには，毒性の強いものがあるだけでなく，強烈なプラスチック臭を放つものがあり，ドラフトを用いても継続的な実験が難しかった。そのため，代替溶媒として脂肪族アルコールや芳香族についても同様に検討した。結果的に14種類の溶媒種について，実験を行なうことができ，順調に結果が得られたことから，おおむね順調であると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，当初の計画通り「油滴溶質の油水分配の影響評価」を行なう。この自発走行現象は，油水界面における溶質間のイオン会合反応によって引き起こされるが，それには油滴溶質が油水界面においてイオン化することが不可欠である。これまで，イオン化しやすい条件（陰イオン溶質の場合は塩基性）ほど油滴の運動性が向上することが分かっている。しかし，イオン化して水相に分配拡散することで反応に関与しなくなる溶質の存在が問題となる。本研究における油滴溶質として，油滴内では非解離状態であるが，塩基性の水相内に分配すると電離してマイナスイオンになり，異なる色を呈するpH指示薬を用いる。pH指示薬は油滴内と水相内で色が異なることから，水相への溶出が目視でも容易に観察できる上，吸光度測定により油水両相への分配係数を算出することができる。酢酸エステルのアルキル鎖長を変化させたときの油水分配係数と運動性の関係について，様々なpH指示薬を油滴溶質に用いて検討する。すでに予備的研究として，BTB（ブロモチモールブルー）などの数種類のpH指示薬を用いた結果，従来のヨウ素を溶質とした場合よりも運動性が向上する場合と，低下する場合が見られている。
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| Causes of Carryover |
物品費としては，予定通り界面張力測定装置の温調チャンバーを購入した。そのほかには旅費として計上していたが，参加予定の学会が主催となり，旅費がかからなかったこと，参加予定であったコロイド界面化学討論会の旅費が，沖縄開催で予想以上に高額であったため参加を見合わせたため差額が生じた。この差額は次年度12月に参加予定の国際会議の旅費として使用する。
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