2019 Fiscal Year Research-status Report
体積膨張するソフト多孔性結晶の噴霧乾燥法における凝集体の構造制御と形成機構の解明
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19K15344
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
大崎 修司 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40802426)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ソフト多孔性結晶 / 噴霧乾燥法 / 数値流体計算 / 凝集体構造制御 / 凝集体形成メカニズム / ZIF-8 / 液滴乾燥 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ソフト多孔性結晶（SPC）は構造転移（体積膨張）に伴い吸着量がステップ状に増加する特異な吸着挙動（ゲート吸着）を発現するため様々な応用が期待されている。しかし，合成される材料は微粒子であるためハンドリング性が悪く，それが開発・実用化の発展を妨げている。本研究では，種々の造粒法を用いて，体積変化するSPCの特性に適した凝集体を形成することで，従来までの課題を解決する。実験的検討と数値解析の双方から，SPC凝集体形成メカニズムを理解するとともに，特異な吸着挙動を維持しながらハンドリング性能にも優れたSPCの設計に繋げる。2019年度の研究実績は以下の通りである。
1. 球形でありゲート吸着に伴う体積変化がほぼないSPCであるZIF-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8）を対象とした。ZIF-8を出発材料とし，中実な凝集体が得られやすい攪拌造粒法とポーラスな凝集体が得られやすい噴霧乾燥造粒法によるSPC凝集体形成を試み，凝集体構造が吸着性能に及ぼす影響解析を行った。その結果，いずれの造粒法によって得られた凝集体はゲート吸着挙動を維持することを見出した。また，攪拌造粒法に比べ，噴霧乾燥造粒法で得られた凝集体の流動性は低いものの，飽和吸着量を維持することを明らかにし，凝集体構造が吸着挙動に影響を及ぼすことを示唆する結果を得た。
2. 噴霧乾燥造粒法におけるSPC粒子の凝集体形成メカニズムの解明に向けた基礎検討として，熱と物質の移動が同時に起こる複雑な挙動である，噴霧乾燥塔内での液滴群の乾燥挙動の数値流体計算を行った。，塔内の温度分布と近接する液滴の影響により，噴霧乾燥塔内での液滴群は，単一サイズにもかかわらず乾燥速度に分布が生じることを明らかにした。
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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
攪拌造粒および噴霧乾燥造粒によって，SPCの一種であるZIF-8の流動性を改善に成功した。また，いずれの凝集体はゲート吸着挙動を示すことを見出し，かつ，一次粒子サイズ依存性に関しても，粒子サイズの減少に伴いゲート吸着挙動が高圧側へとシフトすることを明らかにした。さらに，数値流体計算に基づいた噴霧乾燥塔内における液滴群の乾燥挙動を解析させることができ，次年度研究に向けた準備を終えることもできた。これらの成果は，目標達成へと直結する重要なものであり，おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，ゲート吸着に伴う体積変化の大きいSPCである，CID-4とMIL-53を対象に凝集体構造が吸着挙動に与える影響を検討する。まず，粒子サイズによるCID-4とMIL-53のゲート吸着挙動の制御手法を確立した後に，攪拌造粒および噴霧乾燥造粒を行う。このとき，凝集体構造をより詳細に解析するために，凝集体を樹脂に包埋した後にFIB-SEMにより断面図を観察し，得られたSEM像に対してボロノイ解析を行うことで，凝集体構造を定量的に評価する。また，2019年度の成果より，噴霧乾燥造粒法では凝集体の流動性が改善されにくいと予想されるため，その場合は，嵩高い凝集体が得られやすい流動層造粒も試みる。このとき，SPCの一次粒子は流動化しないことが懸念されるため，あらかじめ噴霧乾燥造粒法で得られた凝集体を出発材料として流動層造粒を行う。さらに，数値流体計算を用いて，操作条件が液滴群の乾燥挙動に与える影響を解析し，得られた結果を基に液滴群乾燥速度の予測モデルを提案する。このとき，液滴径分布や液滴内における固形成分の影響を考慮した数値計算を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
実験による検討が想定よりもスムーズに進んだため，材料費や吸着測定用の消耗品費に経費がかからなかった。2019年度はZIF-8という1つのSPCのみを対象としていたが，次年度はCID-4とMIL-53と2種類のSPCを対象とし，粒子合成に必要な原料と造粒に必要な結合剤を消耗品費として計上する。その他，吸着測定に必要なガス類および粒子合成等に必要なガラス器具類を消耗品費として計上する。凝集体を樹脂に包埋した後にFIB-SEMにより断面図の観察に関しては，外部委託する予定である。また，数値解析による検討では，大きな計算コストが必要であるため，シミュレーションデータ保存用大容量記録媒体を設置備品費として計上する。さらに， 2020 AIChE annual meeting (@USA, 11月, 5泊6日) での成果発表と，化学工学会および粉体工学会での成果発表を行うために必要な参加費・旅費と，得られた成果を論文発表するために必要な経費を計上する。
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Research Products
(6 results)
