2022 Fiscal Year Research-status Report
液液スラグフローリアクターによる微粒子およびゲルカプセル連続製造プロセスの開発
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21K04771
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
藤岡 沙都子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (50571361)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 液液スラグ流 / フローリアクター / 微粒子 / ゲル / 循環流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、液液スラグフローリアクターを利用した微粒子およびゲルカプセルの連続製造プロセスの開発を目指す。互いに不溶な二つの液体が管内を交互に流れる液液スラグ流は、内部循環流の形成による自発的な混合促進効果が期待できるため、液液抽出や化学反応への様々な応用が検討されている。本研究では反応液を分散相、不活性流体を連続相としてミリスケール円管に供給し、分散相内部循環流による混合促進効果を利用した微粒子合成を行い、操作条件による粒子径分布制御の方法を明らかにする。
昨年度に両流体の物性や流量を変化させてスラグ流を形成し、ゾルゲル法によるシリカ微粒子の合成を行った。反応液のみを供給した単相流に比べてスラグ流ではシャープな粒子径分布を達成できることが示されスラグ流の優位性が確認されたが、スラグ流条件で比較すると操作条件の違いによる生成粒子径分布の顕著な違いは見られなかった。そこで今年度は操作条件範囲を広げ同様の実験を行ったところ、反応液濃度が高い条件では二流体の流量比の違いによる平均粒子径の変化が確認された。PIV実験により内部循環流を可視化、解析したところ、分散相内部の良混合領域は分散相流量比の増大、すなわちスラグ長さの増加に伴い拡大することが明らかになり、平均粒子径を増加させることがわかった。
また、本研究では液液スラグ流の連続化学プロセスへの応用として、分散相を反応場とした微粒子合成だけでなく、分散相自体が製品となるゲルカプセル材料の連続製造に挑戦する。今年度は、アルギン酸ナトリウム水溶液と塩化カルシウム水溶液を分散相とし、連続相のドデカンに分散した状態でゲル化を進行させ、スラグ流によるゲルビーズ製造を行った。
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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
計画通り、シリカ粒子合成については、スラグ長さ調整による生成粒子径分布の変化とその原因となる内部流動状態の違いを明らかにすることができた。内部循環流の解析は当初CFDで行う予定であったが、実験および解析技術の向上により高速度カメラ画像のPIV解析により定量化が可能になった。また、３年目に実施する予定としていたゲルカプセル製造についても予備段階ではあるが実際にゲルの製造に成功し、今後実験を進める上での課題点を明らかにすることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
液液スラグ流によるゲルカプセル連続製造のための予備検討を行った際、ゲル化の所要時間を短縮するためアルギン酸濃度の高い高粘度溶液を用いたところ、閉塞等の問題点とともに、これまでに使用してきた操作条件に基づく生成スラグ体積の予測式は適用範囲外となる可能性が明らかになった。そこで今後は、スラグ流によるゲル材料連続製造の可否や体積制御性の検討のみでなく、高粘性のゾルや非ニュートン流体を用いた場合のスラグ流形成機構と生成スラグ体積の予測方法についても検討する。
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| Causes of Carryover |
既存設備を利用しての実験を先行させたため、CFDのためのワークステーション購入を次年度に見送ることとなったため。次年度はワークステーションを購入してのCFD計算を行うとともに、ゲル連続製造のためのポンプを購入し引き続き可視化実験を進める予定である。
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