2023 Fiscal Year Research-status Report
Aggregate Formation of Soft Porous Materials Using Fine Particles Adhesion
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22K14530
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| Research Institution | Osaka Metropolitan University |
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Principal Investigator |
大崎 修司 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40802426)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | ソフト多孔性結晶 / ZIF-8 / 圧力スイング造粒 / 数値流体力学 / 離散要素法 |
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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)を伴い吸着量がステップ状に増加する特異な吸着挙動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，微粒子であるゆえの付着凝集性を活かし，特異的吸着挙動を維持しながら凝集体を形成することで，従来までの課題を解決する。具体的に，まずバインダーレス造粒が可能な小型圧力スイング装置を開発し，造粒条件が凝集体構造と吸着性能に及ぼす影響解析(実験的検討)を行う。さらに，数値流体計算と離散要素法をカップリングさせたモデルを用いた凝集体形成過程の数値解析(理論的検討)も組み合わせることで，凝集体形成過程の支配因子を明らかにし，SPC凝集体の構造制御手法を提案する。2023年度の研究実績は以下の通りである。
1. SPCの一種であるZIF-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8）を対象とした圧力スイング造粒を検討した。まず，少量での圧力スイング造粒を行うために必要な小型の造粒機を設計し，導入した。そのうえで，代表的な操作パラメータと造粒物の流動性が強く相関することを見出した。さらに，圧力スイング造粒は従来の造粒手法で得られる造粒物と比較して，原末の吸着性能をほとんど低下させない造粒手法であることを明らかにした。
2. 数値流体力学と離散要素法を連成した数値解析を用いて，粒子の運動挙動を解析することで，圧力スイング造粒の造粒原理を解明することを試みた。本年度は，基基礎的検討として，圧力スイング造粒における流動・圧密・解砕過程それぞれを独立して連成解析することを目的とした。タイムステップなどといった計算条件の最適化を行い，各プロセスを解析可能な計算モデルを確立した。
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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
代表的なSPC粒子の一種であるZIF-8（Zeolitic Imidazolate Framework-8）を対象とした圧力スイング造粒を試みた。ZIF-8粒子は一度に数10g程度しか合成できないため，少量での圧力スイング造粒を行うために必要な小型の造粒機をダルトン(株)と共同して設計した。代表的な操作パラメータと造粒物の流動性の相関を見出すだけでなく，圧力スイング造粒は従来の造粒手法と比較して，原末の吸着性能をほとんど低下させない造粒手法であることを明らかにした。さらに，数値流体力学と離散要素法の連成数値解析を用いて，圧力スイング造粒における流動・圧密・解砕過程を解析可能な計算モデルを確立した。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 |
ZIF-8の粒子径が圧力スイング造粒法によって得られる造粒物性に与える影響を検討する。ZIF-8粒子の合成条件を変更しつつ，種々の粒子サイズを有するZIF-8を合成する。2023年度までに明らかにした，重要な操作パラメータが造粒プロセスに与える影響を解析する。このとき，造粒物の流動性，吸着等温線/吸着速度の測定だけでなく，凝集体構造を解析するために，凝集体を樹脂に包埋した後にFIB-SEMにより断面図を観察する。圧力スイング造粒法の造粒条件と凝集体の物性との関係を明らかにし，凝集体構造の制御手法を提案する。さらに，2023年度に確立した離散要素法と数値流体計算の連成数値解析モデルを用いて，圧力スイング造粒過程の数値解析を行う。特に，ファンデルワールス力，静電相互作用力，液架橋力を付与した計算を行い，それぞれの付着力が圧力スイング造粒に与える寄与度を明らかにする。そのうえで，実験的検討と数値解析的検討の成果を組み合わせることで圧力スイング造粒プロセスにおける造粒メカニズムを明らかにする。
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| Causes of Carryover |
国際会議に参加する際に他のプロジェクトでの発表と兼ねたために，旅費を計上しなかったため次年度使用額が生じた。最終年度は2つの国際会議（MOF2024@シンガポール，APT2024@オーストラリア）において発表を予定している。次年度は旅費として使用する予定である。
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