Impact of Interfacial and Electrical Characteristics on Rheological Property of Molten Oxide-based Suspension at High Temperature

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21H01684
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 齊藤 敬高 九州大学, 工学研究院, 准教授 (80432855)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西郷 浩人 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (90586124)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 粘度 / サスペンション / 界面電荷

Outline of Annual Research Achievements

金属素材産業において, 副生する高温で溶融した酸化物融体は均一な液相ではなく, 酸化物固体などが分散した複雑な流体を形成している. これら固相が共存したスラグ, フラックス, つまり高温酸化物サスペンションの流動特性は, 炉内の流れや耐火物へのスラグの浸透, スラグの結晶化挙動などに大きく影響するため, 酸化物融体の流動特性を十分に理解した上で反応器や装置は設計され, 融体の物性値が制御されている. しかし, 多成分系のスラグについては無数にあるため, 全ての粘度測定は不可能である.そのため申請者らは, これらの高温酸化物サスペンションのレオロジー特性について高温実験と機械学習を組み合わせることによって, 予測モデルを構築してきた. その結果, 室温系の300を超えるデータから数学的多重回帰したモデルが, 温度のみが異なる条件の高温系データを全くと言っていいほど, 再現しないことが分かった. この理由として, 高温酸化物サスペンション中に分散した酸化物固体と酸化物融体の界面において、室温系に比較して遥かに大きな界面電荷を有しているであろうことが示唆された. この界面電荷は, 水溶液系におけるゼータ電位に相当する物理量であると考えられており, 外部電場による流動特性の制御が期待されている.そこで当該年度の実験では, 室温系においてグリセロール水溶液をマトリックス流体に, ポリエチレンビーズを分散させ, ビーズ表面に界面電荷を付与したサスペンションを作製し, 外部電場を印加することによってサスペンションの粘度に与える影響を系統的に，かつ定量的に調査した.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

これまでの実験で, 室温系においてグリセロール水溶液をマトリックス流体に, ポリエチレンビーズを分散させたサスペンションにおいてゼータ電位が-40mVであり, ビーズ間の斥力が粘度に影響を与えることが分かっている. 当該年度では, 室温系においてグリセロール水溶液をマトリックス流体に, ポリエチレンビーズを分散させ, 固相率を系統的に変化させたサスペンションを作製し, 外部電場を印加することで, 粘度がどのように変化するのかを調査した. 粘度の測定は, パラレルプレート法で行った. その結果, 外部電場を印加することで, サスペンションの粘度が低下することが分かった. これは, グリセロールとポリエチレンビーズ界面に形成される電気二重層内の拡散層部分に存在する電荷が外部電場の影響を受けて移動することで, 電荷の偏りが起こり, ビーズ間の斥力が弱まったためであると考えられる. また, ビーズを包む電気二重層がビーズの動きに追随することができないため, 円形から楕円形に変化することで, ビーズ間の斥力が弱まったためであると推定される. さらに, 固相率が大きいほど, 電場を印加することによる粘度の低下傾向が大きいことがわかった. これは, サスペンションを占めるビーズの割合が高くなるほど, 固液界面の面積が大きくなり, 上記の考察による電気二重層内の電荷の移動, 電気二重層の変形による粘度に及ぼす影響が大きいためであると考えられる.

Strategy for Future Research Activity

これまでの実験において, CaO-SiO2系スラグにCaOもしくはMgO粒子などを分散させた高温酸化物において, 溶融スラグ中に無数のイオンが存在しており, 固相であるCaO粒子, MgO粒子表面の電荷が粘度に大きく影響を及ぼすことが分かっている. さらに, 室温系サスペンションよりも高温酸化物サスペンションの粒子は, 巨大な界面電荷を有しており, 粘度に及ぼす影響が大きいと考えられている. この高温酸化物サスペンションに電場を印加することで, 室温系サスペンションと同様に粘度が変化すると考えられる.今年度は, 前年度に試作した高温酸化物サスペンションのエレクトロレオロジー評価装置を用いて，レオロジー特性に与える界面電荷および外部電場の影響を固相の割合，体積割合，ずり速度等をパラメータに系統的に調査する．