2014 Fiscal Year Annual Research Report
微小液滴の衝突を利用した新規マイクロ反応プロセスの開発
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26289295
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
牧 泰輔 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10293987)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
前 一廣 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70192325)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マイクロリアクター / 新規反応場 / ３Dプリンタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は各種マイクロミキサーおよび購入した３Dプリンタを用いて作成したマイクロチャネルを用いた微小液滴の生成とそのサイズ制御について検討を行った。液液系においては、液体の合流部の体積が液滴サイズに大きく寄与することを明らかにし、液滴の生成時に比較的に大きな圧力変動が起こることを示した。この結果は圧力をモニタリングして制御することにより任意のタイミングで液滴を作成できることを示唆している。また、合流後に液滴となるかスラグとなるか、あるいは二相流となるかは、合流後の流路径と流速によって決定できることを示した。さらに、T字チャネルを用いた液滴作製においてはチャネル径と液物性および流速などの流動条件から液滴径を予測する推算式を提案した。この推算式を使用することにより、合流部体積、流速、および合流後の流路サイズによって任意の液滴を作成することを可能とした。以上の結果より、本研究の目的である微小液滴の衝突制御による新規反応場形成の可能性を示した。
次に液滴生成デバイスを２つ用いて合流させる液滴合一チャネルの試作を行った。液滴の合一には液滴生成のタイミングを精密に制御することが重要となることを示し、流路に拡大部を設けて液滴の流速を一時的に減少させるこ液滴の設計に必要な液滴体積の推算式を示した。この推算式を使用することにより、合流部体積、流速、および合流後の流路サイズによって任意の液滴を作成することを可能とした。とによって、より広範囲の条件で液滴を合成できることを明らかにした。
作製した液滴を合一させてダッシュマン反応を行い、混合速度に及ぼすデバイスのサイズは流動条件の影響を検討した結果、液滴の混合速度は液滴径と衝突速度に依存することを示し、液滴径を減少することによって、ミリ秒単位の混合が可能であることを示唆した。
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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
３Dプリンタの選定・導入に時間がかかったが、導入によってこれまでは長時間を必要としたデバイスの作製時間を短縮するとともに種々の形状のチャネルを試作することが可能となり、液滴生成に及ぼすチャネル形状や操作条件の影響を網羅的に検討することができた。また、液滴のサイズ制御のための推算式の提案や、液滴合一デバイスの試作にも成功している。以上より、今年度の目的である液滴生成デバイスの作製および制御法の確立については概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き研究項目(1)について微小液滴生成の制御法の確立を行う。また、研究項目(2)について以下に示す検討を行い、結果をデバイスの設計にフィードバックすることで、液滴制御のさらなる高精度化を目指す。
研究項目（２）微小液滴の衝突制御と衝突する液滴の径や速度が混合へおよぼす影響の解明
研究項目（１）で開発した液滴生成デバイスを組み合わせて、T型およびY型の合流流路中での液滴の衝突制御を試みる。このとき鍵となるのは液滴生成のタイミング制御と生成後の速度ベクトルの制御である。液滴の生成については研究項目(1)において確立を目指すので、ここでは液滴生成後の速度および位置をどのように制御するかにポイントを置き、液滴に加えて分散媒の流動状態の制御を検討し、２液滴が確実に衝突・合一する条件を探索する。
２種類の液滴が衝突・合一した後の混合性能の評価にはこれまでと同様にダッシュマン反応を用いる。この反応は極めて迅速な中和反応と酸化還元反応との並列反応であり、溶液が均一であれば反応速度が大きい中和反応のみが起こるが、局所的に酸濃度が高まると酸化還元反応も進行してヨウ素が生成する。このヨウ素をUVで定量することによって混合性能が評価できる。本研究項目では、混合性能に対する液滴の衝突速度、衝突角度、そして衝突断面積の影響を検討する。この結果を液滴生成・衝突デバイスの作成にフィードバックして、より混合速度の大きいデバイスの開発指針を得る。
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| Causes of Carryover |
今年度導入した３Dプリンターを供用設備として他の研究費と共同で購入したため費用が削減できた。
また、３Dプリンターは今後さらなる発展が予想されるため、購入時にメンテナンス契約を締結し、研究期間内の機能向上を可能にした。そのメンテナンス費用として次年度の使用する。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
理由にも記載したが今年度に購入した３Dプリンタのメンテナンス費用に使用する。また、配当額を考慮して当初の計画から削除した気液系の液滴生成デバイスの作成に使用する。
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