Development of an ionic liquid self-propelled droplet system extracting environmental pollutants from aqueous phase
| Project/Area Number |
22K05199
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 34030:Green sustainable chemistry and environmental chemistry-related
|
|---|
| Research Institution | Shizuoka Institute of Science and Technology |
|---|
Principal Investigator |
南齋 勉 静岡理工科大学, 理工学部, 教授 (20563349)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
|
| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
|
|---|
| Keywords | アクティブマター / ソノケミストリー / 非線形 / イオン液体 / マランゴニ効果 / 非平衡 / ソノルミネッセンス / ソフトマター |
|---|
| Outline of Research at the Start |
イオン液体を溶媒とした，水中の環境汚染物質を回収しながら自走する液滴系を設計する。この液滴系は，水中の溶質を内部に取り込む際に走る力が生み出されることから，『汚れセンサーを搭載したロボット掃除機』のように，水中に存在する汚染物質を自発的に回収する環境浄化システムに応用できると考える。本研究では，実用化を念頭に置いた低環境負荷の自走液滴系として，極性が非常に高いにもかかわらず，水には難溶の『イオン液体』を用いる。イオン液体のガラス基板に対する濡れ性や，イオン液体中の溶質間反応について検討する。
|
| Outline of Annual Research Achievements |
我々がこれまでに報告してきた界面活性剤水溶液中の自走油滴現象は、ガラス基板に吸着している陽イオン界面活性剤と油滴中の陰イオン種との会合反応により、油滴周囲の界面張力が変化することで起こる。その中で、極性が高い油滴溶媒ほど走行速度が大きくなることが分かってきたが、極性の高い溶媒は水相と相互溶解するため、水中で液滴系を形成することが難しい。
本研究では、極めて高極性で、かつ水に難溶性の液体である常温溶融塩(イオン液体IL)を液滴溶媒として使用し、液滴自走現象の走行機構を支配するガラス基板上での濡れ性について、イオン液体と界面活性剤の種類を変えて検討した。
ILの炭素鎖長や水相添加溶質の種類によって水相内ガラス基板上のILの接触角に差が見られた。接触角はガラス表面に対するILの付着力や水相添加溶質の吸着状態に影響されると考えられる。また、水相中のILのガラス基板への濡れ性は、周囲の水相のガラス基板との親和性に強く影響されることが示唆された。methyltri-n-buthyl ammonium bis (trifluoro methane sulfonyl)imideを用いた系でのみ、連続的走行が見られた。連続的走行した時の接触角の経時変化から、濡れ現象と脱濡れ現象が繰り返し起こっていることが確認された。また、各水相系におけるILとの界面張力の揺らぎの範囲は、周囲の水相成分により界面の不安定化が示唆された。これらの結果から、自走するには、「高い接触角」、「濡れと脱濡れの繰り返し」、「界面の不安定性」の3つの要素が重要であると考えられる。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
われわれが研究してきた油滴の自走現象の発生機構は、油滴内の溶質とガラス基板上に吸着した界面活性剤分子がイオン会合反応することで、界面活性剤の脱離が引き起こされ、これに伴う界面自由エネルギー変化により、濡れ現象と脱濡れ現象が繰り返され、自発的走行をしていた。一方で，イオン液体（IL)系では，IL中に溶質を含まない系においても自走が確認されたため，異なるメカニズムが存在することが考えられる。超純水中では，ILの自走現象は見られず，水相に塩を添加することで自走の促進が確認されたことから，
ガラス基板や水相とのIL界面においてILを構成するイオン種の分子配列が変化することで界面不安定が生じる可能性が考えられる。今回の知見は，電気化学的な応用に高い注目が集まるILをマイクロフルードとして展開する新たな研究の基礎となることが期待される。
また，回収した汚染物質の無害化に向けた取り組みも並行して進んでおり，有機溶媒中におけるフッ素系界面活性剤の超音波分解反応は，炭化水素基を疎水基とする一般的な界面活性剤よりも高効率で分解される結果が得られた。さらに，有機溶媒中の超音波化学反応場の効率化に向けて，溶媒種によって超音波反応場の温度が変化するため，最適な溶媒種の検討を併せて行なっている。
以上のことから，研究の進捗は当初の予定通りであり，おおむね順調であると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
これまで，ILの自走現象は確認されているが，その運動性の制御には至っていない。水相に含まれる界面活性剤や塩の種類によってイオン液体（IL)の接触角や界面張力が変化する結果が得られ，昨年度は塩濃度の影響について検討してきた。今年度は，走行性の支配要因として考えられるIL界面特性に対する界面活性剤濃度の影響を検討する。
また，有機溶媒中のフッ素系界面活性剤の超音波分解について，溶媒種を最適化させることで分解の促進が期待できる。今後，有機溶媒中の超音波化学反応場の気液界面の状態について物理化学的に解析するために，高温反応場から発せられる発光現象であるソノルミネッセンスの強度を測定することで，フッ素系界面活性剤分子と超音波反応場である微小気泡の相互作用について明らかにしていく。この知見を基に，反応場の解明ととともに分解の高効率化を目指す。
さらに，有機溶媒中に形成される超音波反応場の温度支配要因について検討するために，ESRを用いてラジカルの定性と定量を行うことで、有機溶媒中のSL強度とキャビティ温度に対する生成ラジカルの影響について検討する。
|
Report
(2 results)
Research Products
(16 results)
