| 研究課題/領域番号 |
22K04050
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 日本工業大学 |
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研究代表者 |
桑原 拓也 日本工業大学, 基幹工学部, 教授 (70602407)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2025年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
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| キーワード | 非熱プラズマ / オゾン / 燃料電池 / 殺菌 / 水質浄化 / 気液二相流 / 省エネルギー / 環境保全 / 水処理 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
「水で水をキレイにする」をコンセプトに、水の電気分解により水素と酸素を発生し、水素を燃料電池の原料とし発電して電力回収し、酸素を殺菌効果と化学物質の分解効果の高いプラズマ形成オゾンの原料として利用する燃料電池を用いたクリーンな低温プラズマ水質浄化装置を開発する。プラズマ放電工学、電気化学理論、流体工学を融合させて水質浄化システムを最適化し、高い浄化効果を持ちながら省エネルギー化するという高機能化を実現する。環境汚染物質の発生を伴わない高濃度オゾン発生を提案する。さらに、高機能化に欠かせない水処理を行う浄化リアクタも開発し、混相流動と殺菌・分解効果の関係を実験的に解明する。
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| 研究実績の概要 |
「水で水をキレイにする」をコンセプトに、水の電気分解により水素と酸素を発生し、水素を燃料電池の原料とし発電して電力回収し、酸素を殺菌効果と化学物質の分解効果の高いプラズマ形成オゾンの原料として利用する燃料電池を用いたクリーンな低温プラズマ水質浄化装置を開発する。プラズマ放電工学、電気化学理論、流体工学を融合させて水質浄化システムを最適化し、高い浄化効果を持ちながら省エネルギー化するという高機能化を実現する。高機能化に欠かせない水処理を行う浄化リアクタも開発し、混相流動と殺菌・分解効果の関係を実験的に解明する。これらの学術的研究を行い、約100人分の1日の消費量である200 Lの水の一般細菌を200 Whの電力で100%の殺菌が可能な水質浄化技術を開発する。
今年度はオゾン気泡による化学物質の分解効果を検証した。メチレンブルーと赤インクを対象の化学物質とした。メチレンブルーは分光光度計により光学的に濃度を測定できるため、水の浄化の研究において、化学物質の分解の指標として良く用いられる。定量的に評価でき、他の研究の結果と比較できる利点がある。一方で、単一の化学物質であり、複数の化学物質に対する分解効果を調べるには不十分である。そこで複数の化学物質が含まれている赤インク水溶液も対象とした。水の電気分解で得られた純度99.9%以上の高濃度酸素を約340 mL/minの流量で、誘電体バリア放電を利用してオゾンを生成する。生成したオゾンガスを、2 Lのメチレンブルー水溶液に気泡注入した。実験の結果、約20分で完全にメチレンブルーが分解されたことが分かった。赤インク水溶液では、500 mLの処理液に対して約15分で無色透明になる結果を得た。この成果は「水で水をキレイにする」技術の化学物質の分解が実現可能であることを示唆する結果であり、実用化を考慮すると研究成果の意義は大きい。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
「水で水をキレイにする」水の非熱プラズマ殺菌浄化システムの省エネルギー化の基礎研究を行ってきた。前年度は電気的な省エネルギー化を検討し、電力回収特性を調べた結果、最大で39.9 Wの発電を達成し、水の電気分解に必要な消費電力に対し、電力回収率が16%に達することが分かった。これまでの電力回収率に比べて5%向上した。また、流体力学的な効果による非熱プラズマ殺菌浄化システムの省エネルギー化を図るため、処理対象水のボイド率と溶存オゾン濃度の関係を明らかにした。今年度は、化学物質の分解効果の検証に注力した。実験結果として、メチレンブルーと赤インクを溶解した水溶液にオゾン気泡を注入することにより、いずれも無色透明になった。メチレンブルー水溶液では分光光度計により定量的に化学物質の分解効果を評価した。赤インクは複数の化学物質が含まれており、水の浄化における化学物質の分解の実用性を評価した。可視光と照度計を用いた簡易的な濃度評価方法を提案し、赤インク水溶液でも定量的に評価した。この成果は「水で水をキレイにする」技術の殺菌に加え、化学物質の分解も効果的に行えることを示唆する結果であり、本技術により安全な水を供給できることが期待される。実用化を見据えると、本研究成果の意義は大きい。
これらの成果は本研究の基礎をなすものであり、計画以上の進展と評価できる。しかし、実機創出に向けた化学物質分解のエネルギー効率までは十分な検証できていないことから、上記の評価とした。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度までは電気的な省エネルギー化に注力し、燃料電池を用いた省エネルギー型非熱プラズマ水質浄化の電力回収について調べた。さらに、流体力学的な効果による非熱プラズマ殺菌浄化システムの省エネルギー化に注力した。今年度は、化学物質の分解効果の検証を目的とし、水性インク溶液やメチレンブルー溶液のオゾンによる脱色効果を調べた。今後は、電気的な省エネルギー化における課題である余剰水素の有効利用を実現するために、水素吸蔵合金タンクで一時的に貯蔵し、再び燃料電池に供給することで回収電力の増加を図り、電気的なエネルギー効率の向上を目指す。流体力学的な高効率化については、今年度得られた成果を考慮して、細菌や化学物質の分解効率を向上させるために、特殊な外部装置を必要とせず、流れの中で自然発生可能な液相流のせん断とキャビテーションを併用したマイクロバブル発生機構を構築する。オゾン気泡をマイクロバブルとすることにより、気泡の微細化と気泡数の増加のトレードオフの問題を解決する。次にオゾンのマイクロバブルと処理水との接触時間を長くすることのできる渦式または螺旋式の浄化リアクタを設計・構築する。浄化リアクタにおいて、処理対象水の液相流束とオゾンの気相流束の関係よりボイド率を算出し、ボイド率と溶存オゾン濃度、細菌や化学物質の分解効果の関係を明らかにする。適宜フィードバックしながら目的を達成する。電気的な観点と流体力学的な観点から浄化システムの改善によりエネルギー効率を向上し、1 Whの達成を目標とする。最終的には実機レベルの水質浄化装置を開発し、試作機として試運転し、水質浄化性能を評価する。
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