| 研究課題/領域番号 |
23K22688
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01417 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 東京都立大学 |
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研究代表者 |
角田 直人 東京都立大学, システムデザイン研究科, 教授 (70345437)
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| 研究分担者 |
近藤 克哉 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (00295750)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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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 |
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2023年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2022年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円)
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| キーワード | 反応拡散分析制御 / 近赤外分光法 / 化学イメージング |
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| 研究開始時の研究の概要 |
マイクロ領域における化学反応時の全成分濃度と温度の同時イメージング法を確立し、拡散係数と反応生成率の空間分布を求めることを目的とする。このイメージング法は水の近赤外吸収帯の分光特性を応用した独自の方法である。本研究では、精度向上とともに、多くの反応に使用できるように波長と濃度変換モデルをデータベース化する。拡散係数と反応生成率の算定については、化学輸送方程式をベースにしたパラメータ最適手法を開発、液液反応と触媒反応時の値を求める。本研究は局所加熱時の拡散係数と反応生成率の変化を明らかにする特色があり、計測制御技術の提供とともに、溶液反応に関する学術的知見を得る。
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| 研究実績の概要 |
マイクロ領域における化学反応時の全成分濃度と温度の同時イメージング法を確立し、拡散係数と反応生成率の空間分布を求めることが本研究の目的であり、2023年度は特に中和反応に関するデータベース構築と拡散係数の算出法を確立することを目標とした。具体的には以下の項目を実施した。
(i)スペクトル測定：酸、アルカリ、塩の近赤外吸収スペクトル測定を実施し、データベースを作成した。
(ii)波長選定と回帰モデル構築：測定したスペクトルをケモメトリクス分析し、部分的最小二乗回帰(PLS)回帰を基盤とした逐次投影アルゴリズム(SPA)や競合適応再重み付けサンプリング(CARS)、サポートベクターマシーン(SVM)などの方法を予測誤差が最小となるように組み合わせ、非共線性を抑制した濃度推定のための回帰モデルを構築した。回帰モデルについてもデータベース化した。
(iii)分光画像取得と精度検証：上記の水溶液試料の濃度と温度を予測し、精度を求めた。ほとんどの成分に対して、濃度分解能0.1 Mと温度分解能0.2 Kを達成した。マイクロ流路内で酸と塩基の界面反応させ、塩の生成および拡散の様相を濃度分布として表示した。
(iv)拡散係数分布の算出：濃度の空間分布と拡散方程式をベースにして、中和反応時の酸、塩基、塩の拡散係数分布を求めた。反応界面では文献値よりも大きい拡散係数が得られ、温度依存性および濃度依存性の影響を定量的に確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(i)スペクトル測定、(ii)波長選定と回帰モデル構築、(iii)分光画像取得と精度検証、(iv)拡散係数分布の算出を概ね計画通りに実施することができた。モデル構築では、いくつかのアルゴリズムを比較検証して、中和反応に適した濃度予測モデルを提案し、今後の反応拡散研究の基盤が作られたといえる。また、中和反応時の複数成分の拡散係数分布の推定は世界で初めての成果といえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
スペクトルと回帰モデルのデータベースの一層の充実を推進する。これにより多くの成分に対しての可視定量的な分析が可能になるため、本研究課題のみならず、今後の反応拡散研究に寄与する。課題として、データ取得と解析に多大な時間と労力が掛かることが挙げられるが、本研究期間では主要な化学反応と成分を対象に、計画的かつ効率的に取り組み、方法と結果の有効性を証明していく。
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