| 研究課題/領域番号 |
15K18266
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
藤岡 沙都子 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (50571361)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 微細気泡 / マイクロバブル / 溶解 / 収縮 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では「マイクロバブルの急速な溶解による結晶製造プロセスの開発」を目的とし、静止流体中における単一微細気泡の溶解・収縮速度について解析を行った。微細気泡では溶存気体の液相中での拡散速度に比べて気泡から液相への溶解速度が大きく、溶解中の気泡周囲に高溶存気体濃度領域が形成されると考えられる。そこで酸素呈色試薬レサズリンを液相に添加し、高溶存酸素濃度領域が形成される様子を可視化した。本研究で得られた成果は以下の通りである。
マイクロ流路中で溶解する微細気泡の収縮速度を測定し、ガス種や初期気泡径が収縮速度に及ぼす影響を明らかにした。
気泡内ガスに酸素を含むとき、収縮する微細気泡の周囲には高溶存酸素濃度領域が形成されることを酸素呈色試薬の色変化により可視化した。
単一微細気泡の溶解に伴う気泡径の時間変化を計算するため、既往のモデルに高溶存気体濃度領域の形成を加味したモデルを提案し、計算値と実測値の良好な一致を得た。
今後は結晶製造に重要な微細気泡周囲の濃度場を予測可能にすることを目指す。モデルによる計算値の妥当性を確認するため、マイクロ流路中に静止微細気泡を生成させ、周囲濃度の時間変化をすでに導入済みの局所溶存酸素計により測定する予定である。
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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
計画当初は呈色試薬による液相の色変化を利用し、あらかじめ作成する画像輝度と酸素濃度の検量線を用いて気泡周囲の濃度を測定する予定があったが、実験に用いたマイクロ流路内では撮影画像の輝度変化が小さいため十分な分解能が得られないという懸念が発生した。そこで、計画当初より大きな流路を作成し、色変化と局所溶存酸素計による測定の両面から濃度場の定量化に取り組んでいる最中である。ただし、流路の材質上、周囲の大気からの酸素溶解の影響が大きいことが判明したため、解決方法を探索中である。
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| 今後の研究の推進方策 |
おおむね計画の通りであるが、気泡周囲の溶存気体濃度の正確な測定に向けて、実験系の工夫が必要である。流路材質の変更、あるいは簡易ドラフトの使用により解決を試みる予定である。また、溶解速度に大きく影響する流路内圧力の影響を考慮に入れ、モデルによる計算値と実測値の比較を行うため、圧力制御が可能な気泡観察装置を準備したいと考えている。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
計画当初はガラス製の特注マイクロ流路内で気泡収縮を観察する予定であったが、呈色による色変化の小ささや局所溶存酸素計の接続の困難さ等から流路の仕様を変更した。流路材質をガラスからPDMS樹脂に変更し、また流路内に気泡生成ノズル部を持たない単純な形状とすることでマイクロ流路の価格が計画当初より小さくなり、次年度使用額が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
マイクロ流路の材質をガラスから樹脂にしたことで周囲の空気からの酸素溶解が測定に与える影響が無視できなくなったため、形状を保ったままガラス製に戻す、あるいは現在使用中のPDMS製流路を使用可能なように周囲気体の制御が可能な装置を設置する、などの解決策をとる予定である。前者の場合、周囲の酸素を完全に遮断した状態で外部から局所溶存酸素計を挿入可能な流路の作製が必要である。後者の場合は簡易ドラフト等の導入により、周囲気体から流路内への酸素溶解の影響を抑えることができると考えられる。
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