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静止流体中で急速に溶解するマイクロバブルを利用し、希薄溶液から結晶を製造する新しい晶析プロセスの開発が期待されている。結晶のサイズおよび個数を制御可能なプロセスを設計するには、マイクロバブルの溶解速度ならびに気泡周囲の溶存気体濃度分布を予測する必要がある。既往の研究において、静止流体中の単一気泡の溶解速度を予測可能なモデルは複数報告されているが、マイクロバブルを用いた実測結果とのずれが大きく、とくに界面活性剤存在下での溶解速度を正確に予測することが困難である。そこで本研究では、種々の界面活性剤が存在する静止流体中でのマイクロバブル溶解速度を算出可能なモデルの確立を目的とした。
非定常拡散方程式より求める気泡界面での溶存気体濃度勾配から気泡内ガス成分の液相への移動モル流量を求め、溶解に伴う気泡径の時間変化と気泡内物質量の減少速度の関係を理想気体の状態方程式により表現し、両者を連立して気泡径の時間変化を表す式を導出した。また、界面活性剤が気泡に吸着すると物質移動を阻害すると考えられるため、気液界面での濃度を平衡濃度とせず界面活性剤に依存する補正係数を導入した。
種々の界面活性剤水溶液をマイクロチャネルに圧送し、マイクロシリンジにより気相を導入し生成した気泡を観察用セルへ輸送し、溶解収縮挙動を観察した。画像解析により求めた気泡径時間変化とモデルによる計算値のフィッティングにより補正係数を算出した。酸素マイクロバブルをSDS、CTAB、Triton X-100およびTween 80の水溶液中でそれぞれ溶解させたところ、界面活性剤濃度がCMC以下のとき、界面活性剤による補正係数は分子量の増大に伴い減少した。一方、CMC以上の濃度の場合は補正係数の分子量への顕著な依存性は見られなかった。
以上より、種々の界面活性剤を含む流体中での溶解速度を良好に予測可能なモデルを提案した。
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