| 研究課題/領域番号 |
17K06891
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| 研究機関 | 広島大学 |
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研究代表者 |
福井 国博 広島大学, 工学研究科, 教授 (60284163)
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| 研究分担者 |
深澤 智典 広島大学, 工学研究科, 助教 (00589187)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 振動流動層 / マイクロ波加熱 / ナノ粒子 / 凝集 / 成分分離 |
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| 研究実績の概要 |
振動流動層は付着性の高い微細な粒子径を持つ粉体を流動化でき、高い粒子移動速度と粒子間衝突頻度を与えられるので、「造粒作用・凝集粒子の形成を促進する」、「層内の不均一性が抑制され、物質移動速度が増大する」などの特徴がある。これら特徴を持つ振動流動場を、今までに応用されたことがない「粒子状物質の成分分離」「マイクロ波加熱を利用した機能性材料粒子の合成」に利用し、安価な成分分離プロセスと高効率かつ迅速な粒子合成プロセスを開発することを目的としている。さらに、これらプロセスを、粒子状廃棄物中の有効成分の分離回収と再資源化、磁性材料, 触媒, 耐火構造材などの複合酸化物や窒化物ナノ粒子合成に応用することを目的としている。
振動流動場の構築と操作条件, 粒子物性が凝集粒子形成に及ぼす影響の検討を行った。すなわち、1点で支持した円管を水平に振動させつつ、分散板を通して下部から気体を供給し、粉体層を流動化させる。この時に形成される凝集粒子径と、その質量割合を計測し、振動条件や粒子物性（パウダーテスタで計測）の影響を明らかにした。なお、試料粉体には、凝集性に大きな差異の見られるサブミクロンSiO2, Fe2O3, ZnO粉体とした。これらを用いた場合に最も凝集粒子を形成しやすい操作条件を探索した。
振動流動層型マイクロ波加熱反応装置の構築と機能性粒子の合成を行った。上記で確立した振動流動場でマイクロ波を照射する振動流動層マイクロ波加熱反応装置を構築した。なお、原料供給と集じん装置による製品回収を連続的に行えるように構成した。マイクロ波照射法には、定在波式とキャビティー式のいずれの照射法が適するかを検討すると同時に、最適な運転条件や装置形状を実験的に明らかにした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
当初の予定では、「振動流動場の構築と操作条件, 粒子物性が凝集粒子形成に及ぼす影響の検討」において、振動方向を水平から垂直に変更し、振動方向が与える効果についても検討する予定であった。また、「振動流動層型マイクロ波加熱反応装置の構築と機能性粒子の合成」においても、開発した装置を用いて、ペロブスカイト構造を持つ常磁性材（MgFe2O4）, 耐熱性材料（MgAl2O4）などの複合酸化物ナノ粒子や酸窒化物ナノ粒子の合成, ITOや電池材料（Li4Ti5O12）の迅速合成,迅速気固反応（木質バイオマスチャーからのメタンガス合成）などに利用する予定であったが、これらまでを実行できなかったため、上記の通り判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成29年度中に実施する予定であった「振動流動場の構築と操作条件, 粒子物性が凝集粒子形成に及ぼす影響の検討」において、振動方向を水平から垂直に変更し、振動方向が与える効果についても早急に検討する。また、「振動流動層型マイクロ波加熱反応装置の構築と機能性粒子の合成」においても、開発した装置を用いて、ペロブスカイト構造を持つ常磁性材（MgFe2O4）, 耐熱性材料（MgAl2O4）などの複合酸化物ナノ粒子や酸窒化物ナノ粒子の合成, ITOや電池材料（Li4Ti5O12）の迅速合成,迅速気固反応（木質バイオマスチャーからのメタンガス合成）を実施する。
また、平成３０年に実施する予定の「反応装置内の電磁界強度・伝熱3次元連成シミュレーション法の確立」において、反応場内の電磁界強度・伝熱3次元連成シミュレーションを行う。電磁界強度分布のシミュレーションには、伝送線路理論にしたがった空間のモデル化・離散化に基づく波動伝播を逐次的に解く伝送線路法（TML法）を用いる。被加熱原料の吸収エネルギー（電力密度）がすべて熱に変換されるとして、熱伝導や自然対流なども考慮した熱流体シミュレーションから温度分布を算出する。算出した温度における誘電損失などの物性を再計算し、再度電磁界シミュレーションを行う。このステップを収束するまで繰返す連成シミュレーション法を確立する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
「振動流動場の構築と操作条件, 粒子物性が凝集粒子形成に及ぼす影響の検討」において実施予定であった「振動方向を水平から垂直に変更し、振動方向が与える効果」についての検討を実施するに至らなかった。また、「振動流動層型マイクロ波加熱反応装置の構築と機能性粒子の合成」において、「ペロブスカイト構造を持つ常磁性材料（MgFe2O4）, 耐熱性材料（MgAl2O4）などの複合酸化物ナノ粒子や酸窒化物ナノ粒子の合成, ITOや電池材料（Li4Ti5O12）の迅速合成,迅速気固反応（木質バイオマスチャーからのメタンガス合成）などに利用し、その性能の評価を行う」ことができなかった。さらに、装置の最適化を通して、これら反応の均質化や反応時間の短縮による低コスト化についても実施できなかった。これらに該当する経費を使用できていないので、次年度使用額が発生した。平成30年度の検討項目に加えて、上述の検討項目も実施することで、経費を予定通りに執行する。
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