| 研究課題/領域番号 |
18K03940
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| 研究機関 | 高知工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
秦 隆志 高知工業高等専門学校, ソーシャルデザイン工学科, 准教授 (00342577)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ウルトラファインバブル / ナノバブル / コンタミネーション / ソノルミネッセンス / 超音波 |
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| 研究実績の概要 |
流体工学分野の混相流を筆頭に、多くの学術分野や産業分野においてファインバブル（微細気泡）研究が進んでいる。しかしながら、ファインバブルの内、特に1μm未満で定義されるウルトラファインバブル（ナノバブル）については、その微小性から評価が困難であり、粒度分布測定から得られるデータをそのままウルトラファインバブルとすることは不純物の混在（コンタミネーション）も検討されることから難しい。本研究の目的は不純物混在下においてもウルトラファインバブルを定性的・定量的に評価できる計測法の確立を目指して、超音波照射によって生じるソノルミネッセンス（発光現象）を用いた新たな計測法について研究をおこなう。
研究概要としては、【① 純水中でのウルトラファインバブルの評価（1年目）】、【② 不純物の影響（2年目）】、【③ 不純物が混在したウルトラファインバブルの評価（3年目）】、および【④ ウルトラファインバブルの消泡の検討（1～2年目）】とした。
当該年度の研究実績としては【② 不純物の影響（2年目）】において固体ナノ粒子としては粒子径100nmのポリスチレンラテックスを、イオン成分としてはNaClを、油脂の代用として食用油であるオレイン酸を分散させたそれぞれの「不純物系」を作製し、ソノルミネッセンス測定をおこなった。結果、ソノルミネッセンスの挙動はウルトラファインバブル-固体ナノ粒子、および食用油をそれぞれ添加した系ではそれら存在の有無による大きな差異は認められず、ウルトラファインバブルの存在の有無にのみ差異を確認した。他方、NaCl添加系ではソノルミネッセンス強度が上昇した。
また【④ ウルトラファインバブルの消泡の検討（1～2年目）】においては1年目に引き続き超音波以外のウルトラファインバブルの消泡手法として凍結溶解、超遠心分離、フィルターろ過、真空脱気等の物理的・化学的な消泡を検討した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
【② 不純物の影響（2年目）】において固体ナノ粒子：ポリスチレンラテックス、イオン成分：NaCl、油脂の代用：食用油（オレイン酸）を分散させた「不純物系」を作製し、ソノルミネッセンス測定をおこなった。結果、ソノルミネッセンスの挙動はウルトラファインバブル-固体ナノ粒子、および油をそれぞれ添加した系ではそれら存在の有無による大きな差異は認められず、ウルトラファインバブルの存在の有無にのみ差異を確認した。また、その差異の程度（強度差）はウルトラファインバブルの量に依存したことから、固体ナノ粒子、あるいは油滴が混在したウルトラファインバブル水においても、本研究の目的であるウルトラファインバブルと不純物を定性的に識別し、かつウルトラファインバブルを定量的に評価できる可能性を得た。他方、NaCl添加系ではウルトラファインバブルの有無にかかわらず、ソノルミネッセンス強度が上昇した。これはNaイオンが溶液中に存在した場合、超音波による気泡の膨張に伴いNaイオンも気泡内に取り込まれ、次いでこの気泡が圧壊することによって気泡内に取り込まれたNaイオンがNa原子になり、さらに励起されることで発光することから説明できる。しかしながら、ウルトラファインバブル崩壊によるOHラジカルに着目したソノルミネッセンス挙動のみを観測した場合は、この影響が低減される。その概念の元、OHラジカルに起因する波長のみを通過するフィルターを具備することで解決に取り組んでいる。なお、OHラジカルの発生を確認するため、当初予定の物品購入は個人研究費から捻出し、分光蛍光光度計の購入費に充てた。
【④ ウルトラファインバブルの消泡の検討（1～2年目）】においては凍結溶解でウルトラファインバブルは減衰するものの、固体ナノ粒子も凝集して同様に分散量が減数することを確認した。現状では超音波、それも高周波においての消泡効果が高い。
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| 今後の研究の推進方策 |
当初の計画通り、以下を実施する。
【③ 不純物が混在したウルトラファインバブルの評価】（3年目）
「現在までの進捗状況」に記載した内容の通り、本項目は先行的に実施している。研究概要として挙げた【① 純水中でのウルトラファインバブルの評価（1年目）】、【② 不純物の影響（2年目）】、【③ 不純物が混在したウルトラファインバブルの評価（3年目）】、および【④ ウルトラファインバブルの消泡の検討（1～2年目）】について、固体ナノ粒子、および油滴混在下においては、理想的な③‐②＝①（≒④）に近い結果を得ることができた。
他方、課題となったNaClなどのイオン成分の影響について、OHラジカルを選択的に観測できるフィルターを具備して検討する。さらに、NaClなどのイオン成分溶解下のウルトラファインバブルの粒子径や数密度などの計測をおこない、相互データの関連付けからイオン成分溶解下でのウルトラファインバブルの定性的・定量的に評価できる計測法の可能性を総括的に探る。
また、OHラジカルを指標とすることから、ソノルミネッセンス強度とOH量の関係性を明らかにする必要がある。そのため、購入した分光蛍光光度計からOHラジカル定量計測をおこない、その不明な点を明らかにし、原理特定と確立を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
実験状況に応じて実験消耗品で残額が生じた。次年度、実験消耗品で使用予定。
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