現象を合理的に説明するための固有拡散係数を用いた気相多成分系拡散モデルの構築

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K05127
• 研究機関: 鹿児島大学
• 研究代表者: 甲斐 敬美 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (00177312)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 拡散 / 非等モル拡散 / 多成分系拡散 / 分子拡散域 / Grahamの法則

研究実績の概要

分子拡散域にある細孔での等圧気相二成分相互拡散が非等モルであることは1833年に報告されていたが、その120年後に再認識されGrahamの法則と呼ばれている。この現象は当時の常識外の現象で多くのメカニズムが提案されてきた。しかし、モデルのすべてが「等モル相互拡散係数」を使っており、前提条件や導出過程に問題があると考えている。その中のDusty Gas Model (DGM)は現在では多成分系拡散にまで拡張されて利用されている。また、多成分系の拡散ではStefan-Maxwellの式が広く使われるが、多成分の拡散現象であるにもかかわらずこの式は二成分の等モル相互拡散係数で現象を表現しようとしている。申請者は拡散現象を分子運動による移動とそれによる圧力勾配で生じる粘性流にブレイクダウンしたモデルを構築し、二成分系での定容拡散で起こる圧力変化を説明できることを示してきた。本研究では、このモデルを充てん層での多成分拡散に拡張する。実験では一端を閉じた充てん層を通した水素、窒素、アルゴンの拡散を行った。閉鎖された側には20 mL程度の空間をもうけた。他端は充てん層とは異なる組成のガスでスウィープしてガス交換を行った。閉じた側の空間の圧力と他端では充てん層の粒子径が数十μmで分子拡散域であっても、分子量が異なるガスの拡散においては圧力差が生じる。また、ガス交換によって閉鎖空間のガス組成も時間とともに変化するため、圧力とガス組成について時間をおって測定した。その結果、三成分系においても、提案したモデルによる計算値と実験結果は良好な一致を示した。計算においては、調整可能なパラメータは使用していない。

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

当初の計画では使用するガスは水素/窒素/二酸化炭素であった。しかし、二酸化炭素は粒子径が小さくなった場合に固体表面への吸着が無視できなくなるため、分子量が近いアルゴンに変更した。その後は、計画どおりに研究を実施することができ、提案しているモデルが多成分系の拡散に対しても有効であることを示すことができた。

今後の研究の推進方策

令和２年度にモデルの有効性をおおまかに確認することができた。しかし、圧力変化において、本来一つしかでないはずの極大値のピークが二つ現れることがあった。また、圧力は最終的には大気圧との差が０になるはずであるが、数Paの差が縮まらないことがあった。これらの現象がなぜ起きたのかこれまでは明らかにできなかった。令和３年度は、作成したセルに不具合があった、システムの構成に問題があった、三成分では起きる現象であり、モデルで表現できなかったという三つの仮定について、検討して原因を明らかにすることによって、モデルの精度をさらに向上させる予定である。実験は単一粒子径のガラスビーズを充てんした層を拡散セルとして用いる。充てん層の一端は定容の空間を設け第一ガスを充てんし、他方は第二ガスでスウィープする。定容の空間はガスタイトシリンジで構成し、一定時間経過後にガスクロによってガス組成の分析を行う。また、シリンジ内の圧力も微差圧計によって測定する。得られたガス組成と圧力の実験値をモデルによるこれらの計算値と比較することによって、本研究で提案しているモデルが多成分系のガス拡散に適用できることを検証していく。

次年度使用額が生じた理由

残額が342円と小さく、購入できる物品がないため使用しなかったが、次年度に併せて研究推進に利用する。