超音波キャビテーション気泡群による簡便なサブミクロン粒子のサイズ認識濃縮法

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05199
• 研究機関: 鹿児島大学
• 研究代表者: 二井 晋 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (90262865)
• 研究分担者: 五島 崇 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (90709560)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: ultrasound / particle / separation / submicron

研究実績の概要

本研究は、申請者により発見された、サブミクロン粒子懸濁液の超音波噴流内において、超音波で発生された霧よりもはるかに高い粒子分離度と濃縮度が得られた事実に基づき、超音波照射下での液中気泡群による粒子サイズ認識メカニズムを解明して分離粒子径の制御手法を開発することと、濃縮に適した噴流からの標的粒子濃縮物の回収法を確立し、超音波による微粒子分離技術の学術基盤を構築することを目的とする。
令和３年度には実験装置として、1～3 MHzの超音波振動子を備え、100 mLの粒子分散液に超音波を照射して噴流を発生させる槽を用いて検討を行った。試料に単分散シリカを選択し、粒子径が100 nmと300 nmを所定の割合で混合して、空気飽和水に分散させた懸濁液試料を調製した。この粒子懸濁液に所定の周波数および投入電力で超音波を照射して生じた噴流から採取したサンプルを分析し、100 nm粒子の分離度と濃縮比を調査した。
令和２年度までの実験から噴流中の試料採取位置を変えたところ、これまでに見られた100 nm粒子の濃縮と逆に、300 nm粒子の濃縮を確認した。この事実は超音波照射により液中での粒子径による局在化が生じ、液中内でサイズによる粒子分布が存在する可能性を示している。
令和３年度の検討項目として、試料粒子懸濁液から液中溶存ガス量を低下させた場合に分離に及ぼす影響を調査した。予め空気飽和された試料を用いて100nm粒子が濃縮される箇所において、溶存ガス濃度を低下させたところ濃縮が見られなくなり、溶存空気が粒子の局在化に重要な役割を果たしていることを明らかにした。超音波照射下での溶存気体の影響としては、キャビテーション作用と推測される。
以上より、超音波照射により液柱の内部で100 nm粒子の局在場と300 nm粒子の局在場が分布していること、さらにこの局在化には溶液の溶存気体が影響を及ぼすことを明らかにした。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初予定したよりも進捗状況はやや遅れている。コロナウイルスの影響を受け、実験がストップした時期の影響を受けた。得られた成果として、粒子懸濁液中への超音波照射により生成した噴流中で100 nm粒子の濃縮場とは異なる部分で300 nm粒子の濃縮が確認されたこと、さらに粒子分離の発現に液中溶存気体が関与することの証拠を得たのは顕著である。キャビテーション気泡の性質と量を決めるのは、液中の溶存気体の種類と量であり、気体の種類を変化させて実験することで、気泡の影響をより明確に理解できる。したがって、令和4年度には溶存気体としてアルゴンなど、キャビテーション作用の増強が報告されているガスを用いて分離への溶存ガスの影響を精査するとともに、メカニズム解明のために簡単化した系での気泡挙動を把握して手掛かりを得て、解明を試みる。

今後の研究の推進方策

進捗にやや遅れが見られることから、研究協力者の大学院学生を増員して計画の遂行を加速する。当初計画していた、懸濁液への溶存ガス種の変化による分離への影響の調査を速やかに行う。粒子懸濁試料の複雑さに起因する、現象解明の困難を低減させるために粒子を除いて基礎的な検討を行う。すなわち水中のキャビテーション気泡挙動について、超音波照射による発生の状態を、種々の溶液条件とくに溶存気体の種類と量を変化させて把握した後、気泡の存在状態を把握した水への粒子添加により、気泡もしくは粒子の挙動の変化を計測して、気泡と粒子間の相互作用の解明をねらう。

次年度使用額が生じた理由

コロナウイルスによる緊急事態宣言により、旅費の執行ができなかったこと、研究活動制限のため計画にそった実験を進めることができず、当初の計画通りに執行ができなかった。そのため、最終年度である令和４年度には研究を加速して行う。