研究発表

スラリー気泡塔型反応器による高温排ガス中のCO2直接回収技術を開発し,CO2吸収剤の吸収性能および溶融炭酸塩におけるCO2吸収メカニズムの検討を行った.リチウムフェライト(LF)粒子を溶融炭酸塩に懸濁させたスラリーによるCO2吸収実験を行いLF粒子のCO2吸収性能について検討するとともに,溶融塩のみによるCO2吸収実験を行い溶融塩中に含まれる炭酸リチウム成分がCO2吸収性能に与える影響を明らかにした.

側壁通気槽にガス分散器を設置し,既往の研究例の少ない側壁から通気される矩形槽内の流動状態の測定を行った.側壁通気条件での気泡径,ガスホールドアップおよび液流速を測定し,ガス分散器を槽底に設置した底部通気条件との違いを明らかにした.さらに,ドラフトチューブを挿入しエアリフト効果の影響について検討した.

無毒性,生体適合性,生分解性に優れるアルギン酸ゲルにより作製したアルギン酸ゲルビーズにマイクロバブルを内包させたマイクロバブル内包ゲルビーズの製造技術を確立させた.ゲルビーズ内のマイクロバブル含有量を調整することによりビーズ密度の制御も可能となった.さらにマイクロバブルに加えて固体微粒子も内包させたゲルビーズの製造にも成功した.

洗浄分野で実績を挙げているナノバブルについて,固体表面に付着した無機塩結晶の除去を洗浄のモデル実験として行い,洗浄水中に存在するナノバブルの洗浄促進効果について実験的に検討した.その結果,静止液中に無機塩結晶を静置させた場合にはナノバブルによる洗浄促進効果は見られないが,液が流動しているとその刺激によりナノバブルによる洗浄促進効果が顕著に現れることが明らかとなった.

廃水中に含まれる油分を低コストで回収し水を浄化するため,マイクロバブル浮上分離塔を用いたエマルションからの油分回収を行った.水中に油滴が懸濁したO/Wエマルションにマイクロバブルを通気することによりマイクロバブル表面に油を吸着させて水相からの分離・回収を試み,油分回収速度に及ぼすガス流量やバブリング時間の影響を実験的に調べた.

低動力で微細気泡を分散させることのできるスリット型オリフィス式サブミリバブル分散器の開発と最適化のため,スリットのナンバリングアップが生成気泡径やガスホールドアップ,物質移動容量係数に与える影響について検討した.その結果,単孔ノズルや焼結球などの従来型のガス分散器が優れた気泡分散性能およびガス溶解性能を示すことが明らかになった.

近年DDS等に用いられるリポソームの化学工業的な応用を目指し,リポソームによる反応物の隔離・運搬と外部刺激によるリポソームからの内容物の放出について検討した.外部刺激として加熱と超音波の2種類を用い,加熱温度及び超音波の周波数がリポソームからの内容物放出に及ぼす影響を明らかにした.複数の外部刺激を適切に制御することにより,単一の反応管内で複数の反応を行う等のプロセス強化が期待出来ることを示した.

超音波の間接照射を利用した反応器設計のため,材質や底面厚さが反応器内に伝わる超音波強度に与える影響について実験的に検討した.KI法及びカロリメトリーによる分析結果から,本実験の範囲では反応器底面が薄いほど反応器内に伝わる超音波強度が大きいことがわかった.またガラスとポリエチレンの比較実験から,材質の選択の重要性が明らかになった.さらに,周波数や出力,液面高さ等,種々の条件が超音波強度に及ぼす影響についても検討した.

高温CO2回収プロセス開発のため,高温溶融塩中にリチウムシリケート粒子を懸濁させたスラリー気泡塔でのCO2回収実験を行った.本システムは従来法と異なり,燃焼排ガスを冷却する必要がないという利点を持ち,回収した高温のCO2を重合反応プロセスの原料とする等,新たな可能性が期待出来る.本研究では,ガス空塔速度やスラリー濃度に代表される操作条件がCO2回収性能に与える影響を明らかにした.

超音波の照射と停止によるマイクロバブルの凝集および液中への再分散を動的に制御するため,周波数や出力が凝集挙動に与える影響について検討した.出力が低い場合,マイクロバブルは超音波によるBjerknses力により凝集するが表面が負に帯電しているため電気的反発力が働き合一することはなかった.一方,出力が大きくなるとBjerkness力が増大するためそのバランスが崩れ,マイクロバブルが合一する様子が観察された.

液中でのマイクロバブルの溶解・収縮現象を利用した新規な晶析プロセスの開発を目指し,水素,酸素,窒素及びヘリウムを用いてガスの種類が気泡の収縮現象に与える影響について検討した.また,スクロース水溶液を用いて初期気泡径が生成結晶サイズに与える影響について検討した.さらに,大量な結晶製造プロセス開発のため電気分解によるマイクロバブル生成及びスクロースの晶析を行った.

工業規模の廃水処理プラントで用いられる好気性微生物による有機物の分解では,微生物への酸素供給速度が全プロセスの律速段階となることが多い.本研究では,酸素溶解性能の高いマイクロバブルを用いたコンパクトかつ可動式の曝気システムの開発を行った.最適なマイクロバブル発生装置の選定,曝気装置の設計及び開発の後,有機物分解試験を行い本システムの最適化について検討した.

マイクロチャンネルやミニチャンネルを用いたコンパクトな熱交換器の開発を目指し,ミニチャンネル内気液二相流の熱移動特性について実験的に検討した.その結果,液単相流の場合に比べ,気体を導入したスラグ流を形成させた場合では液スラグ中に形成される循環液流により熱移動が促進されることが明らかになった.また,操作条件および使用液体の物性の影響による熱移動促進効果の違いについて検討した.

マイクロリアクターは比表面積が大きいため熱移動の制御が容易であり,また滞留時間や気液接触時間の精密な制御も可能であるという利点を持ち,様々な反応への応用が期待されるがマイクロリアクター内の混相移動現象をシミュレーションするためのモデルは少ない.本研究では,液/液および気/液スラグ流に注目し,Y字型マイクロリアクターの形状,作動流体の物性や操作条件が流動および混合に及ぼす影響について数値計算と可視化実験の両面から検討した.

液中に分散したマイクロバブル群に超音波を照射するとマイクロバブルの凝集あるいは合一が起こり,また照射を停止すると凝集体の解砕が起こることが報告されているが,その力学的なメカニズムは解明されていない.そこで,超音波照射により生じるマイクロバブルの動的挙動に及ぼす諸操作因子の影響を実験的に解析し,特に超音波の周波数が凝集に及ぼす影響について明らかにした.

発熱反応を伴う液体流動場において発生する振動現象について,装置条件,操作条件および流体物性が流れの振動パターンおよび温度の振動パターンに及ぼす影響についてフラクタル解析をもとに検討した.特に, 規則的な縞状の振動パターンが下流へ進むにつれて複雑に変化していく様子のモデル化にフラクタル解析が有用であることが示された.

液体流動場において発熱反応に基づいて発生する振動現象において,装置スケールの減少が発生する振動パターンに与える影響について検討した.流れの可視化実験により,流路幅が小さくなると流れ方向へのパターン変化が顕著になること及び振動の発生点が不安定になることがわかった.また,その様子をラグランジュ的視点およびオイラー的視点によるフラクタル解析の適用により定量的に示すことができた.