研究発表

高効率な水質環境浄化技術の開発のため,マイクロバブルによるO/Wエマルションからの油分回収を試み,油分回収速度に及ぼす気泡サイズや供給ガス流量などの操作因子の影響を実験的に調べた.その結果,気泡サイズの減少による気液接触面積の増加および気泡上昇速度の低下による気泡滞留時間の増加等により油分回収速度が増大した.一方,ガス流量を変化させても油分回収速度は変化しなかったが,これはガス量増加により油分吸着に寄与しないサブミリバブルやミリバブルの増加が起こったためだと考えられる.

マイクロバブルを用いた浮上分離法を,抗酸化作用を持つ有用物質であるポリフェノールの回収に適用する可能性について検討した.ポリフェノールとしてルチンを使用し,液中からのルチン回収量に及ぼすルチン初期濃度や気泡径の影響について実験的に検討した.その結果,無害な空気からなるマイクロバブルを用いて液中からのルチン回収を行うことができ,各操作条件がルチン回収量に及ぼす影響が明らかになった.

気液向流式気泡塔は並流式と比較して気泡滞留時間が長く,ガスホールドアップおよび気液接触面積の増加によるガス吸収性能の増加が期待される.本研究では既往の研究の少ない向流式気泡塔の設計に必要な流動特性としてガスホールドアップ,軸方向混合拡散係数および液側物質移動容量係数の測定を行い,各流動特性に対する向流液流速の影響について明らかにした.

活性汚泥を利用した廃水処理プロセスでは,微生物への効率的な酸素供給が必要不可欠である.本研究では旋回液流式のマイクロバブル発生器を利用したエアリフト型マイクロバブル曝気装置を開発した.本装置はコンパクトで可動式であり,酸素溶解性能が高いという利点を持つ.廃水処理性能の評価のため,モデル有機廃水を用いて曝気速度,溶存酸素濃度および装置形状が有機物分解速度に与える影響について検討した.

気泡塔の設計にCFD(Computational Fluid Dynamics)を利用することにより設計時間やコストの短縮を図ることが可能になるが,工業規模装置内の気液混相流どうは非常に複雑であるためモデル化が難しく,また既往の研究では計算結果と比較可能な大型装置での実験結果が見られない.本研究では,ベンチスケール気泡塔を用いた流動可視化実験を行い,その結果をもとにCFDによるモデル化について検討した.

高温流動場での蛍光温度測定に利用可能な新規蛍光物質の探索および設計を行った.蛍光温度測定は従来の温度測定法と比べて非接触で簡便であるという利点を持つ.本研究では蛍光強度比を利用した温度測定に利用できるよう,高温度領域で大きな強度比を示すY2O3:TbおよびY2O3:Tmの特性について検討し,これら蛍光微粒子の温度測定への適用可能性を示した.

垂直渦管が衝突するよどみ流予混合火炎において,予混合気の軸方向速度と周方向速度の時間変化,火炎面最下点位置の時間変化と周波数特性について検討を加えることを目的とし,既往の研究よりさらに高い回転数における火炎面挙動の特性を実験的に明らかにした.その結果,旋回の強さが増加するにつれて火炎面挙動が複雑になり,火炎面最下点位置の振動のスペクトル分布は離散分布から連続スペクトルへと変化することが明らかとなった.

天然ガスハイドレート火炎の伝播挙動には主に火炎が上流方向へゆっくりと伝播する linear motionと上流方向への速い伝播と消炎を繰り返すoscillating motionが存在するが,この伝播挙動の変化について実験的に検討した.その結果,着火温度の上昇と共に伝播挙動が linear motionからoscillating motionへ変化することがわかった.また,火炎伝播速度の変化は天然ガスハイドレートの相平衡温度に依存することが明らかになった.

マイクロバブル白濁液に超音波を照射するとマイクロバブル群の凝集による急速な脱泡が起こり,照射を停止すると凝集したマイクロバブルが再び液中で分散する現象が報告されている.本研究では,超音波照射により生じるマイクロバブルの凝集,合一や解砕に及ぼす諸操作因子の影響を実験的に明らかにした.特に,超音波照射によるマイクロバブルの動的制御の実現を目指し,周波数や出力の違いによる凝集挙動の違いについて検討した.

２波長強度比法による高温温度測定技術の確立を目指し,高温場への適用が可能な測温要蛍光体の開発のため,Tb3+,Tm3+を共添加した Y2O3:Tb,Tm蛍光粒子を合成し,測温用蛍光粒子としての可能性について検討した.その結果, Tb3+,Tm3+からの蛍光発光の温度依存性が異なるため,これら２波長の強度比は温度に対して良好な変化を示し測温用蛍光粒子として優位な特性を持っていることが示された.

ハイドレートの火炎伝播特性を明らかにするため,主に空気流速と着火温度に着目し,これら因子が伝播特性に与える影響について実験的に検討を行った.火炎の伝播挙動には,空気流上流へ向けてほぼ一様な速度で緩やかに伝播するlinear motion,上流方向に緩やかに伝播するが火炎先端に小さな振幅のあるtransient motion,上流方向へ素早く伝播した後消炎し着火源がある間この伝播と消炎を繰り返す oscillating motionがあり,着火温度と空気流速の影響を受けて伝播挙動は変化することが明らかになった.

高圧下で操作される懸濁気泡塔の装置設計のためには,塔内の流動状態を明らかにしておく必要があるが,高圧に耐えうる透明な材質で気泡塔を製作及び可視化実験を行うことは難しい.そこで本研究では,常圧で大きな密度を有するフロン及びハロンを用いて透明アクリル樹脂製気泡塔内で高圧下での流動状態を再現し,気泡径,ガスホールドアップ及び気液固流動状態について検討した.さらに混合拡散係数を推算するための実験相関式を導出した.

層流混合を行うための,1本の主流と複数の支流によって構成されるノンエレメントミキサーについて,混合器内の流体塊を３次元像として再現し,混合過程について検討を加え主流断面平均流速が混合促進に及ぼす影響について調べた.３次元像から流体塊の表面積を算出し,表面積の増加を混合促進の指標として用いた.実験の結果,ミキサー入口付近では主流流速による混合促進効果の違いが現れるが３本目の支流に到達する頃には表面積は主流流速によらずほぼ近い値となることがわかった.

高効率に水素生成を行うことのできる改質器の設計を目指し,改質器内部における反応の高効率化を達成できるよう,改質器を模したモデルを用いて反応過程及び流体挙動について数値解析的に検討を加えた.円柱状の触媒を多数配置した矩形型改質器を計算対象とし,反応モデルの詳細な設定においては出口での改質ガス組成が実験結果と一致するよう必要なパラメータを推定した.計算の結果,後流側の触媒を有効に活用し,より少量の触媒で効率的に水素を生成するための触媒配置に関する知見を得ることが出来た.

気泡の微細化による気泡塔の性能向上を目指し,スチームと非凝縮性ガスからなる混合蒸気を水中に噴射し水蒸気成分を直接接触凝縮させ微細気泡を製造する装置を塔底部に設置した気泡塔を開発した.本微細気泡発生法により従来法よりも高いガス溶解性能を実現することができた.また,気泡塔内の流動および物質移動に与える操作因子の影響を明らかにし,実験相関式を提案することができた.

大量に排出される高温のCO2を冷却することなく回収する技術の確立を目指し,高温下でCO2を吸収出来るリチウムシリケート粒子をスラリー化して用いるスラリー気泡塔型のCO2回収装置を設計するため,リチウムシリケート粒子懸濁溶融塩系内におけるCO2溶解吸収過程での速度論的解析を行った.その結果,用いた高温スラリー反応系では物質移動が律速であることが確認でき,またCO2の溶融塩への溶解速度,反応速度定数および活性化エネルギーを求めることが出来た.