振動子

キャビテーションを応用した水質
浄化方法に関する研究
平成17年2月14日
システム創成学科知能社会システムコース
20880 吉川雄介
研究背景１
• ダイオキシンの分解技術
– 活性汚泥処理、オゾンによる
分解、プラズマによる分解
• 当研究室
ダイオキシンの構造式
– ジェットキャビテーションによる
分解メカニズムの解明
• 有機物の構造によって分解
率が大きく変化
• 気泡崩壊エネルギーは分解
率に関係なし
• 分解率はキャビテーション発
生頻度にキャビテーション発
生領域を乗じたものに比例
OH
OH
気相
5000K~
1000atm~
熱分解反応
液相
常温常圧
気液界面
高温高圧場
OHラジカルに
よる分解反応
OH
キャビテーションによる分解メカニズム
研究背景２
• ジェットキャビテーション
– 渦を生じさせることで圧力低下
させてキャビテーションを発生
– 溶液の揮発
– 溶質の吸着
実験上の問題がある。
ノズル
FLOW
ジェットキャビテーション
ジェットキャビテーション
• 超音波キャビテーション
– 超音波による溶液圧力変化を
させてキャビテーションを発生
– ガラス製容器
– 容積100ｍｌ以下
実験の信頼性が高い。
超音波キャビテーション
研究背景３
• 従来の超音波キャビテーションによる分解に関する研究は、
主に化学系の研究者によって進められてきた。
– 分解しにくい毒性物質を超音波照射し、分解中に現れる中間物質の特
定や最終分解物質の有害性に重点を置く（大阪府立大学の前田など）。
– 山本、小西（京大）の論文でも音圧と分解の関係を少し論じた程度であ
る。
• キャビテーションによる有機物の分解は、力学と化学の両方
の分野にまたがる問題であるが、力学的な側面に対する理解
が乏しいと言える。
研究目的
• 超音波装置の各実験パラメータと分解率の関
係を明らかにする。
• 気泡崩壊衝撃力と分解率の関係を明らかに
する。
• ジェットキャビテーションではこれまで不明だっ
た分解データを補完する。
• 超音波キャビテーションがキャビテーション分
解の力学的解析を行う新たな手法として、そ
の可能性を論じる。
研究方法1
• 用いる溶液はパラジクロロベンゼン溶液
– ダイオキシンと似た構造
– ダイオキシンより安全な物質
– 揮発性、無極性物質
揮発、吸着
Cl
Cl
Cl
実験の使用に適している。
などの中間生成物
2Cl   2 H 2O  6CO2
パラジクロロベンゼン
ガスクロマトグラフィー
イオンクロマトグラフィー
パラジクロロベンゼンのキャビテーションによる分解メカニズム
研究方法2
1. 密閉型装置による分解率とパラメータの関係
2. 開放型装置による分解率とパラメータの関係
3. 衝撃力と分解率の関係
密閉型分解装置
容器
初期濃度
アクリル容器
容量
反応容器
冷却水の
水位
距離
時間
周波数計
振動子
発振器
パワーアンプ
密閉型分解装置の概要図
電圧計
反応容器と生成イオン濃度の関係
• 同種類の反応容器3つと
分解量の関係を測定する。
• 実験の条件は
– 公称固有振動数40ｋHzの
振動子
– 水位は振動子の上2cm
– 初期濃度0.227mMの溶液
50ml
– 反応溶液と振動子の距離
は0.7mm
– 発振器の設定周波数は
41.33ｋHz
– 駆動電圧は93v
（実効値65.8ｖ）
– １時間照射
底の厚みを含めて反応容器全体のわず
かな違いが生成イオン濃度に大きく影響。
生成塩化物イオ
ン濃度(μM)
容器と生成イオン濃度の関係
8
6
4
2
0
1
2
反応容器番号
3
反応容器により生成イオン濃度が大きく異なる。
容器の底の厚みと分解量の関係
容器番号
容器底厚み
(mm)
生成塩化物
イオン濃(μM)
1
1.59
1.19
2
1.65
0
3
1.27
7.53
同一の反応容器で実験を実施する必要性。
初期溶液濃度と生成イオン濃度の関係
–
–
–
–
–
塩化物イオン濃度
(μM)
• 異なる4点の初期溶液濃度と
分解量の相関を調べる。
• 実験の条件は
溶液初期濃度と生成イオン濃度の関係
2
1.5
1
0.5
同一の反応容器
0
公称固有振動数40ｋHz振動子
0
1
2
3
4
水位は振動子の上2cm
溶液初期濃度（×10^－4M)
溶液50ml
生成イオン濃度は初期溶液濃度に比例する。
反応溶液と振動子の距離は
0.7mm
– 発振器の設定周波数は41.33ｋ今後の分解率の評価基準として
Hz
生成イオン濃度 100
正規化イオン濃度＝
– 駆動電圧は93v（実効値65.8ｖ）
初期溶液濃度
– １時間照射
を用いる。
開放型実験装置
駆動電圧
周波数計
発振器
電圧計
周波数
時間
パワーアンプ
初期濃度
アクリル容器
反応容器
振
動
子
溶液
開放型実験装置の概要図
冷却水
の水位
冷却水の水位と分解率の関係
• 10mmずつ5点の水位と分解
率の関係を測定する。
• 実験の条件は
アクリル容器
水位の増加に応じて分解率が減少。
溶液
冷却水の水位
水位と分解率の関係
25
20
正規化塩化物
イオン濃度
– 同一の反応容器
– 初期濃度が0.358mMの溶液
70ml
– アクリル容器の中央に固定
– 公称固有振動数が50kHzの振
動子
– 発振器の設定周波数は
55.23kHz
– 駆動電圧は60v（実効値42.4v）
– 照射時間は30分
反応容器
振
動
子
15
10
5
0
0
10
20
30
水位(mm)
40
超音波エネルギー拡散のため
であると思われる。
50
駆動電圧と分解率の関係
– 同一の反応容器
– 初期濃度0.422mMの溶液
70ml
– 水位0mm
– 公称固有振動数50kHzの振
動子
– 発振器の設定周波数は
55.23kHz
– 照射時間は30分
駆動電圧と分解率の関係
20
正規化塩化物
イオン濃度
• 10Vずつ5点の駆動電圧と
分解率の関係を測定する。
• 実験の条件は
16
液面は静止
12
液面は振動
8
4
0
0
20
40
60
駆動電圧（V）
80
100
駆動電圧により分解率は大きく影響。
振動が溶液内の振動モードを変化させる
ため、分解率が減少すると思われる。
•密閉型と開放型の分解率
の時間変化を測定する。
•実験の条件はそれぞれ
基準としてきた条件で行う。
分解率は時間に比例する。
開放型の方が分解率が高い。
正規化塩化物
イオン濃度
各装置の分解率の比較1
各装置の時間と分解率の関係
35
30
開放型
25
20
15
10
密閉型
5
0
-5 0
60 120 180 240 300
時間（分）
減少したパラジクロロベンゼン濃度
減少率＝
100(％)
初期パラジクロロベンゼン濃度
生成した塩化物イオン濃度
回収率＝
100(％)
減少したパラジクロロベンゼン濃度  2
各装置の分解率の比較2
装置
減少率(%)
回収率(%)
密閉型
4(4時間)
66~76(1時間、4時間)
開放型
60(60分)
30~40(30分~60分)
ジェットキャビテーション
35(6時間)
2.3(6時間)
超音波キャビテーションはジェットキャビテーションに比べ、少ない時間で良い回収率、減少率を獲得。
2%
Cl
2Cl   2 H 2O  6CO2
Cl
Cl
揮発、吸着
98%
40%
などの中間生成物
60%
ジェットキャビテーションでは
分からなかったパラジクロロ
ベンゼンの行方がある程度
解明できた。
衝撃力の測定
周波数計
発振器
電圧計
トラン
ジェント
コンバー
タ
パワーアンプ
アクリル容器
反応容器
溶液
パソコン
振
動
子
衝
撃
力
セ
ン
サ
衝撃力測定装置の概要図
キャビテーションの力学的作用と化学的作用の関連を調べる。
• 溶液内の局
所的な衝撃
力変化
• 水位と衝撃
力の関係
• 駆動電圧と
衝撃力の関
係
溶液内の衝撃力の変化
振動子
• 溶液中央で振動子の下か
ら1mmずつ21点を測定し、
溶液内の衝撃力の変化を
調べる。
• 実験の条件
中央
溶液内の衝撃力分布
12
衝撃力（N)
– 衝撃力センサを含めて溶液
容量70ml
– 公称固有振動数50kHzの振
動子
– 発振器の設定周波数は
55.23kHz
– 駆動電圧60ｖ（実効値45.4ｖ）
– 水位0mm
溶液内の衝撃力
測定ライン
超音波の半波長
＝13.6mm
8
4
0
0
5
10
15
20
25
振動子からセンサまでの垂直距離（ｍｍ）
溶液内の振動モードは複雑であると思われる。
水位と衝撃力の関係
水位と衝撃力の関係
8
6
4
2
0
0
正規化塩化物
イオン濃度
– 衝撃力センサを含めて溶液
容量70ｍｌ
– 公称固有振動数50kHzの振
動子
– 発振器の設定周波数は
55.23kHz
– 駆動電圧60ｖ（実効値
45.5kHz）
– 衝撃力は振動子の下1mmで
計測
衝撃力（Ｎ）
• 10mmずつ5点の水位と衝
撃力の関係を測定し、分解
率と比較する。
• 実験の条件
10
20
30
水位(ｍｍ）
40
50
水位と分解率の関係
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
水位(mm)
40
50
振動モードが変化しない時、衝撃力と分解率に相関が見られる。
駆動電圧と分解率の関係
– 容量、振動子、設定周波数
は一つ前の実験と同じ
– 水位0mm
– 衝撃力は振動子の下1mmと
下20mmで計測
駆動電圧が上がると衝撃力は上がる
が、分解率は途中から減少に転じる。
14
12
10
8
6
4
2
0
1mm下測定
1mm下測定
20mm下測定
20mm下測定
0
20
40
60
80
100
駆動電圧（Ｖ）
駆動電圧と分解率の関係
20
16
12
8
4
0
正規化塩化物
イオン濃度
• 10vずつの駆動電圧と衝撃
力の関係を測定し、分解率
と比較する。
• 実験の条件
衝撃力（Ｎ）
駆動電圧と衝撃力の関係
0
20
40
60
駆動電圧（V）
分解率は衝撃力より溶液内モードの影響が大きいと思われる。
80
100
本研究のまとめ１
• 超音波キャビテーションの分解率に対する各
種のパラメータの影響を明らかにした。
– 濃度は分解率に関係がない。
– 反応容器により分解率は変化する。
– 水位が増加するほど、分解率が減少する。
– 駆動電圧は分解率に大きく影響する。
– 分解量は照射時間に比例して、増加する。
• 反応容器内の複雑な振動モードが分解率に
対して支配的な影響を持つと考えられる。
本研究のまとめ2
• ジェットキャビテーションでは回収できなかっ
たパラジクロロベンゼンの行方がある程度解
明した。
• メカニズム解明のための実験手法として、本
手法と、ジェットキャビテーションを比較すると、
– 揮発や吸着の影響を受けにくく、物質の化学変
化をより正確に測定できる。
– 実験パラメータのわずかな変化で溶液内の振動
モードは大きく変わるため、振動モードをコント
ロール可能な、より高精度な実験装置で実験を
行う必要性がある。

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