液中プラズマ処理の高効率化に向けた開発

液中プラズマ処理の高効率化に向けた開発
大阪市立大学　工学研究科　電子情報系専攻　白藤　立
●液中プラズマの「昔」と「今」
昔からの液中プラズマ
『高温』～数千Ｋ
最近の液中プラズマ
『低温』～数百Ｋ
低温液中プラズマ
●液中『低温』プラズマの特徴と用途
従来の液中『高温』プラズマ：溶接などに限定される
（炭化水素分解，カーボンナノ材料合成などもあるが）
最近の液中『低温』プラズマ：多岐に渡る応用が模索されている
特徴
・低温
⇒　容器・対象物の選択肢が豊富（生体も）
・高媒質密度 ⇒　高速・大量プロセスの可能性
・高活性
⇒　短寿命・高活性ラジカルの利用
⇒　ＵＶ・Ｏ３よりも高効率の可能性
※ＵＶ・Ｏ３発生はプラズマによる（間接的）
・分解系応用
・合成系応用
・修飾系応用
⇒　水処理（難分解性物質分解・殺菌）
⇒　ナノ材料合成・薄膜合成
⇒　ナノ材料高分散化
大阪市立大学　産学官連携推進本部
TEL: 06-6605-3614
FAX: 06-6605-2058
Email: [email protected]
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液中プラズマ処理の高効率化に向けた開発
大阪市立大学　工学研究科　電子情報系専攻　白藤　立
●液中『低温』プラズマの課題（の一つ）
液体容量に対する
プラズマのサイズが
あまりにも小さい
点
2009
面
2011
2014
体
Side View
40 mm
1 mm
3 cm
2 mm
10 cm
Insulator
大容量化
Glass
MWNT
PTFE
W-electrodes
2 mm
Insulator shield to avoid
unintentional discharges
Pulse
voltage
source
φ30 mm
3.2 kV
10 kHz
2 µs/on
Microplasmas at interface
Melamine foam ( t = 2 cm)
w/ aqueous solution
M.B. 50 mg/L, 120 uS/cm (KCl)
2.4 kV 15 kHz
SUS304
1/4 inch (OD)
Plasma
φ30 mm
Silicate glass
Pore diameter
1 mm (average)
T. Shirafuji, J. Hieda, N. Saito and O. Takai:
ISPC-20, 2011, Philadelphia, U.S.A.
t 3 mm
Plasma
Porous
dielectric
Copper plate
J. Hieda, T. Shirafuji, Y. Noguchi, N. Saito, and O. Takai:
J. Jpn. Inst. Metals 73, 938-942 (2009).
HV metal
electrode
ITO (for top-view observation)
Quartz ( t = 1mm, diam.= 10 cm)
Aqueous solution
NH3 1x10-4 mol/L
Liquid out
Borosilicate
Glass (Duran)
t 2 mm
Gas
φ2 mm x 6
Liquid in
T. Shirafuji, A. Nomura and Y. Himeno:
Plasma Chem. Plasma Process., 34, 523-534 (2014).
●これまでの研究成果
無処理
引張・曲げ強度は向上するが，
衝撃強度が低下
⇐ナノ材料と母材の低親和性
ＳＰ処理
衝撃強度をある程度維持しつつ
引張・曲げ強度が向上
⇐ナノ材料と母材の親和性向上
95
本手法＝2 時間，水，もしくは
アンモニア水溶液だけ
90
+10%
85
80
Airplanes
75
125
PA6
PA6+CNB
PA6+CNB/SPP
0.4
0.2
2 nm
2 nm
(b) Bending test
120
0.0
300
+8%
+8%
400
500
600
700
(a) Icosahedron
800
(b) Icosahedron
Wavelength (nm)
115
{11
Extrusion
Composite
60 min
50 min
40 min
30 min
20 min
10 min
0.6
液面上放電を使うと
液面上にナノ粒子含有薄膜
の形成が可能
}
11
{1
Bending strength (MPa)
コンポジット
（複合）
0.15 mM
0.8
{111}
110
nm
CNB(Carbon nanoball)
or
CNT(carbon nanotube)
+12%
AuHCl4 0.15 mM
35
+
1.0
Automobiles
(a) Tensile test
多孔質体内の内壁コーティング
や内壁修飾に使えるかも？
（スキャフォールドの処理など）
0.
2
ナイロン
（ポリアミド６）
Yield stress (MPa)
従来法＝168 時間，60℃昇温
＋硝酸 (HNO3)
＋塩化チオニル (SOCl2)
＋エチレンジアミン
大量高速連続合成の可能性（粒径制御が課題）
→プラズマ・液ナノ界面の物理と化学の解明が必須
-1
複合材料形成への応用
Absorption coefficient (cm )
従来の溶液化学プロセスよりも
『簡素化』＆『高速化』
ナノ材料の合成
1}
ナノ材料の改質
105
(a)
1cm
(b)
T. Shirafuji, Y. Noguchi, T. Yamamoto, J. Hieda, N.
Saito, O. Takai, A. Tsuchimoto, K. Nojima and Y.
Okabe:
Jpn. J. Appl. Phys. 52, 125101 (6pp) (2013).
1cm
1cm
PA6
PA6+CNB
1mm
PA6+CNB/SPP
1mm
生の PA6
Impact strength (kJ/m)
5.4
1mm
無処理 CNB
との複合
(c) Charpy impact test
5.2
Eco-ships
2 nm
(c) Icosahedron
High-speed trains
5.0
-3%
4.8
-7%
4.6
PA6
SP 処理 CNB
との複合
0
10
PA6 /
PA6 /
MWCNT SPP-treated
(0.5 wt.%)
MWCNT
(0.5 wt.%)
20
30
40
50
60
10 min
20 min
1
30 min
60 min
0
400
800
従来のゼロ次元（点型）
のソリューションプラズマ
o
3.8 mg/L, 150 mL , 30 C
2.0
Conventional SP
1.0
ガス不要，だが
消費電力が大
3D Integrated
micro SP
0.5
10
15
20
25
φ30 mm
Treatment time (min)
Liquid in
対決
20
30
40
50
60 min
Porous
dielectric
Silicate glass
Pore diameter
1 mm (average)
94.4
0
3,187 円
0円
6.4
0.01
527 円
98 円
Total (JPY)
1.04
3,187 円
Liquid out
Borosilicate
Glass (Duran)
t 2 mm
低消費電力，だが
ガス必要
5 cm
0D SP
3D SP
我々の三次元（体型）
の集積化ソリューション
プラズマ
Elec. (Wh)
Gas (m3)
φ30 mm
30
φ30 mm
10
Time (h)
Plasma
Insulator
0
1 mm
φ 6 mm (Out. Diam.)
φ 1 mm (Inn. Diam.)
Ar 1.1 L/min
5
Borosilicate
Glass (Duran)
t 2 mm
Tungsten
φ1 mm
Insulator Al2O3
0
６.５倍速・料金１/５
Liquid out
Insulator
Metal
electrode
Gap
1.5
0.0
500
600
700
Wavelength (nm)
Methylene blue
殺菌
HV metal
electrode
SUS304
1/4 inch (OD)
Plasma
t 3 mm
Plasma
φ30 mm
Gas
φ2 mm x 6
3D SP
0.16
625 円
Liquid in
T. Shirafuji, Y. Himeno, N. Saito and O. Takai:
J. Photopolym. Sci. Technol., 26, 507-511 (2013).
直接処理＝大腸菌の殺菌が可能，だが，
プラズマ処理した水にも殺菌効果があった
「プラズマ処理水＝単なる過酸化水素水？」　かどうかを確認中
(a)
treated with the PTW
witnin 30 minutes of
its preparation
(b)
treated with the PTW
after 24 hours of its
preparation
電気代＝基本 (334.22JPY)+30.23(JPY/Wh)xElec(Wh)（関西電力）
ガス代＝アルゴン 1 本 (9,450JPY/7m3)ｘ（Gas/７）（ネリキガス）
0 min
大阪市立大学　産学官連携推進本部
TEL: 06-6605-3614
24 時間放置した水の方が効果
が高い．なぜ？（調査中）
3D IMSP
-1
0 min
2
0D SP
5 kV, 20 kHz, TON = 2.3 us
2.5
1 cm
Time (min)
Control
3.0
Absorption Coefficient (cm )
-1
Absorption Coefficient (cm )
3
o
Methylene Blue 3.8 mg/L, 150 mL, 30 C
5 kV, 20 kHz, TON 2.3 us
Ar 1.1 L/min
(d) Single crystal
T. Shirafuji, J. Ueda, A. Nakamura, S. -P.
Cho, N. Saito and O. Takai:
Jpn. J. Appl. Phys. 52, 126202 (5pp)
(2013).
液体処理
4
2 nm
FAX: 06-6605-2058
1.5 min
3 min
Email: [email protected]
http://www.osaka-cu.ac.jp/ja/research/collaboration_oﬃce
6 min

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