水ジェットキャビテーションの有機物分解の応用に関する研究 2003年2月17日システム創成学科環境・エネルギーシステムコース指導教官山口一教授 10776 中塚史紀水ジェットキャビテーションとは水中のノズルから高圧で水を噴出するノズル高圧水水簡単な装置崩壊時に数千度、千数百気圧の高温・高圧有効利用に向けた研究が近年盛ん界面の強いせん断で渦が発生渦中心の低圧で気泡が成長気泡が崩壊水ジェットキャビテーションの利用・高い気泡崩壊圧が得られるので、様々な分野に応用されている。・金属材料の加工や表面改質、洗浄、バリ取り等・有機物の分解や滅菌などにも応用できないか研究が進められている。水ジェットキャビテーションによる金属板の切断研究背景・過去の分解実験において、長時間の回流実験を行うと、分解速度が低下することがわかっている。濃度 (% ) p-ジクロロベンゼンの分解実験・気泡核の減少がその原因か。回流時間(min.) 気泡核キャビテーションで崩壊する気泡の核となりうる水中の微小気泡これまでの研究で長時間の有機物分解実験を行うと分解速度が低下することがわかっている。気泡核の減少によりキャビテーションが弱まることが原因ではないか。本研究の目的・これまでの研究によりキャビテーションによって有機物が分解されていることはわかっている。・気泡核数の減少が分解効率低下の影響か衝撃力、分解速度に対する気泡核数の影響を解明する。水中の溶存酸素量、気泡核数気泡崩壊の衝撃力分解率の測定水ジェットキャビテーション発生装置水ジェットキャビテーション発生装置閉鎖型試験部自由表面有り試験部ノズル形状・0.114mm径のものを小径ノズル、 0.22mm径のものを大径ノズルと呼ぶ。キャビテーションの様子噴出方向水中の溶存酸素量及び気泡核数の測定溶存酸素量(%) 溶存酸素量の経時変化 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 自由表面有り閉鎖型 0 60 120 180 回流時間(min.) 240 300 コールタカウンタの原理外部電極(-) 内部電極 (+) ・電気伝導度を利用して粒子の大きさ、数を測定・測定可能な粒子の大きさは5μm～サンプル粒子気泡核数密度の変化(小径ノズル) 1.6E+08 気泡核数(個/m^3) 1.4E+08 自由表面有り 1.2E+08 1.0E+08 8.0E+07 6.0E+07 4.0E+07 閉鎖型 2.0E+07 0.0E+00 0 60 120 180 回流時間(min.) 240 300 衝撃力の測定衝撃力センサ・圧電性を持つPVDF膜を利用・時間分解能がnsec.のオーダー(衝撃力の発生はμsec.のオーダー）衝撃力の発生（小径ノズル/閉鎖型 30分回流後） 35 30 衝 25 撃 20 力 15 (N) 10 5 ・周期的な衝撃力の発生 0 -5 -10 -15 0 1 2 3 4 5 時間(msec.) 6 7 8 9 10 衝撃力分布の変化（小径ノズル/閉鎖型) 240分後 0.16 0.14 ・回流時間が増えると分布が小衝撃力側に移動する。相対頻度 0.12 30分後 0.1 0.08 0.06 ・レイリー分布 0.04 0.02 0 0 5 10 衝撃圧(N) 15 20 衝撃力分布の変化 (小径ノズル/自由表面有り) ・自由表面有りの試験部では衝撃力分布は回流時間によらない 0.2 0.18 240分後 0.16 相対度数 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 30分後 0.04 0.02 0 0 5 10 衝撃力(N) 15 20 衝撃力の発生周期 (小径ノズル閉鎖型試験部) 30分回流後 240分回流後ビフェニルの分解実験ビフェニル    ベンゼン環が2つ結合したもの。ダイオキシン類の一種であるコプラナー(平面構造を取れる） PCBの母核である。飽和蒸気圧が８．９３×１０-３ mmHgである半揮発性物質。ビフェニルの構造式分解実験・20MPa/自由表面有りの組み合わせのみ極端に分解率が低い。 100 90 20MPa/自由表面 80 残存率(%) 70 30MPa/閉鎖 60 50 40 26MPa/自由表面 30 20 46MPa/閉鎖 10 0 0 60 120 180 240 300 回流時間(min.) 360 420 480 ・回流時間を追うごとに分解率は低下の傾向・吐出圧が高いほど分解率も高い傾向実験誤差の要因ビフェニルは半揮発性物質回流中に揮発で失われる部分もある。自由表面有り試験部を使用した際の主な誤差要因 2時間で最大20% ノズル以外でのキャビテーション逆止弁でキャビテーションが発生。イオンクロマトグラフにより炭酸イオンの発生を確認。 2時間で最大35% 閉鎖型試験部での主な誤差要因気泡核供給の効果・吐出圧逆止弁でのキャビによる大径/閉鎖：約30MPa 100 90 濃度 80 (% ) 60 70 50 40 30 20 揮発による 20% 26MPa/自由表面有り 35% 30MPa/ 閉鎖型小径/自由：約26MPa ・分解率小径/自由＞大径/閉鎖 10 気泡核供給の効果有り 0 120分回流後本研究の成果    気泡核数および溶存酸素の低下に伴ない、衝撃力は小さく、その発生頻度は低くなる。気泡核数が多いと分解効率は向上。分解効率が低下する理由が気泡核数の低下であることが明らかになった。これまで行われてきた分解実験では揮発の影響は考えられていなかったが、本実験で定量化できた。今後の課題   ジェットの吐出圧を下げずに試料水中に気泡を供給できるような実験装置の開発。揮発の影響を排除、もしくは正しく評価し、補正が可能な実験装置、実験方法の確立。