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 当研究室 活性汚泥処理、オゾンによる分解、プラズマによる分解 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 ダイオキシンの構造式 気液界面 高温高圧場 OHラジカルに よる分解反応 気相 5000K~ 1000atm~ 熱分解反応 液相 常温常圧 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 超音波キャビテーション 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 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 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。 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。 ジェットキャビテーション 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。

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 実験の使用に適している。 揮発、吸着 Cl などの中間生成物 ガスクロマトグラフィー イオンクロマトグラフィー Cl パラジクロロベンゼン 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 密閉型装置による分解率とパラメータの関係 開放型装置による分解率とパラメータの関係 衝撃力と分解率の関係

密閉型分解装置 初期濃度 冷却水の水位 容量 距離 容器 時間 アクリル容器 反応容器 周波数計 振動子 発振器 パワーアンプ 電圧計 密閉型分解装置の概要図

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 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 3 1.27 7.53 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。 同一の反応容器で実験を実施する必要性。

生成イオン濃度は初期溶液濃度に比例する。 初期溶液濃度と生成イオン濃度の関係 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 同一の反応容器 公称固有振動数40ｋHz振動子 水位は振動子の上2cm 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 生成イオン濃度は初期溶液濃度に比例する。 今後の分解率の評価基準として を用いる。

開放型実験装置 駆動電圧 周波数 時間 初期濃度 冷却水の水位 開放型実験装置の概要図 発振器 パワーアンプ 周波数計 電圧計 振動子 反応容器 溶液 アクリル容器 開放型実験装置の概要図

超音波エネルギー拡散のためであると思われる。 冷却水の水位と分解率の関係 振動子 反応容器 溶液 アクリル容器 冷却水の水位 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 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 超音波エネルギー拡散のためであると思われる。 水位の増加に応じて分解率が減少。

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。 駆動電圧と分解率の関係 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 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 液面は静止 液面は振動 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。

各装置の分解率の比較1 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。 開放型 密閉型 分解率は時間に比例する。 開放型の方が分解率が高い。

各装置の分解率の比較2 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。 2% 98% 40% 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% 98% 40% 60% Cl 揮発、吸着 などの中間生成物 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 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 衝撃力測定装置の概要図 発振器 パワーアンプ 周波数計 電圧計 振動子 反応容器 溶液 衝撃力センサ トランジェントコンバータ パソコン アクリル容器 衝撃力測定装置の概要図 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 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。

溶液内の振動モードは複雑であると思われる。 溶液内の衝撃力の変化 振動子 中央 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 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 溶液内の振動モードは複雑であると思われる。

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。 水位と衝撃力の関係 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 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 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。 駆動電圧と分解率の関係 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 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。 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。

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。