資源循環プロセス学講座

Sustainable Recycle Process

循環材料プロセス学分野

Material Process for Circulatory Society

循環型社会を目指した材料製造プロセスの研究

教授 コマロフ・セルゲイ

准教授 吉川 昇

助教 山本 卓也

Environment-friendly Material Processing

Professor

Sergey Komarov

Associate Professor

Assistant Professor

本研究グループの研究目的は、環境調和型の材料プロセスを開発し、持続可能な社会を実現することである。この目的を達成するために、物理作用や波の効果を利用して伝統的な材料プロセスを変革することに挑戦する。物理場は処理される物質に選択的にエネルギーを供給する。エネルギーを供給する手法が極端に限られた高温プロセスに対しては、このような物理場や波は特に有効である。本研究グループの別の研究は物理モ
デルと数値シミュレーションである。この分野では、溶湯処理や金属鋳造、排水処理といったプロセス内での、単相流、混相流に対する流動、熱、物質輸送を解明する基礎研究を行なっている。

Noboru Yoshikawa

Takuya Yamamoto電磁場を利用した環境 /材料プロセッシング
本研究室では、マイクロ波（GHz）を用いた材料プロセッシングを行なっている。マイクロ波は電磁波であり、GHz で振動する電場と磁場を有している。我々は、材料に対する電場と磁場による照射

The purpose of our group is to develop environmentally friendly material processes in order to contribute to building a sustainable society. To achieve thispurpose, we are trying to break the barriers of traditional materials processing with the help of physical fields and waves. Physical fields offer an effective
way to selectively supply energy to the materials being processed. Physical fields and waves are especially attractive for high-temperature processes, forwhich the choice of techniques available for supplying energy are severely limited. Another field of our research activity is physical modeling and numericalsimulation. In this area, fundamental studies are performed to clarify the fluid dynamics and the heat and mass transport phenomena in single andmultiphase flows in such processes as melt treatment, metal casting, and waste processing.

効果を分離して調べている。特にマイクロ波磁場と外部静磁場との関係は、磁気共鳴をはじめとし、新規な材料プロセッシング手法の開発において興味深い。さらにマイクロ波には、熱平衡論では説明が難しい「非熱的効果」が存在すると言われている。Fig.5 には（a）
ZrO 2 ,B2O3 ,C のマイクロ波励起反応による ZrB2 の合成に関する熱力学的考察および（b）反応により生成した ZrB2 の SEM 写真を示す。
熱力学で予想される温度より低い温度で ZrB2 が生成することが確認されている。これは材料製造プロセスにおいて、省エネルギー化に寄超音波を利用した材料プロセッシング
超音波は気体や液体、固体のような弾性体中での超音波伝播能力や必要とされる場所へ超音波のエネルギーを伝播させる能力に影響される。本研究での目的は、超音波に関連した現象を調査し、溶融金属、排水、排気ガスに対するより効率的で持続可能な処理プロセスを開発用してキャビテーションや音響流という現象を調査している（Fig.1、2）。
液相中へ超音波を照射した時にこれらの現象が発生する。キャビテー
ション気泡は超音波によって圧壊するが、そのときに莫大なエネルギーを放出するため、溶融金属中での凝固中の結晶や固体粒子の破壊や分散、排水中での不純物分解に利用される。例えば、アルミニウム
溶湯中の Al-Fe 金属間化合物粒子は超音波によって微細化されるがる。別のプロジェクトでは、超音波キャビテーションと水中プラズマを組み合わせた影響を調査し、新規高効率排水処理の技術開発を目指している。Fig.4 は様々な実験条件における Rhodamine B の分解効率を示している。

Fig.1 A schematic representation of cavitation (left) andnumerically predicted pressure in a cavitation bubble (right)

50 Coexistence Activity Report 2018

Fig.2 A typical pattern of cavitation zone
and acoustic streaming

Fig.3 SEM views of Al-Fe intermetallic particles
formed under various times of ultrasonic irradiation

分の均一化等を目的として、高周波（kHz）印加に依る非金属融体の誘導加熱撹拌に関する基礎研究（低融点の溶融ガラスや溶融塩を対象として実験及びシミュレーション）を行なっている。

環境調和を考慮した金属製造・加工プロセス
アルミニウムのリサイクル率を向上させることを目的として、リサイ
クルによって再生された二次地金を利用する割合を高めるための研究を行っている。具体的には、アルミニウム溶湯を機械撹拌することで不純物を吸着させるフラックスを高速に分散させる技術や機械撹拌に伴って発生する酸化物等の巻き込み低減を達成する技術開発のために、水を用いた流動、物質輸送実験、アルミニウム撹拌・鋳造実験、スーパーコンピュータを利用した大規模アルミニウム溶湯撹拌シミュレーションを行っている。Fig.6 のように水モデル実験や数値シミュレーションを利用することで機械撹拌操作中での気液界面変形挙動を解明し、酸化物巻き込み低減のための指針を示している。

Fig.4 Degradation efficiency of Rhodamine B undervarious conditions: underwater plasma, ultrasound andtheir combination (ASAP)

In Figure 5, part (a) is a composition diagram of the thermodynamicequilibrium calculation for the reaction of ZrO2, B2O3, and C. Part (b) is a
SEM photograph of a ZrB2 particle formed via a microwave-excitedreaction. These results demonstrate that the ZrB2 was formed at an
unexpectedly low temperature, based on the thermodynamic equilibrium.
This feature could contribute to energy savings in industrial production.
In addition, we conduct fundamental studies on the high-frequency (kHz)induction heating and stirring of nonmetallic molten fluids. This includes
experimental and simulation studies of molten vanadium oxide glass andmolten salts.

Environmentally friendly metallurgicalprocessing
To improve the recyclability of aluminum, there is a need to use moresecondary aluminum and scrap; however, such materials contain a lot ofimpurities. We are thus developing novel methods for the mechanicalstirring of molten aluminum, with the goal of producing better flux
dispersion and thus more efficient removal of impurities. To achieve thesepurposes, we performed water-model experiments to investigate fluid
flow and mass transfer during the stirring and casting of molten aluminum.
In addition, we conducted numerical simulations on a supercomputer toinvestigate transport phenomena in large-scale melting furnaces. As
shown in Figure 6, we investigated the gas-liquid interface deformation
during mechanical stirring using a water-model experiment and anumerical simulation; we thus developed a method to reduce theentrainment of oxide film.

Fig.5 (a) Thermodynamic calculation of phasecomposition at high temperature for considerationof reaction among ZrO2, B2O3 and C. (b) SEM
photograph of formed ZrB2 by microwave
excited reaction at 1300oC.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment（Fig.3）、これはリサイクル可能な Al 合金や複合材料の開発へと繋がThe effects of ultrasound waves are associated with the ability of thesewaves to propagate through elastic mediums such as gases, liquids, andsolids. Thus, these waves can be used to transfer energy to places where itis needed. The purpose of our research is to investigate ultrasound-related
phenomena and to develop more efficient and sustainable processes for thetreatment of liquid metals, wastewater, and exhaust gases. In particular,
we investigate phenomena such as cavitation and acoustic streaming
through experiments and numerical simulations (Figs. 1 and 2). Thesephenomena arise when ultrasound waves propagate through liquid phases.
When cavitation bubbles collapse, they release a huge amount of energy,
which can then be used to fragment and disperse the solidifying crystals
and solid particles in molten metals, as well as to decontaminate
wastewater. For example, the ultrasound-assisted refinement of Al-Fe
intermetallic particles in molten aluminum (Fig. 3) provides a backgroundfor the development of easy-to-recycle Al alloys and composite materials.
In another project, we are investigating the combined effect of acoustic
cavitation and underwater plasma, with the goal of developing new, more
efficient technologies for wastewater treatment. Figure 4 shows thedegradation efficiency of rhodamine B under various experimental
conditions.

与すると考えられ、期待されている。またガラスリサイクルにおける成Our laboratory also hosts fundamental studies on the microwave
processing of materials. Microwaves are electromagnetic waves withoscillating electric and magnetic field components at GHz frequencies. We
separately investigate the irradiation effects of electric and magnetic
fields. Notably, microwave magnetic-field irradiation with the impositionof an external magnetic field is of interest, not only because this raises
magnetic resonance but also because it could be used in the developmentof new process for material fabrication. Moreover, microwave processing
has a so-called nonthermal effect.

先端環境創成学専攻することである。特に、当研究室では実験と数値シミュレーションを利Ultrasonic processing:
Fundamentals and applications

Application of electromagnetic fields toenvironmental and materials processing

Fig.6 Snapshots of (a) experimental and(b) simulated free surface shapes during
mechanical stirring.
Coexistence Activity Report 201851