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

Noboru Yoshikawa

Takuya Yamamoto

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。
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.

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）や電磁力（kHz）領域の高周波を利用した材料プロセッシングについて研究を行なっている。一例として自動車の排気ガス浄化に関するマイクロ波加熱法の特殊利用を紹介する。自動車のスタート時には、触媒担持体の温度が低く、触媒が有効に機能しない。マイクロ波照射によれば、金属微粒子は選択的、および迅速に加熱が生じるため、イグニッションとともに触媒機能を発揮することが期待される。この様な目的で、その基礎研究としてナノサイズを有する金属粒子とセラミックスの複合体を作成し、GHz 領域におけるそれらの誘電率や導電率の測定、およびマイクロ波加熱速度の測定を行なっている。Fig.5 には、現実の触媒金属粒子ではないが、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、超音波は‟フローズンエマルジョン ” と呼ばれる新しいタイプの複合材料を生成できる。
す。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 2019

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

Fig.3 SEM views of Bi particles in aluminum createdby ultrasonic frozen emulsification

ミックス複合体のマイクロ波加熱速度に及ぼす金属粒子の体積分率依存性を示している。最大速度と体積組成、金属粒子の種類、粒径などとの関係について、詳細に調査を行っている。

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と乱流渦の関係性を解明し、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 throughacoustic cavitation assisted plasma (ACAP) with gas
injection

For these purposes, as the fundamental study, we measure the effective
permittivity and electric conductivity of composites consisting of nanosized metal particles and ceramics. We obtained the microwave heating
rates, as demonstrated in Fig.5, which shows the dependence of volume
fraction on the microwave heating rate at 2.45GHz in a single-mode
microwave apparatus. A detailed investigation is being performed on theinfluences of the metal species and grain size.

Environmentally Friendly Metallurgical
Processing
To improve the recyclability of aluminum, there is a need to use moresecondary aluminum, which contains many impurities. We are developing
novel methods for mechanical stirring of molten aluminum, aimed atbetter flux dispersion and more efficient removal of impurities. To achievethese purposes, water model experiments are performed to investigate
fluid flow and mass transfer during aluminum melt stirring and casting.
Additionally, numerical simulation is conducted to investigate transportphenomena in large-scale melting furnaces using a supercomputer. As
shown in Fig. 6, the relationship between gas–liquid interface deformationand turbulent vortices during mechanical stirring was investigated bynumerical simulation, and directions for reducing the entrainment of oxide
film were developed.

Fig.5 Relationship between volume fraction of
metal particles and microwave heating rate of
two composite bodies.

Department of Frontier Sciences for Advanced Environment

Al-Bi ベースのフローズンエマルジョンの微細組織の一例を Fig.3 に示

The effects of ultrasound waves are associated with the ability of ultrasoundto propagate through elastic mediums such as gas, liquids, and solids andthus to transfer energy to places where it is needed. Our research investigatesultrasound-related phenomena to develop more efficient and sustainable
processes for treating liquid metals, wastewater, and exhaust gases. In
particular, we investigate phenomena such as cavitation and acoustic
streaming through experiments and numerical simulation (Figs.1、2). These
two phenomena arise when ultrasound waves propagate through liquid
phases. When cavitation bubbles collapse, they release huge amounts ofenergy, which is used for fragmenting and dispersing solidifying crystals
and solid particles in molten metals as well as for decontaminating waste
water. For example, ultrasound makes it possible to fabricate a new type ofcomposite material called frozen emulsions. An example of the microstructureof an Al-Bi–based frozen emulsion material is shown in Fig. 3. In anotherproject, we are investigating the combined effects of acoustic cavitation andunderwater plasma, aimed at developing a new, more efficient technology
for wastewater treatment. Figure 4 shows the degradation efficiency ofrhodamine B under various experimental conditions.

2.45GHz シングルモードキャビティーにおいて測定した金属粒子 / セラ

In our lab, fundamental studies have been performed on the application ofhigh-frequency electromagnetic fields to applications for materialprocessing. One example is the application of microwave heating’s
selective and rapid heating characteristics to detoxify exhaust gas frommotor vehicles. Upon the ignition of a car, the temperature of a ceramic
body for supporting metal particles is not high enough, and the catalytic
performance of the particles is expected to be high. Microwave heating is
expected to immediately heat the particles and realize their function at thecold-start phase.

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 toEnvironment/Material Processing

Fig.6 Snapshot of simulated free surface shapeand turbulent vortices during mechanical stirring.

Coexistence Activity Report 201951