男1絲氏42 (課程博士(和文))2021年

応用化学・生命工学専攻
氏名

学籍番号第 179402 号

チ旨導1孝女員

3月ノ」、ロ

達夫

高島和則

22日

佐場雅俊

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

高温気相中における酸化アルミニウム生成反応モデルの研究(要旨 1,200字程度)
アルミニウム粉末の燃焼は、高純度かつ微小な酸化アルミニウム粒子を容易に合成できることから酸化アルミニウム粉末合成方法の 1つとして利用されている。生成する酸化アルミニウム微粒子の物性はアルミニウムが燃焼する様々な条件により左右される。しかしながら、所望の物性を満たす最適な反応条件を模索するととはニスト・時間・安全性の観点から容易ではない。この問題を解決する手段として、
詳細化学反応モデルを用いた燃焼反応シミュレーションが考えられる。詳細化学反応モデルに必要な反応速度定数は実験により測定された値、もしくは量子化学計算によって推定・算出された値が通常用いられる。残念なことにアルミニウムの燃焼反応についての、特に燃焼反応で重要な200OKを超える高温における反応速度定数測定はまったくぉこなわれていない。また量子化学計算による検討も少数の反応系についておこなわれているにすぎない。すなわち酸化アルミニウム合成において用いることが可能な詳細化学反応モデルは存在しないのが現状である。
そこで本研究では、量子化学計算を活用し起こりうる素反応を網羅的に検討司、ることでアルミニウム気相燃焼についてのユニバーサルな詳細反応モデルを構築することを目標とした。始めに0ヅH20/C02を酸化剤として想定し、アルミニウム気相燃焼において起こりうる約30の反応ダイアグラムにっいて量子化学計算を活用して構築した。そして得られたデータへRRKM理論を適用することで各反応経路の任意温度・任意圧力における反応速度定数を算出した。実験値の存在するN+0.、 AI0+02、 N+CO.、 AI+ H20 については反応速度定数の比較をおこない、量子化学計算の計算精度の範囲内でよく一致していることを確認した。構築した詳細化学反応モデルは、反応シミュレーションに用いてその挙動を検証Lた。様々な反応条件における反応経路、反応生成物組成、酸化アルミニウム生成時間を既報の実験結果と比較することで、反応系内に02が十分存在する場合にはどのような反応温度であっても、反応系内に02が全く存在しない場合でも反応温度が HOO K以上であれば、現実的な挙動を示すことを確認した。同様に流体シミュレーションに用いることで、流体シミュレーション中での反応挙動や計算時間、計算安定陛について検証し、その実用性を確認した。
本研究の結果、アルミニウム気相燃焼反応についての高精度かっ実用的なユニバーサル詳細化学反応モデルを構築することができた。

男1絲氏 4

1 (課程博士(英文))Date of submission (1nonth day, year)
Department ofStudennDNumber

Pplicant's name

Tatsuo 0宮Uchi

D179402

Apphed cl]emlslry and Llfe scleⅡCe

March 22"d 2021

Supervis0玲

KazunoriTakashima

入lasatoshi saba

AbstNd (Docto")
Title ofThesis

A study on the reaction model forthe formation ofaluminum oxidein the high・temperature gas・phase

Approx.80o words

Combustion of aluminum powder is used as one of the production methods for aluminum oxide
Powder because it can easily synthesize high・purity and fine aluminunl oxide partides. The physical
Properties of the produced aluminum oxide partides depend on various combustion conditions
UnfoTtunately, it is not easy to find the optimum combustion conditions that ptoduce aluminum oxide
Powder wlth the desired physical ptopetties from the viewpoint of cost, time, and safety As a means toSolve this problem, thete is a combustion simulation using a detailed chemical kinetic model. Geneta11y,
the reaction rate coeffidents required for the detailed chemical kinetic model are values measuTed by
the experiments or values estimated and calculated by quantum chemical calculation. unfortunately,
Particularly lmportant reaction rate coeffidents above 200O K about aluminum combustion have notbeen measured. Besides, studies by quantum chemical calculation have been peYformed only on a smaⅡ
number of reaction systems. That is to say, at present, there is no detailed chemical kinetic modelthat
Can be used forthe production of aluminum oxide powdet
Therefore, in this study,1 ain〕ed to construct a universal detailed chemical kinetic model foraluminum gas・phase combustion by comprehensively examinin8 Possible elementary reactions usingquantum chemical calculations. First, assumin名 02 / H20 / C02 as an oxidant, approximately 30
Possible teaction diagrams for aluminum gas・phase combustion were constructed using quantum
Chemical calculations. Then, by applyin3 the RRKM theory to the obtained data, the reaction rate
Coef丘Cients of each elementaly reaction path at atbitrary temperature and pressure were calculated. FotAI + 02, AI0 + 02, AI + C02, and AI + H20, the calculated reaction rate coeffidents were compatedWith the experimental values and wete matched weⅡ With them within the calculation accuracy of thequantum chemical calculation. This detaⅡed chemical kinetic model was used for reaction simulation toValidate its reaction behavior. By comparing the simulation results with the experimental results, thisdetailed chemical Rinetic modelwas confirmed to behave realistica11y in any combustion environment ift11e reaction temperatute iS 140O K or hi晉her. simHatly, by usin名 this detailed chemical kinetic modelina auid simulation, the reaction behavior, the calculation time, and the calculation stability wereValidated, and the practicaHty ofthis detailed chemical kinetic modelwas confirmed
As a result of this study, a hi3hly accurate and practical universal detailed chemical kinetic
modelfor the aluminum 名as・phase combustion was constructed