広島大学 大学院先進理工系科学研究科 化学工学プログラム
工学部第三類 化学工学プログラム

微粒子工学研究室
Fine Particle Technology Laboratory（福井・石神・深澤 研究室）

微粒子工学研究室の研究

微粒子ハンドリングプロセス技術に関する研究を行っています !!
私たちの研究は、PM2.5やカーボンニュートラル等の環境問題対策、様々な粉体製品の製造プロセス開発や特性評価、合理的かつ迅速なプロセス設計や化学工学・粉体工学のDX推進に役立ちます。

実験だけでなく、コンピュータシミュレーションやAIによる研究も行っています。

粉体状廃棄物の環境問題

粒子分散液の計算科学

リサイクル（PM2.5の集じん）

特性評価

データ科学

• 分級による粉体成分調整• 集じん機の性能予測• 粒子界面の特性評価• 粒子挙動の可視化・予測• 流動層による成分分離• フィルタ捕集機構の解明• 粒子の分散・凝集• 条件や設計の最適化• 油水分離• 粒子分散液のレオロジー

フィルタの集じん性能とろ布の劣化挙動の予測
バグフィルタ集じん機における粉体の捕集機構やフィルターろ材の経年劣化について研究しています。これらの研究はPM2.5などの微小粒子の排出抑制や集じん機の長寿命化・高性能化につながります。

フィルタへの粉体の堆積状態と集じん性能
Dust

Cake layer

PulsejetPhase 2:
Cake filtration

Phase 3:
Pulse-jet cleaning

Filter media

Phase 1:
Depth filtration

高温酸性ガスによるろ布の劣化挙動
ろ布

高温酸性ガス（NO2など）ろ布が劣化• フィルタ上の粉体の堆積状態の解析• ろ布と酸性ガスの反応モデルの構築• 圧力損失の経時変化• ろ布の強度劣化モデルの構築• 払い落し洗浄の影響評価• ろ布の寿命予測

Recent papers

Recent papers

Furumoto et al., Adv. Powder Technol. 33, 103602 (2022)
Fukasawa et al., Chem. Eng. Technol. 45. 92-99 (2022)
Fukasawa et al., Chem. Eng. Technol. 44. 535-541 (2021)
Furumoto et al., Sep. Purif. Technol. 279, 119688 (2021)

Fukui et al., Adv. Powder Technol. 32, 3278-3287 (2021)
Rozy et al., Adv. Powder Technol. 30, 2881-2889 (2019)

マイクロ波加熱を利用した化学プロセスの高度化と粒子合成
マイクロ波を誘電体に照射すると，分子が振動し，加熱されます。このとき、内部から急速に温度が上昇します。
これを化学反応や粒子合成に応用すると，収率や選択性が向上したり，微小な粒子を調製することができます。

階層構造を有するゼオライト粒子

脱硝反応により作製した複合金属粒子
NiCuZnフェライトナノ粒子
MW法

従来法

Cu-Ce-Zr-O酸化物粒子
MW法

従来法

Recent papers
Murakami et al., Colloids Surf., A, 661, 130941 (2023)
Karisma et al., Particulate Sci. Technol., 39, 427-435 (2021)
Fukasawa et al., Colloid Interface Sci. Commun. 42, 100430 (2021)

Fukasawa et al., Powder Technol., 362, 26-31 (2020)
Fukasawa et al., Adv. Powder Technol., 29, 450-456 (2018)
Fukasawa et al., Colloids Surf., A, 555, 532-538 (2018)粉体状廃棄物の再資源化
様々な産業プロセスで大量に排出される粉体状廃棄物が問題となっています。高度な粉体技術を駆使して、これらをリサイクルしたり、廃棄物中に含まれる有用成分のみを分離するプロセスを開発しています。

振動流動層による粉体状廃棄物の成分分離

木質バイオマス発電の再資源化
電気ボイラー

木質バイオマスタービン

発電機

燃焼灰の処分が問題→ 再資源化
成分に粒子径依存性あり
小粒子：K濃度高
大粒子：Ca濃度高

粉体A：凝集性が低い粉体B：凝集性が高い

振動

流動化

停止

偏析

分級により成分濃縮が可能→ プラントに分級装置を導入
空気小粒子→ 肥料

大粒子→ 接着剤用充填剤

凝集体• 凝集挙動に対する操作条件・粉体特性の影響評価• Ergun式による凝集体形成の動的過程の予測

Recent papers
Prasetya et al., J. Energy Inst. 111, 101396 (2023)
Fukui et al., Adv. Powder Technol., 31, 4482-4490 (2021)
Maeda et al., Energy Fuels, 32, 517-524 (2018)

Recent papers

Fukasawa et al., Powder Technol., 428, 118845 (2023)
Fukasawa et al., J. Chem. Eng. Japan, 51, 576-583 (2018)

微粒子分散液の粒子界面特性評価
粒子の電気泳動特性から、粒子表面のイオン集積状態や分散凝集等の評価を行っています。
また、電気泳動移動度の印可電場依存性を利用した新しい分級手法の開発なども行っています。

粒子表面のイオン集積構造評価

電気泳動移動度の印可電場依存性

Recent papers
Fukasawa et al., J. Colloid Interface Sci. Commun. 43, 100462 (2021)
Fukasawa et al., Powder Technol. 352, 586-590 (2020)

粉体・混相流のメソスケールシミュレーション
画像解析により取得した微細構造を連携した多孔質体内流れのシミュレーション
X線CTやFIB-SEMなどの画像解析を用いて，フィルターや分離膜などの三次元微細構造を取得し、その数値的に得られた微細構造内部の流れをシミュレーションしています。

三相流・四相流のシミュレーション
従来の気液二相流や固気二相流だけでなく、固液液三相流、気液液三相流、固気液液四相流などの新しい混相流シミュ
レーションモデルを開発しています。
気液液三相流フィルタ、分離膜など

3D画像解析
(X線CT, FIB-SEMなど)

バグフィルター3D画像

画像処理•ノイズ除去•二値化•表面平滑化

シミュレー
ションに連携

精密ろ過（固液・液液）

Yuhara et al., AIChE J. (2023)

固液液三相流Rozy et al., Powder Technol. (2021)

Kawashima et al., Powder Technol. (2022)
Shirzadi et al., Langmuir (2022)

エアフィルター

コアレッサー

Ishigami et al., Soft Matter (2022)
Ishigami et al., Granular Matter (2019)
Hada et al., AIP Adv. (2022)
Rozy et al., AICｈE J. (2020)

Ueda et al., Ind. Eng. Chem. Res. (2021)
Ueda et al., Langmuir (2020)

固気液液四相流

機械学習による粒子流体挙動の予測・装置の最適設計
粒子流体挙動を可視化し理解するためには、高解像度のシミュレーションが有用です。しかしながら、そのようなシミュレーションの計算コストは非常に高く、計算時間がかかります。本研究は、そのような欠点を克服するために、機械学習(ニューラルネットワーク)を利用するものです。

畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を用いたフィルター微細構造内の流れ場予測

機械学習、数値シミュレーション、実験を組み合わせた化学プロセスの最適設計
スイープガス式膜蒸留（SGMD）の最適設計

フィルターの微細構造形状 (SDF)

CFD

速度場・圧力場

CNN𝑝• 流動・伝熱・物質移動を考慮し、システム解析が可能なCFDモデルを構築

CNNの計算時間はCFDの1/1000倍未満
Recent papers
Shirzadi et al., Chem. Eng. J., 455, 140775 (2023)
Shirzadi et al., Phys. Fluids, 34, 123303 (2022)• CFD解析結果を機械学習• 遺伝的アルゴリズムを用いた最適設計

Recent papers
Shirzadi et al., Chem. Eng. J., 473, 145078 (2023)
Shirzadi et al., Ind. Eng. Chem. Res., 61, 7381-7396 (2022)