は 1 NL / min ，還元時間は 10 min ，還元温度は 600 ， 700 ，800°Cの条件としました．試料は疎圧粉体としてバスケットに注ぎ，バスケットとそれを吊るすチェーンはマイクロ波を～第 7 回「高校生・高専学生ポスター発表」優秀賞～

マイクロ波加熱と脱・炭素化吸収しない素材である石英を用いました．また，試料の温度は 2 色式放射温度計を用いて測定し，マイクロ波発振器の出力を試料の温度が一定になるよう機械制御を行いました．
実験中に質量を測定することで，還元率の算出を行いまし福岡県立明善高等学校

中島克た．ここで，反応の過程は擬定常状態の近似を行い反応式( 1 )に沿って進むと考え，還元率 R は式( 2 )で算出しました．

私は学校でふと目に入ったポスターから，最先端の科学に関する講義や，大学研究室での実験器具等の使用を含めた大WO3(s)＋3H2(g)＝W(s)＋3H2O(1)

R＝(DWt/WRo×Wi)×100(2)学の研究活動に惹かれ，「九州大学未来創生科学者育成プロ

R還元率()ジェクト(QFCSP)」という高校生を対象とした教育プログ

DWt時間 t までの質量変化量(g)ラムに参加しました．私はこのプログラムの前期課程で，自WRoWO3 中の酸素質量比率，0.207(－)

然科学とそれが社会に及ぼす影響について学び，特にカーボWi試料の初期質量(g)ンニュートラルの考えをはじめとしたエネルギー問題に興味

また，還元後に得られた試料を樹脂埋めして，光学顕微鏡を持ちました．

を用いて断面を観察しました．

近年，気候変動が問題視され，各国が脱炭素化・低炭素化

電気抵抗炉( Conventional Heating  CH )を用いた実験でに向けた動向をみせており，世界の鉱業界でも「カーボンニは，実験の手順やガスの流量，還元温度等の条件はマイクロュートラル」や「脱炭素化・低炭素化」へのシフトが急速に波による実験と統一しました．違いとして，融点が高く不活進みつつあります．その中でも，鉱山や製錬所で利用される性な金属として知られる白金製のバスケット及びチェーンを電力の一部ないし全てを再生可能エネルギー由来の電力へと使用しました．なお，質量変化が観測されなくなる状態を反転換する試みが進んでいます．また，近年需要が増大してい応終了時点と仮定して，還元時間をそれぞれ設定しました．

る非鉄金属の製造について，製錬は多大なエネルギーを必要

WO3 の水素還元を， 600 ， 700 ， 800 °C の各温度域で比較とするものが多く(1)，より効率よく製錬を行うことが課題としたところ， MW では図， CH では 図に示す還元率曲なっています．そこで現在の主流の方式である，電気抵抗炉線が得られました． CH よりも MW による還元の方が短い

等による還元より高効率かつクリーンな金属の製錬プロセス

還元時間で高い還元率を得ることができました．また，実験の構築を目的として研究を行いました．

後の試料の組織観察では粒子に金属光沢が見られ， X 線回私は数ある希少金属のなかでも，身近な使用例として医療折法(XRay DiffractionXRD)による相同定では W の回折機器や工具などに用いられる，タングステン( W )に着目しパターンが確認でき，還元が進行したことが確認されました．

ました． W は，現在日本では鉱石からの製錬は行っていま

実験で得られた反応率曲線から還元速度の解析を行いましせん．工業的には中間生成物であるパラタングステン酸アンた．実験結果からもわかるとおり， MW と CH で同じ還元モニウムを輸入し，湿式法で精製し，最終工程において酸化率に到達する時間に差が出ています．また，曲線の傾きも変タングステン( WO3 )を，電気抵抗炉加熱を用いた水素還元化していることから時間により反応形態が異なる可能性があで金属 W に還元しています(2)．

ります．気体と固体の相反応形態は大きく分けて生成物と未まず，注目した加熱・還元方法はマイクロ波を用いた加反応核の間に界面が生成されると考える未反応核モデル，粒熱・還元です．上述の教育プログラム内の講義において，マイクロ波加熱は加熱したい物質のマイクロ波吸収の度合いで，選択的に加熱ができること，マイクロ波は対象物の内部まで透過するため，外部からの伝熱でなく直接かつ急速に加熱が可能であることを学びました．そこで私は，今回着目している W 製錬プロセスの中でも還元工程が最もエネルギーを消費するので(1)，マイクロ波を用いた加熱ではそのエネルギーを抑制できるではないかと考えました．そこでマイクロ波による WO3 の水素還元挙動を調査し，従来の電気抵抗炉法とどちらが優れているのかをエネルギー消費の観点から比較しました．
マイクロ波加熱装置(MicrowaveMW)を用いた還元実験
では，粒径 30 mm の WO3 試料 1 g を用い，水素ガスの流量

ま て り あ 第61巻 第11号(2022)
Materia Japan

図1

マイクロ波加熱装置での WO3 の水素還元の還元率．(オンラインカラー)これにより MW は外部からの間接的な加熱ではなく内部へ浸透する全域で反応が進行し，CH は外部から未反応核が縮小する形で反応が進行していることが分かりました．
WO3 の還元は吸熱反応であることから，マイクロ波の特徴である全域加熱で，伝熱時間を要さず反応熱の供給の面で有利であり，全体で同時に反応が進行したと考えられます．
今回行った研究で，マイクロ波を利用した W の水素還元は短時間で高い還元率を得ることができました．このことから，製錬において WO3 を従来よりも短時間で還元できることが明らかになったので，現在進められているクリーンな電力の供給源が確保できれば，脱炭素社会において省エネルギ
図2

電気抵抗炉での WO3 の水素還元の還元率． (オンラインカラー)

表1

ーかつ高効率な製錬場の操業が可能になります．一方で現状の課題として，圧粉体では加熱できないなど還元する対象物

加熱温度と方法の違いにおける Thiele 数の算出結果．の形やサイズに制約を受けること，温度制御が困難であることが挙げられます．

600°
C

700°
C

800°
C

MW

5.4

3.01.8

今回の発表で沢山の方々に御意見とアドバイスをいただ

CH

9.1

8.9

7.5

き，大変貴重で濃密な時間を過ごさせていただきました．研
究の進め方やポスター作成にお力添えいただいた大野光一郎
教授，データ収集などの実験にご助力いただいた大野研究室

子内の反応速度が一定で全域で反応が進行する全域反応モデの皆様には温かいご指導ご鞭撻を賜りました．感謝申し上げ

ル の 2 つ が あり ます ． この 区 別に Thiele 数 を使 用 しま します．

た．これらのモデルは，反応が生じる界面における反応速度そのものと，その反応界面に化学物質を運搬する拡散速度の文

献バランスによって決定され， Thiele 数が大きいほど反応速度が，小さいほど拡散速度が支配的であることが報告されています(3)．ここで本実験より得られた還元率曲線の傾きから還元速度を求め，式( 3 )から Thiele 数を算出しました．これを表に示します．

F＝R k /DeFThiele 数(－)
R触媒粒子半径(cm)k反応速度定数(1/s)(3)( 1 ) 温室効果ガスインベントリオフィス(編)，環境省地球環境局
総務課脱炭素社会移行推進室(監修)「日本国温室効果ガスイ
ンベントリ報告書2022年」，国立環境研究所地球システム領域
地球環境研究センター(2022)．
( 2 ) 山田正二，山本良治，市田 晃，長坂 勉資源と素材，109(1993), 1175
1180.
( 3 ) 村山武昭，小野陽一 ISIJ International, 73( 1987 ) , 1323 
1328.
(2022年 6 月 7 日受理)[doi:10.2320/materia.61.795](連絡先〒8300022 久留米市城南町 91)

De細孔内拡散係数(m2/s)



スポットライト