微粒子分散液の流動乾燥シミュレータSNAPと膜ろ過の直接シミュレーション

小池修
一般社団法人プロダクト・イノベーション協会

平成27年度 先端膜工学研究推進機構秋季講演会 膜工学サロン B-2水処理2015.9.29

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内容

• はじめに• SNAPの紹介と運営スキーム• SNAP-Fによる膜ろ過シミュレーション

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http://kowba.jp

北九州工業地帯

環境モデル都市

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より転載

業態転換
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内容

• はじめに• SNAPの紹介と運営スキーム• SNAP-Fによる膜ろ過シミュレーション

平成27年度 先端膜工学研究推進機構秋季講演会 膜工学サロン B-2水処理2015.9.29

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ものづくりと微粒子分散液
解砕

ろ過
塗布
研磨

構造形成機構の解明
構造形成の要因の把握：

製造工程の設計
ものづくりの境界形状・流れ，表面力・熱揺動
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効率と品質制御2015.9.29

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ファウリング機構の導出
Single-bodyMany-body？
Fh,Th：流体力学ハンドブックを参照

解析手法から直接シミュレーションへ
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SNAPのモデル
SNAP-L

SNAP-F

SNAP-LF

SNAP-P

粒子

流動

乾燥界面

溶質

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SNAP-L
液膜乾燥

凝集分散

大粒子上の被覆度→分散の効率化

粒子配列度→感光・伝導度・ガスバリア

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SNAP-F
圧力駆動流れ高せん断領域の挙動も予測

Pe = 2 104
小池，藤田，山口，化学工学会第44回秋季大会 (2012).
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粒子系構造形成→レオロジー・解砕

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SNAP-FMF（不均一細孔）

MF（異径粒子）

閉塞過程→
膜ろ過・鋳込み成形

膜ろ過については後半で
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SNAP-LF
液膜乾燥（トレンチ基板）

液膜乾燥

濡れ性と表面張力による自由表面の運動と粒子運動を連成
濡れ性と粒子配列→Printed electronics・クラック
M. Fujita, O. Koike, and Y. Yamaguchi,
Journal of Computational Physics, 281, 421-448 (2015).
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SNAP-P
せん断流れ（溶質無）せん断流れ（溶質有）溶質移動と固体表面への物理吸着→流動特性・ろ過性能への影響（流動場 +SNAP-P）→粒子/溶質濃縮パターン(乾燥場 +SNAP-P）

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R. Tatsumi, O. Koike, and Y. Yamaguchi,
Physical Review E, 91, 063301 (2015)12/31

SNAP（2005-2015）
微粒子分散液の流動乾燥を直接計算
粒子系構造形成過程を可視化
粒子：球，非球形；
10 nm - 10μm
CPU ：intel Xeon
OS：RHEL5/6系
並列化：OpenMP
可視化：OpenGL

課題解決志向で開発
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SNAPの構造Science
Modeling
Algorithm

粒子・界面：
SNAP-LF
粒子・流体：
SNAP-F
粒子：
SNAP-L

溶質：
SNAP-P

Software

並列化：
可視化：
データベース：OpenMP
OpenGL
PostgreSQL
OS : RHEL 5/6 or CentOS 5/6Hardware

CPU : Intel Xeon（共有メモリPC）

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九州工業大学1 城西大学1 東北大学2
神奈川工科大学1 工学院大学1 日本大学1

東京大学2- 活動 ・課題解決の議論
・課題のモデル化
M1

M2

7大学9研究室- 獲得 ・社外ブレーン
・SNAPや計算技術
・課題解決の方法論
M3

Mn
会費：250万/yr

プロダクト・イノベーション協会
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内容

• はじめに• SNAPの紹介と運営スキーム• SNAP-Fによる膜ろ過シミュレーション

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SNAP-Fモデル化の指針
v(x, t) 流体v(t)r(t)

p(x, t)量の表現：Eulerian approach
計算方法：体積力型埋め込み境界法→ Immersed Boundary Method
粒子量の表現：Lagrangian approach
計算方法：離散要素法→ Descrete Element Method(補)この方法を用いた報告は2014/2015年度化工学会でも散見される．
大学：神戸大，京大，東大，東北大 ...
内容：凝集・分散，ろ過，毛管凝集
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流体の運動方程式
質量保存（非圧縮） ∇ ⋅ v = 0
熱揺動（確率論的）
運動方程式

1∂v+ v ⋅ ∇v = −∇p + ν∇ 2v + ∇ ⋅ S + Φα∂tρf

流体加速度v −v
1α= p+ v ⋅ ∇v − ν∇ 2v − ∇ ⋅ SΔt
ρf

Φ= 1
Φ= 0

粒子-流体運動量交換
粒子内部で粒子速度に拘束される(補) 拘束条件を課す方法：ペナルティ法→ IBM, DEM, MAC, SHAKE/RATTLE ....

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熱揺動ストレス（非圧縮）! s# xx
S = # syx##" szx

sxysyyszysxz $&syz &&szz &%平均

sij (r, t) = 0

相関

sij (r, t)skl (r !, t!) = 2kBTη (δikδ jl + δilδ jk )δ (r − r !)δ (t − t!)

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流体力と流体トルク
粒子体積率" a− | x − rp | % +1(φp (x) = ) tanh $' +1,2*ξ
& #

Φ=1
Φ=0

流体力と流体トルク
濃厚粒子系もF h = − ∫ ρ f φ p (x)α (x)dV
V

展開可能な定式T h = − ∫ {rp (x) × ρf φ p (x)α (x)} dVV

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粒子の運動方程式
dvcoDhm =F +F +Fdt
DLVO 力h

F = − ∫ ρ f φ p (x)α (x)dVVh

T = − ∫ {rp (x) × ρf φ p (x)α (x)} dV
V

接触力 ＋ Coulomb 摩擦則(Ftco = min Ftco , µ Fnco
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噛み合い／すべり：
粒子並進と回転の結合度の強さ
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デッドエンドろ過
D/dp=3.6

D/dp=2.5

粒子：アルミナ，溶媒：水の物性値
dp = 100 [nm], ζ = -40 [mV]；
平成27年度 先端膜工学研究推進機構秋季講演会 膜工学サロン B-2水処理2015.9.29⊿P = 320 [kPa]22/31

デッドエンドろ過
D/dp=3.6
D/dp=3.0
D/dp=3.6

D/dp=2.5

D/dp=3.0
D/dp=3.0

D/dp=2.5

D/dp=2.5

D/dp=3.6

T. Ando, K. Akamatsu, S. Nakao, M. Fujita
Journal of Membrane Science,
392-393, 48-47 (2012).
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粒子速度

逆洗

粒子配位数

D/dp=3.0

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逆洗
逆洗後：
最大Fluxの減少
定常Fluxの増加

T. Ando, K. Akamatsu, S. Nakao, M. Fujita
Journal of Membrane Science,392-393, 48-47 (2012).
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クロスフローろ過
粒子/流体速度粒子回転/流体速度

D/dp=2.4
ファウリングの膜形状依存性：
デッドエンドに類似
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井上，安藤，小池，藤田，日本機械学会関東学生会
第52回学生員卒業研究発表講演会 (2013).
2015.9.2926/31

相関図を作成してみる...
操作条件
動的変数DV

ファウリング
進展モード

膜・溶液の条件
静的変数SV

Dead end
ΔP，V

膜形状
D/dp，εCross ﬂowΔP，V溶液（溶媒；粒子溶質）
Φp ；Vpp，Vpm

γ
ケーク厚み w，膜の寿命
DV
平成27年度 先端膜工学研究推進機構秋季講演会 膜工学サロン B-2水処理τSV2015.9.29

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ご提案
• 目的① ：設計の材料となるデータが欲しい• 目的①ʼ：観測限界領域の可視化（実験の補完データ）• 手法：粒子系構造形成をモデル化した直接的数値計算• 道具：独自開発/既存シミュレータ（e.g. SNAP）• 効果①：メカニズムとそれら相関の獲得．
• 効果②：部署間でのイメージの共有
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共同研究者（膜ろ過）・研究開発メンバー2015
山口由岐夫 PIA代表理事；辰巳怜

東京大学特任研究員

・研究協力メンバー2015
工学院大学

中尾真一 教授 ；赤松憲樹 准教授

城西大学

藤田昌大 教授*；日本大学 安藤努 准教授*

神奈川工科大学

市村重俊 准教授＊：過去のSNAP研究開発メンバー
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書籍

「分散・塗布・乾燥の基礎と応用」
発行：株式会社テクノシステム
監修：山口由岐夫（東京大学名誉教授）
平成27年度 先端膜工学研究推進機構秋季講演会 膜工学サロン B-2水処理「ものづくりの化学工学」
発行：丸善出版
著 ：山口由岐夫（東京大学名誉教授）
2015.9.29

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Webサイト• SNAP研究会： 動画・発表資料の公開（フリー）
http://nanotech.t.u-tokyo.ac.jp• PIA： 事業母体http://www.product-innovation.or.jp

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