超音波を用いた革新的な粒子分離・分級・操作技術 …...saito lab, shizuoka...

超音波を用いた革新的な粒子分離・分級・操作技術

静岡大学グリーン科学技術研究所

グリーンエネルギー研究部門

教授齋藤隆之

1

超音波分離

原理：音響放射力・音響流

特長：○非接触・非侵襲○シンプルな装置○霧化等にも応用可能× 定在波の形成が必要

Kapishnikov et al. J. Stat. Mech., 2006.

従来技術とその問題点

2Saito Lab, Shizuoka University

分離技術

膜分離

原理：目地の通過

特長：

○分離対象に合わせた粒径分離が可能

○装置が簡素

× 摩耗によるメンテナンスが必要

日刊工業社,

遠心分離

原理：遠心力

特長：

○粒径・粒子密度で分離可能

○膜分離と組合せ可能× 装置の大型化

日刊工業社,


Saito Lab, Shizuoka University 3

小塚 Ochiai

操作対象Al PS

16 μm 1-2 mm超音波 1.75 MHz 40 kHz周囲環境 Water Air原理音響放射力音響放射力

凝集形態筋状筋状

超音波分離の従来技術

小塚ら機論C編, 1997. Ochiai et al. PLoS ONE, 2014.

◆操作原理

音響放射力が粒子に直接作用し，定在波の節に粒子を捕捉．

音響放射力を大きくするには

Y = 1 += 3 1− ⁄

2 + ⁄King Proc. Roy. Soc. London 1934.

= = 2

高い周波数大きな密度差（粒子-流体間）


Saito Lab, Shizuoka University

問題点・課題従来手法

1.音響放射力を粒子に直接作用

2.定在波の節に粒子を捕捉

・粒子と周囲流体間に密度差が必要

・l=c/f より定在波の波長は高周波では短くなる

・高い超音波周波数の方が音響放射力が大きい

トレードオフ

操作可能粒径

音響放射力

振動子アレイで対応⇒×高コスト！

MHz-USの場合粒径が10µmオーダー以下に制限

kHz-USの場合超音波素子一つ当たりの音響放射力が小さい

低コストで大きな粒子を操作する

4

新技術の特徴・従来技術との比較


本技術の特徴1. 固液分離

⇒短時間で任意の場所に粒子を凝集できる2. 固固分離

⇒非侵襲で同密度異径粒子を分級できる3. 操作

⇒簡素な装置構成で凝集した粒子群を操作できる

本技術 MHz粒径 100 μm ~ 1 mm ~ 20 mm密度差無しでもOK 大きな密度差が必要

超音波 20 kHz MHz周囲環境 Water Air/Water原理気泡に作用する音響放射力粒子に作用する音響放射力

凝集形態球状筋状



１．固液分離

特長1. 数秒で凝集体を形成 ⇒ 短時間処理2. 凝集形態が球状 ⇒ これまでにない凝集形態3. 溶存ガス種・溶存量の調整により凝集形態が変化（下図）

t = 0 [s] t = 0.5 [s] t = 0.6 [s] t = 1.1 [s] t = 2.6 [s]

20mm

* t=0：超音波の照射開始時刻

(A)

1 cm

(B)

（A) 大気飽和水（B) CO2溶解水



凝集メカニズム１

脱気水中の粒子挙動・液相運動

x [mm]200-20 10-10

60

30

10

50

40

20

z[m

m]

60

30

10

50

40

20z[

mm

]

x [mm]200-20 10-10

1410

182226

26

Velocity[mm

/s]

(a) Shadowgraph

(b) Liquid Motion*

液相運動は発生しない（下図）

音響放射力 ⇒ 溶液： ×

沈殿した粒子は凝集しない（上図）

音響放射力 ⇒ 粒子： ×

* PIV (Particle Image Velocimetry)法で計測

音響放射力は粒子・溶液に直接作用しない

⇒ 粒子・溶液間の密度差の考慮不要



凝集メカニズム２

音圧分布と凝集位置の関係

D: 400 μm M: 200 mg

D: 400 μm M: 200 mg

D: 400 μm M: 200 mg

D: 800 μm M: 200 mg

D: 800 μm M: 200 mg

D: 800 μm M: 200 mg

60 80 100 1200

20406080

100120

Stat

iona

ry P

ositi

on o

f Pa

rticl

e sw

arm

[mm

]

Water Level [mm]

Node

Anti-nodeWater Surface

Anti-node of the sound pressure profile in the vessel

Node of the sound pressure profile in the vessel

Normalized Sound pressure profile in the vessel

従来の粒子捕捉位置⇒ 音圧の節

気泡 ⇒ 音圧の腹に集まる

球状粒子凝集体（本技術）⇒ 音圧の腹に集まる



凝集メカニズム３

• 球状粒子凝集体に向かう粒子にはキャビテーション気泡が付着

BubbleParticle

(a) t = 0 [ms] (b) t = 1.5 [ms] (c) t = 3.0 [ms] (d) t = 5.0 [ms]

100

0

50

50 100050 100050 100050 1000x [pixel] x [pixel] x [pixel] x [pixel]

z[pi

xel]

Particle

Bubble

Particle

Bubble

0 50 100x [pixel]

(e)

• 粒子の進行方向と気泡の付着位置が同じ

⇒ キャビテーション気泡が粒子を牽引し球状凝集体を形成

気泡から粒子への間接的な音響放射力の利用


凝集体を可視化

液相運動を可視化

気泡運動を可視化

重力 Fg

抗力 Fd

浮力 Fb

音響力 Fac

計算実験

Fd

Fg

Fb

Fac

Transducer

= −= 12

== - -


粒子数算出

Re・CD算出

Dbubble算出

凝集体に作用する力



パラメータ結果

粒子群球等価径 Deq,ps 10 mm凝集粒子数 Np 560個充填率 gratio 56 %重力 Fg 178.3 μN

液相運動速度 Vl 26 mm/s粒子群レイノルズ数 Re 260

抗力係数 CD 0.7抗力 FD 18.5 μN 10.4 %気泡径 Dbubble 65.6 μm浮力 FB 4.86 μN 2.7 %

音響放射力 Fac 155.0μN 86.9 %

重力に対する寄与率

凝集体に作用する力

z[m

m]

x [mm]200-20 10-10

Vl[mm/s]

14

10

18

22

26

2

6

60

30

10

50

40

20

気泡に作用する音響放射力が支配的

Fig.液相運動可視化結果



２．固固分離技術（分級）

ｔ = 0.0 [s] t = 5.6 [s] t = 9.1 [s] t = 11.0 [s] t = 13.0 [s]

Flocculation ofmixture particles

Small Particles

Large Particles

20 mm

(a) t = 0 [s] (b) t = 5.6 [s] (c) t = 9.1 [s] (d) t = 11.0 [s] (e) t = 13.0 [s]

US

Am

plitu

de

超音波の音圧振幅（又は周波数）の制御 ⇒ 分級可能

音圧振幅を徐々に低下

音圧振幅を徐々に増加

白色粒子：400 µm, PS, 1060 kg/m3

黄色粒子：800 µm, PS, 1060 kg/m3

静岡大学, 2015, 特願2015-243292



分級プロセス１

t = 0.0 [s] t = 5.6 [s]

t = 9.1 [s]

電圧（音圧振幅）低下による音響放射力の低下

, = −凝集体を保持する力の不足

⇒ 球状凝集体が崩壊

粒径により沈降速度に違い

• 大径粒子：水槽下部• 小径粒子：水槽上部

⇒ 粒度分布が粒径により偏り

大径粒子が多く存在

小径粒子が多く存在

粒子の沈降の開始



分級プロセス２

t = 11.0 [s]

t = 13.0 [s]

粒子が分散した状態で音圧振幅を徐々に復帰

近接する音圧の腹で再凝集（下図）

• 大径粒子：水槽下部• 小径粒子：水槽上部小径粒子で構成された

球状粒子凝集体

大径粒子で構成された球状粒子凝集体

径による分級可能



３．操作技術

1. 水槽内に凝集した粒子群に棒を挿入

2. 粒子群が棒に接近

3. 棒を移動させると，粒子群が追従

20mm

棒を挿入・移動することで凝集した粒子群の操作が可能



凝集体操作のメカニズム

(d)(a) (b) (c)

20 mmBubbles

Bubbles

Bubbles

• 棒の挿入により棒付近でキャビテーション気泡が発生

• キャビテーション気泡同士が作用し，気泡発生分布が変化

粒子群は気泡がけん引した粒子の集まり

⇒ 気泡分布の偏りが粒子群操作に寄与



粒径分離および操作本技術を組み合わせることで分離回収が実現可能

小径粒子

大径粒子

超音波照射

(1) ~ (2):超音波制御により分級(3) ~ (4):棒の操作により小径粒子のみを回収

(1) (2) (3) (4)



まとめ～混合したプロセスの話

棒の操作に合わせて，照射する振動子を制御することで連続分離プロセスも実現可能と考える

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Computer

*1 *2 制御*1: (A) off, (B) on*2: (B) off, (C) on*3: (C) off, (D) on*4: (D) off, (E) on*5: (E) off, (F) on

出力(A) > (B) > (C) = (F) > (E) > (D)

*3 *4 *5

小径粒子

大径粒子

超音波照射

想定される用途


• 【化学分野】【鉄鋼分野】高付加価値製品製造の1次プロセスに適用し，均質な材料の選別を行うことで歩留まり向上が見込める．同密度・異径粒子の分離⇒ 均質材料を用いた高付加価値製品の製造

粒子のぬれ性による分離⇒ 濡れ性コーティング材料の選別回収

• 【環境分野】放射性吸着物質（プルシアンブルー）の回収⇒ 2次粒子の選択回収⇒ セシウム吸収済み粒子の選別

実用化に向けた課題


• 分離対象数100µmより小径の場合，照射する超音波の周波数を高くすることで解決可能と考える．

その他にも，分離対象に合わせて装置を調整することで適用範囲は広がると考える．

• ラボスケールから実用スケールへの評価スケールアップ実際のプロセスへの適用回収率の評価⇒ 回収方法の確立⇒ 回収効率向上に向けた最適な水槽設計

企業への期待


• 本技術は，超音波キャビテーション気泡を利用して

分離操作を行う．従って，液相中での分離を行って

いる企業を希望する．

• 水槽内の音圧分布についてシミュレーションのノウ

ハウのある企業を希望する．

• 化学メーカ－等に，本技術の導入が有効と考える．

本技術に関する知的財産権


発明名称粒子分離方法及び粒子分離装置（未公開）出願番号特願2015-243292出願人静岡大学発明者齋藤隆之村松浩也矢内沙祐里水嶋祐基

お問い合わせ先


静岡大学

イノベーション社会連携推進機構

コーディネーター伊藤寛章

ＴＥＬ：０５３－４７８－１７１８

ＦＡＸ：０５３－４７８－１７１１

e-mail： [email protected]

超音波を用いた 革新的な粒子分離・分級・操作技術 …...saito lab, shizuoka...

Documents

超音波を用いた革新的な粒子分離・分級・操作技術 …...saito lab, shizuoka...