中部大学の研究活動

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炎で機能性材料を合成する新技術を開発 ─塗料や化粧品生産から応用─ (平沢太郎教授ら)

【2018年10月29日】

プレスリリース

研究成果のポイント

  • 炎の中で酸化金属から酸素を取り除く。酸素が結合する酸化とは反対の化学反応を実現
  • 事業化は塗料と化粧品からスタート
  • 新材料の合成で様々な応用の可能性を模索

発表内容

 炎の中では燃料が酸素と結合する酸化が生じる。炎に金属を当てれば燃料と同様に酸化することが一般的な理解だ。中部大学工学部機械工学科の平沢太郎教授別サイトにリンクしますらは、炎の中で酸化とは逆に酸化金属から酸素を取り除く新しい技術を開発し、建設資材メーカーの三商(名古屋市・伊藤満琉社長)と共同で、通常より酸素の少ない低次酸化チタンの合成技術を開発した。炎の中で燃料の燃焼過程で生じる一酸化炭素(CO)を利用する。COが二酸化炭素(CO2)になろうとして酸化金属から酸素を取り除く。二酸化チタンを還元できることを確認した。
 空気が噴き出すノズルの周囲に燃料ガスが噴き出すノズルを配置する。燃料を燃やすと空気ノズルの出口に「逆拡散火炎」(*1)と呼ぶ炎ができる(写真)。酸素ノズルを取り囲む燃料ガスノズルの外側には逆拡散火炎を包み込む「拡散火炎」(*1)が発生し、炎は2重構造になる。拡散火炎と逆拡散火炎で囲まれる領域では燃料の不完全燃焼によって生じたCO濃度が高くなる。ここに酸化金属を入れれば還元反応が生じると考えて実験を行った。
 実験にはチタンと酸素原子が1対2の二酸化チタン(TiO2)の微粒子を用いた。TiO2粒子を空気ノズルから炎の中に噴出させ、その中で吸い取った(図)。回収した微粒子の組成を解析したところ、チタン原子に対する酸素原子の比が元の2より少なくなり、還元反応が起こったことがわかった。今後、他の様々な酸化金属でも実験を行う。平沢教授は内径が0.2mm程度の複数の燃料ノズルを並べたバーナーを開発し、今回の実験に用いた。一般のバーナーに比べて、還元反応を起こしやすい炎を形成できるという。
 新技術はまず、通常より酸素の少ない低次酸化チタンの生産に利用する。この粒子は濃いグレーで、赤外線を反射し建物の温度上昇を抑える塗料やアイシャドーなどの黒色化粧品に利用できると期待している。さらに様々な企業と組み、別の酸化物への応用を模索する。この研究は日本学術振興会からの科学研究費助成を受けて実施した。成果の一部は化学工学会の秋季大会で発表した。
 

炎の構造

写真 炎の構造

実験装置の模式図

 実験装置の模式図
空気ノズルから酸化物の微粒子を吹き出し、炎の中で還元してプローブで吸い取る

用語解説

*1 拡散火炎と逆拡散火炎

空気と燃料の界面には、拡散火炎と呼ぶ炎が形成される。空気ノズルの周囲に燃料ノズルを配置したバーナーの場合、内側の空気と外側のガスの界面に炎が形成されるため逆拡散火炎と呼ぶ。ノズルから燃料と空気の混合ガスを噴き出させる家庭用のガスコンロでも拡散火炎の内側に炎が発生するが、逆拡散火炎ではなく予混合火炎と呼ぶ。予混合火炎では燃焼反応が進みやすいためCOの発生が少なく、還元反応には向かない。

問い合わせ先

平沢太郎 (中部大学 工学部 機械工学科 教授)
Eメール:txh[at]isc.chubu.ac.jp ※アドレスの[at]は@に変更してください。
電話:0568-51-4503 (機械工学科共通室直通)

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