CopyrightⒸ2017 一般社団法人 日本機械学会 [No.17-1] 日本機械学会 2017 年度年次大会 講演論文集 〔2017.9.3-6，（さいたま）〕 J0530307 多孔質材料内部における毛管凝縮が気体輸送特性に与える影響 Effect of capillary condensation on gas transport properties in porous materials 〇正 吉本 勇太，堀 琢磨，杵淵 郁也，高木 周 Yuta YOSHIMOTO, Takuma HORI, Ikuya KINEFUCHI and Shu TAKAGI 東京大学 The University of Tokyo Key Words: Capillary condensation, Gas diffusion, Porosity-to-tortuosity ratio, Lattice density functional theory 多孔質材内部における気体の拡散は，吸着材，気体分離膜，料電池の電極等の性能を左右する重要な現象で ある．本研究では，図 1 に示すように，ランダムな球充填構造から成る多孔質材を数値的に構築し，構造内部に おける毛管凝縮が気体輸送特性に与える影響を解析した (1) ．多孔質材が有する複雑な細孔ネットワークをモデル 化しつつ，各々の細孔での毛管凝縮をシミュレーションするために，平均場格子気体モデルに基づく密度汎関数 理論を用いた (2) ．その結果，固体壁が親水性の場合，相対圧力が増加すると，固体壁で囲まれたより狭い空間か ら優先的に毛管凝縮が発生し，閉塞に至ることが分かった（図 1）．また，毛管凝縮に伴い，細孔が一部閉塞し， 実効空隙率が低下した部分濡れ構造と，同一の空隙率を有する乾構造に着目し，代表長さを比較した結果，部 分濡れ構造の方が大きな代表長さを持つことが分かった．次に，部分濡れ構造内部で気体分子の拡散シミュレー ションを行い，平均二乗変位から実効拡散係数を算出することで，細孔の閉塞に伴う実効拡散係数の減少を定量 的に示した．一方で，上と同様，部分濡れ構造と，同一の空隙率を持つ乾構造とで実効拡散係数を比較した結 果，部分濡れ構造の方がより大きな実効拡散係数をとることが分かった．また，気体の拡散性を規定する重要な パラメータである，空隙率と屈曲度の比（Porosity-to-tortuosity ratio）を比較した結果，毛管凝縮の有によらず， 空隙率でうまく整理できることを示した．一般的に，部分濡れ構造の Porosity-to-tortuosity ratio を直接見積もるの は困難であるが，本研究により，同一の材料から成り，かつ同一の空隙率を持つ多孔質材の Porosity-to-tortuosity ratio を参することで，部分濡れ構造のそれを見積もれる可能性が示された． (b) (c) 160L 160L 480L O (a) Fig. 1 Model porous medium composed of loosely packed monodisperse spheres (a). Fluid density distributions during an adsorption process inside the structure are displayed for the relative activity λ/λ 0 = 0 (b) and 0.66 (c). 文 献 (1) Yoshimoto, Y., Hori, T., Kinefuchi, I., and Takagi, S., “Effect of capillary condensation on gas transport properties in porous media”, submitted. (2) Monson, P.A., “Understanding adsorption/desorption hysteresis for fluids in mesoporous materials using simple molecular models and classical density functional theory”, Microporous and Mesoporous Materials, Vol. 160 (2012), pp. 47–66.