


Takayuki Watanabe | Last modified date:2022.07.01 |

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Thermal plasmas have attracted extensive attention due to their unique advantages, and it is expected to be utilized for a number of industrial applications such as plasma spraying, film deposition, decomposition of harmful materials, recovery of useful materials from wastes, and synthesis of high-quality and high-performance nanoparticles. The advantages of thermal plasmas including high enthalpy to enhance reaction kinetics, high chemical reactivity, and oxidation or reduction atmospheres in accordance with required chemical reactions are beneficial for innovative processing. .
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092-802-2745
Fax
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Academic Degree
Dr. of Engieering
Country of degree conferring institution (Overseas)
No
Field of Specialization
Plasma Chemistry, Plasma Processing
Total Priod of education and research career in the foreign country
00years10months
Outline Activities
Thermofluid and Heat Transfer Phenomena in Thermal Plasma System
Environmental Processing using Plasma Chemistry
Nanomaterial Synthesis using Thermal Plasmas
Green Process using Atmospheric Plasmas
Next Generation Energy System Development
Lunar Resources Utilization
Environmental Processing using Plasma Chemistry
Nanomaterial Synthesis using Thermal Plasmas
Green Process using Atmospheric Plasmas
Next Generation Energy System Development
Lunar Resources Utilization
Research
Research Interests
Membership in Academic Society
- Thermofluid and Heat Transfer Phenomena in Thermal Plasma System
Environmental Processing using Plasma Chemistry
Nanomaterial Synthesis using Thermal Plasmas
Green Process using Atmospheric Plasmas
Next Generation Energy System Development
Lunar Resources Utilization
keyword : Thermal plasma, Atmospheric Plasma, Nanoparticle Synthesis, Waste Treatment, Plasma Chemistry, Plasma Processing
2013.04~2023.03.
Papers
Presentations
1. | Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Characterization and Diagnostics of Multiphase AC Arc for Innovative Material Processing, 2022 MRS Spring Meeting, 2022.05, 多相交流アークは、プラズマ体積が大きく、ガス速度が小さいなど、材料加工に有利であることから、最も魅力的な熱プラズマの一つである。また、他の熱プラズマと比較して、エネルギー効率が高く、低コストであるという利点もある。そのため、多相交流アークは、ガラス溶融技術やナノ材料製造プロセスなど、革新的な材料加工に応用されている。アークの安定性、アーク放電の時間的・空間的特性、電極現象は、最も理解すべき重要な現象である。多相交流アークの特性を解明することは、産業応用に役立つと思われる。 多相交流アークにおける電極現象の高速可視化に基づき、電極の物理を解明した。バンドパスフィルターを含む光学系と高速度カメラを組み合わせ、異なる波長の画像を同期して観察した。電極からの金属蒸発の可視化は、アーク中のタングステン蒸気を観察するために、波長を選択したバンドパスフィルターを用いた高速可視化システムで行った。アノード期間のアーク電流のピークトップ直後にタングステン電極が蒸発を開始した。タングステン金属蒸気は、蒸発を開始したアノード期間中にアーク中の主要な化学種となる。一方、カソード期間では、タングステンの蒸発は少量であることが確認された。. |
2. | Takayuki Watanabe, Soon-Ho Kim, Chengyuan Duan, Hiiro Murakami, Manabu Tanaka, Myeong-Hoon Lee, Decomposition of Organic Waste by DC Water Thermal Plasmas, 5th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics, 2021.09, 大気圧下で安定した水プラズマを発生させるために、ミスト発生機能付きの革新的な水プラズマトーチを開発した。水プラズマは、グリーンテクノロジーとして様々な廃棄物処理に注目されている。これは、アーク放電によりH、O、OHなどの活性種が大量に発生し、かつ高温になるためである。そのため、水プラズマは化学反応を促進し、副生成物の生成を抑制し、さらにH2やCOなどの合成ガスを大量に発生させることができる。本研究では、N,N-ジエチル-m-トルアミド(DEET)の処理を行う。DEETは、主な防虫剤として、直接排泄や入浴により水環境中に普通に存在し、人間への悪影響が指摘されているからである。また、非生分解性の含窒素有機化合物のモデルとして、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)を対象廃棄物として、これらの分解特性を比較することも可能である。水熱プラズマ中の分解メカニズムの解明には、アーク電圧測定と同期した高速度カメラによる観察が有効であった。. |
3. | Takayuki Watanabe, Manabu Tanaka, Hiiro Murakami, Soon-Ho Kim, Myeong-Hoon Lee, Water Thermal Plasma Characteristics with Mist Generation for Waste Treatment, 4th Asia Pacific Conference on Plasma Physics, 2020.10, [URL], 基調講演:An innovative water plasma torch with mist generation was developed for stable water plasma under atmospheric pressure. The purpose of this study is to investigate the arc fluctuation phenomena in the water plasma torch with mist generation. High-speed camera observation synchronized with arc voltage measurement was performed to understand the arc fluctuation. Results revealed that the arc fluctuation in the developed torch can be classified as perfect restrike mode. Effect of arc current on the discharge characteristics was examined. Another work aims to treat bisphenol A (BPA) by the water plasma reactor, and the experiment results showed that the decomposition rate of BPA could be over 99.2% at 9.5 A and the monocyclic aromatics were suggested as main by-product. Moreover, the operation condition has been proved with effect for the decomposition rate of BPA and by-product generation.. |
4. | Hydrogen reduction of lunar soil simulants by a fixed bed reactor has drawbacks of a decrease in the reaction rate due to temperature distribution and uneven filling of the sample. One of the processes to solve these problems is the fluidized bed. Hydrogen reduction experiments have been conducted on lunar soil simulants of 100 g by a fluidized bed reactor. Although the fluidized bed gives uniform temperature distribution and high efficiency in the reaction, gravity and the powder characteristics have a significant effect on the fluidization. In addition, continuous operation is difficult for the fluidized bed reaction system. In this study, a continuous reactor has been built for hydrogen reduction of lunar soil simulants. The continuous screw reactor can handle a wide variety of samples for continuous operation. The reaction efficiency is high due to the large contact area of the sample as it passes through the reactor while rotating. The developed system will be used for hydrogen reduction of metal oxides with the aim of industrial application. Production of oxygen-deficient metal oxides are expected to be used as highly functional materials in various fields., [URL]. |
5. | Takayuki Watanabe, Thermal Plasma Characterization and Process Control Diagnostics for Innovative Material Processing, The 11th Asia-Pacific International Symposium in the Basics and Applications of Plasma Technology, 2019.12, [URL], 基調講演:Thermal plasmas are expected to be utilized for a number of innovative industrial applications such as decomposition of harmful materials, recovery of useful materials from wastes, and synthesis of high-quality and high-performance nanoparticles. The advantages of thermal plasmas including high enthalpy to enhance reaction kinetics, high chemical reactivity, and oxidation or reduction atmospheres in accordance with required chemical reactions are beneficial for innovative processing. The experimental and modeling efforts on thermal plasma characteristics has been devoted to industrial application. However, thermal plasma characteristics remain to be explored in spite of these efforts. The electrode phenomena are one of the most considerable issues, because it determines the processing performance in thermal plasmas. The objective of the study is to investigate the physical and chemical phenomena in thermal plasma processing for innovative material processing.. |
6. | Hiroki Munekata, Manabu Tanaka, Takayuki Watanabe, Discharge Characteristics of Water Plasma with Mist Generation, 24th International Symposium on Plasma Chemistry, 2019.06, [URL], 本研究では水プラズマを用いて,従来のプロセスでは処理できない難分解物質を処理する方法を開発している。水プラズマ中には電子のみならずイオンや原子などの重い粒子も高温度であり,かつ各種のラジカルを豊富に有しており,処理対象物質を短時間で高温にすることができる。プラズマ中のラジカルによる新規の廃棄物処理として,ゴミから水素を製造するプロセス開発を行っている。. |
7. | Development of novel thermal plasma systems is introduced in this paper. Fundamental researches such as electrode phenomena and arc fluctuation are essential for revealing thermal plasma characteristics. These efforts lead to innovative industrial applications of material processing and waste treatment using thermal plasmas.. |
8. | Thermal plasmas have attracted extensive attention due to their unique advantages, and it is expected to be utilized for a number of industrial applications. The advantages of thermal plasmas including high enthalpy to enhance reaction kinetics, high chemical reactivity, and oxidation or reduction atmospheres in accordance with required chemical reactions are beneficial for innovative processing. Water plasma waste treatment is one of green technology for the utilization of organic wastes. Since a large amount of H, O, and OH radicals are generated in the water plasma, decomposition and syngas production are accelerated in the treatment of water-soluble organic compounds.. |
9. | Takayuki Watanabe, Shuhei Yoshida, Tadashi Nonaka, Takahiro Sone, and Manabu Tanaka, Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Plasmas for Lithium Ion Battery Electrode, The 4th Annual Symposium of Nonferrous Metallurgy of China, 2017.11, 招待講演:リチウムイオン電池の負極材料としては,グラファイトの10倍以上の理論容量を有していることからシリコンが期待されているが,シリコンの使用に関連する課題として充放電時の体積変化の問題がある。この課題を解決するアプローチとして,熱プラズマによるアモルファスシリコンやカーボン被覆シリコンナノ粒子の合成が期待されている。一方,正極材料は高エネルギー密度,良好なサイクル特性,安全性,低コストなどが要求課題となっており,正極材料をナノ粒子化することで比表面積が増大することから反応速度の向上が見込まれ,この分野でも熱プラズマによる正極材料ナノ粒子の合成が期待されている。本論文ではではリチウムイオン電池の現状と将来展望をはじめとし,熱プラズマによるナノ粒子合成の特徴を議論し,今後のリチウムイオン電池の材料開発における熱プラズマの役割を議論した。. |
10. | Takayuki Watanabe, Yutaro Ozeki, and Manabu Tanaka, Thermal Plasma Characterizations for Environmental Application, The 11th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2017.09, 招待講演:水プラズマは水を原料としてプラズマを発生させる手法である.豊富なH,O,OHラジカルによる高活性およびプラズマの持つ高エンタルピーという特長から,物質の大量処理を見込んだ廃棄物処理技術への応用が検討されている.. |
11. | Takayuki Watanabe, Water Thermal Plasmas for Environmental Application, The 10th Asian-European International Conference on Plasma Surface Engineering, 2015.09, 招待講演:水プラズマは水を原料としてプラズマを発生させる手法である.豊富なH,O,OHラジカルによる高活性およびプラズマの持つ高エンタルピーという特長から,物質の大量処理を見込んだ廃棄物処理技術への応用が検討されている.. |
12. | Takayuki Watanabe, Multi-Phase AC Arc for Innovative Glass Melting, 13th European Plasma Conference, 2014.06, 基調講演:プラズマプロセッシングの開発には電極におけるアークの物理現象の解明が重要である。新しいプラズマプロセッシングのために開発した新規の多相交流アークに関する講演を行った。このプラズマは直径が100 mm以上のアークを発生することができ,エネルギー効率が高いことが利点である。. |
13. | Takayuki Watanabe, Innovative Thermal Plasma Processing from Fundamental Research, 21st International Symposium on Plasma Chemistry, 2013.08, [URL], 基調講演:プラズマプロセッシングの開発には電極におけるアークの物理現象,新規のプラズマ発生方法,プラズマの流体解析等の基礎研究が必須である。これらの基礎研究に基づく新しいプラズマプロセッシングの開発に関する基調講演を行った。新規のガラス溶融技術として注目されているインフライト溶融技術は,造粒したガラス原料を熱プラズマ中で瞬時に溶解する方法である。このインフライト溶融は,シーメンス炉の複雑な原料溶解過程を一本の熱プラズマで置き換えてしまう方式であり,この技術が成功すれば大半のガラス製造プロセスに適用することが可能となり,溶融炉の大幅な小型化と消費エネルギーの大幅な削減ができる。. |
- Plasma Science for Materials, JSPS 153 Committee
- International Plasma Chemistry Society
- The Japan Society of Applied Physics
- The Society of Chemical Engineers, Japan
- The Japan Society of Mechanical Engineers
- The Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research
- The Society of Inorganic Materials, Japan
- Smart Processing Society for Material, Environment & Energy
- Development of innovative plasma processing and establishment of plasma analysis
- Waste Treatment by Plasmas under Atmospheric Pressure
- Modeling of plasma flows
Educational


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