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水環境中の物質輸送予測の高度化に向けた非一様・非定常流中の凝集ダイナミクスの解析

Research Project

Project/Area Number 15J00805
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Rural environmental engineering/Planning
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

杉本 卓也  筑波大学, 生命環境科学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsコロイド / 凝集 / 水理 / 流れ場中の凝集速度 / 伸長流 / 非定常非一様流 / ヘテロ凝集 / 物質輸送 / 電荷反転 / 多価イオン / イオン特異性 / 界面電気現象 / 電気的相互作用
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,水環境中の物質輸送予測の高度化を目指し,コロイド粒子の凝集に対する流れ場の動的影響を明らかにするために,非定常剪断流中でのコロイド粒子の凝集ダイナミクスを解明することを目的とした.当該年度の研究成果は,以下の通りである.

実際の環境中では,大小さまざまな大きさのコロイド粒子が混在しており,異なる粒子間のヘテロ凝集がより重要である.特に,剪断流中の凝集理論では,小粒子と大粒子の粒径比が減少するに伴い,ヘテロ凝集速度が劇的に遅くなることが指摘されていた.しかし,実験的には,異径粒子間の乱流中におけるヘテロ凝集速度が,小粒径比において理論ほど大きく減少しないという問題があった.そこで,剪断流だけでなく伸長流を用いた理論に基づき,ヘテロ凝集速度の粒径比依存性を計算し,3つの異なる粒径比において測定された実験値との比較を行った.その結果,剪断流中の理論値よりも伸長流中における理論値がより実験値と近いという結果が得られた.この結果は,乱流のマイクロスケールでの流れが剪断流よりも伸長流により近似できることを示唆していると結論づけた.

環境中では,潮汐による波のような非定常な流れが存在している.しかし,既往研究では,一様剪断流といった定常層流や,乱流中の凝集に着目しており,これら2つの中間の流れである非定常層流中の凝集に関する研究は十分ではなかった.そこで本研究では,流量の時間変化をプログラムできるシリンジポンプと光学顕微鏡から成る実験系を設定した.この実験系中に非定常振動流を発生させ,この流れによるコロイド粒子の凝集速度を一定体積中のコロイド粒子の計数に基づく,凝集の進行による粒子の数濃度の減少から測定した.得られた実験結果を拡張した既存の理論との比較を行い,流量の振幅,すなわち最大の剪断速度が増大するにつれて凝集が促進される傾向があることが示された.

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (20 results)

All 2018 2017 2016 2015 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Geneva(Switzerland)

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  • [Journal Article] Aggregation and Charging of Sulfate and Amidine Latex Particles in the Presence of Oxyanions2018

    • Author(s)
      T.Sugimoto, T. Cao, I. Szilagyi, G. Trefalt, and M. Borkovec
    • Journal Title

      Journal of Colloid and Interface Science

      Volume: 印刷中 Pages: 456-464

    • DOI

      10.1016/j.jcis.2018.04.035

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] コロイド粒子の電気泳動と凝集速度:環境分野への展開に向けて2017

    • Author(s)
      小林幹佳,杉本卓也
    • Journal Title

      LSアドバンス

      Volume: 16 Pages: 20-31

    • NAID

      120007128739

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      2017 Annual Research Report
  • [Journal Article] Electrophoretic mobility of carboxyl latex particles: effects of hydrophobic monovalent counter-ions2017

    • Author(s)
      Takuya Sugimoto; Manami Nishiya; Motoyoshi Kobayashi
    • Journal Title

      Colloid and Polymer Science

      Volume: 295(12) Issue: 12 Pages: 2405-2411

    • DOI

      10.1007/s00396-017-4219-1

    • NAID

      120007128760

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      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Heteroaggregation of oppositely charged particles in the presence of multivalent ions2017

    • Author(s)
      T. Cao, T.Sugimoto, I. Szilagyi, G. Trefalt, and M. Borkovec
    • Journal Title

      Physical Chemistry Chemical Physics

      Volume: 19 Issue: 23 Pages: 15160-15171

    • DOI

      10.1039/c7cp01955f

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Electrophoretic mobility of carboxyl latex particles in the mixed solution of 1:1 and 2:1 electrolytes or 1:1 and 3:1 electrolytes: Experiments and modeling2016

    • Author(s)
      Manami Nishiya, Takuya Sugimoto, Motoyoshi Kobayashi
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces A

      Volume: 504 Pages: 219-227

    • DOI

      10.1016/j.colsurfa.2016.05.045

    • NAID

      120007129489

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Orthokinetic aggregation of charged colloidal particles in the presence of repulsive double layer force: A trajectory analysis with the solution of non-linear Poisson–Boltzmann equation2015

    • Author(s)
      T Sugimoto, M Kobayashi, Y Adachi
    • Journal Title

      Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects

      Volume: 483 Pages: 321-327

    • DOI

      10.1016/j.colsurfa.2015.07.037

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Kinetics of Turbulent Hetero-Coagulation of Oppositely Charged Colloidal Particles2015

    • Author(s)
      Takuya SUGIMOTO, Yuji WATANABE, Motoyoshi KOBAYASHI
    • Journal Title

      Theoretical and Applied Mechanics Japan

      Volume: 63 Issue: 0 Pages: 133-145

    • DOI

      10.11345/nctam.63.133

    • NAID

      130005103438

    • ISSN
      1348-0693, 1349-4244
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      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Kinetics of hetero-aggregation of unequal-sized particles in flow fields2018

    • Author(s)
      T. Sugimoto, and M. Kobayashi
    • Organizer
      The Japan Geoscience Union Meeting 2018
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Homo- and Hetero-aggregation stability between Oppositely-Charged Particles with Charge Reversal2017

    • Author(s)
      T. Sugimoto, T. Cao, I. Szilagyi, G. Trefalt, M. Borkovec, and M. Kobayashi
    • Organizer
      The 12th International Symposium on Electrokinetics
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 吸着性アニオンの存在下における異符号帯電コロイドのホモおよびヘテロ凝集2017

    • Author(s)
      杉本卓也, T. Cao, I. Szilagyi, G. Trefalt, M. Borkovec, and M. Kobayashi
    • Organizer
      平成29年度 農業農村工学会 大会講演会
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      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Homo- and Hetero-aggregation between Oppositely-Charged Particles: Charge Reversal Effects2017

    • Author(s)
      T. Sugimoto, T. Cao, I. Szilagyi, G. Trefalt, M. Borkovec, and M. Kobayashi
    • Organizer
      The 7h Asian Conference on Colloid and Interface Science
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hetero-aggregation of oppositely-charged particles in the presence of multivalent anions2017

    • Author(s)
      T. Sugimoto, T. Cao, I. Szilagyi, G. Trefalt, and M. Borkovec
    • Organizer
      The 16th European Student Colloid Conference
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of shear strength on shear aggregation rates in the presence of repulsive electrical double layer forces2017

    • Author(s)
      Takuya Sugimoto, and Motoyoshi Kobayashi
    • Organizer
      The 20th edition of the Swiss Soft Days
    • Place of Presentation
      University of Geneva (Geneva, Switzerland)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] モデルコロイド粒子の電気泳動移動度:疎水性イオンの効果2016

    • Author(s)
      西谷麻菜美,杉本卓也,小林幹佳
    • Organizer
      平成28年度 農業農村工学会 大会講演会
    • Place of Presentation
      ハーネル仙台 (宮城県,仙台市)
    • Year and Date
      2016-08-30
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 異符号帯電粒子系の乱流ヘテロ凝集速度:表面電荷密度への非依存性2015

    • Author(s)
      杉本卓也,小林幹佳,足立泰久
    • Organizer
      第53回高分子と水に関する討論会,高分子学会
    • Place of Presentation
      東京工業大学 (東京都,目黒区)
    • Year and Date
      2015-12-11
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] 異符号帯電コロイド粒子の乱流ヘテロ凝集速度:表面電荷密度の影響2015

    • Author(s)
      杉本卓也,小林幹佳
    • Organizer
      平成27年度農業農村工学会 応用水理研究部会
    • Place of Presentation
      農林水産技術会議事務局筑波産学連携支援センター (茨城県,つくば市)
    • Year and Date
      2015-12-03
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Turbulent Aggregation Rates between Oppositely Charged Particles: Insensitivity to Charge Density2015

    • Author(s)
      Takuya Sugimoto and Motoyoshi Kobayashi
    • Organizer
      29th Conference of The European Colloid and Interface Society
    • Place of Presentation
      Pin Galant Congress Center (Bordeaux, France)
    • Year and Date
      2015-09-06
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Couette流中における帯電コロイド粒子の凝集速度: 静電斥力と剪断速度の影響2015

    • Author(s)
      杉本卓也,小林幹佳,足立泰久
    • Organizer
      平成27年度農業農村工学会大会講演会
    • Place of Presentation
      岡山大学 (岡山県,岡山市)
    • Year and Date
      2015-09-01
    • Related Report
      2015 Annual Research Report

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Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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