2017 Fiscal Year Annual Research Report
土壌・水環境技術の高度化に資する農業工学とコロイド化学の融合域における課題の解明
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15H04563
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
小林 幹佳 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (20400179)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
藤巻 晴行 鳥取大学, 乾燥地研究センター, 教授 (90323253)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 土壌物理 / 水環境 / コロイド |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，土壌・水環境の保全対策技術を高度化する上で求められる，コロイド界面化学と農業工学の融合領域にある学術的課題の解明を目指している．本年度は主に，モデルコロイドならびに天然材料の電気泳動および凝集分散挙動の実験データの蓄積と理論解析を実施した．得られた成果を以下に記す．
土壌中の有機コロイドである腐植物質とモデルコロイドであるラテックスの電気泳動移動度を医薬品や染料に代表される疎水性カチオンの存在下において測定した．疎水性カチオンの存在により，負に帯電していたコロイドが正の電気泳動移動度を示す荷電反転が生じた．さらに，反転の度合いは，コロイドの疎水性とともに増大することが示された．腐植の場合には炭素量と芳香族の割合が重要であった．ラテックスに対する解析から，表面荷電量の増加により疎水的相互作用が減少することが示唆された．
繊維状の有機コロイドであるセルロースナノファイバー（CNF）の荷電量，電気泳動移動度をpH，塩濃度を変化させて測定し，得られた結果を理論解析した．その結果，CNFの帯電挙動は細い円柱粒子を仮定したモデルにより定量的に記述できることが明らかとなった．同様に凝集挙動についても定性的には円柱粒子に対する拡散電気二重層モデルによる記述が可能であった．
酸化物のモデルとしてケイ酸粒子を，天然巨大分子のモデルとしてリゾチームを採用し，それらの混合系におけるゼータ電位と凝集速度を求め理論モデルによる解析を試みた．ケイ酸粒子に吸着するリゾチームの添加による荷電中和に加えて，表面の不均一性を適切に表現するモデルの構築が急務であることが浮き彫りにされた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまでに，計画されていた，不飽和土中のコロイド輸送，輸送やイオン組成の面から自然環境により近い条件におけるモデルコロイドおよび天然材料の界面動電現象，合成高分子による土壌保全効果，などについて，順調に実験・解析を遂行できている．得られた成果は速やかに公表している．論文投稿や学会発表の際には，特に，非球形粒子に対する帯電や凝集分散の実験と理論解析，多価イオンの組成が電気泳動移動度に与える効果について，高い評価を得ている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究計画を随時遂行する．具体的には以下を予定している．
土壌・水環境中におけるゼータ電位の実態解明：土壌中の粘土，有機コロイド，モデルとして，アロフェン，腐植物質，ラテックスを採用し，それらのゼータ電位を電気泳動法により求める．実験では，イオン種と価数の異なるイオンの混合比，pH，イオン強度，疎水性分子の添加量を変数とし，比較的単純な混合系を実現する．得られた結果を，これまで妥当性を検証してきた電気二重層モデルと水力学に基づく電気泳動理論式に，新たにイオン結合と形状の効果を考慮して改良した理論モデルを立て，その適用性を調べることを試みる．
粒子間相互作用の理解の深化に必要な実験データの蓄積と理論の再検討：これまで研究が十分になされていない凝集体の破壊について系統的な実験と背景理論の再検討を試みる．ここでは，流れ場において天然有機物フロックを破壊し，破壊強度の値を算出する．得られるデータは既往研究では報告されておらず新規な成果が期待できる．
土壌中のコロイド輸送と土壌保全効果：天然系ポリイオンコンプレックスによる土壌侵食の抑制効果を定量化する．併せて，ポリイオンコンプレックスやコロイドの輸送をカラム実験により調べる．
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