2016 Fiscal Year Annual Research Report
Environmental Interface Engineering Based on Dynamic Analysis of Colloidal Flocculation
| Project/Area Number |
16H06382
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
足立 泰久 筑波大学, 生命環境系, 教授 (70192466)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 幹佳 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (20400179)
雷 中方 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (30634505)
野村 暢彦 筑波大学, 生命環境系, 教授 (60292520)
和田 茂樹 筑波大学, 生命環境系, 助教 (60512720)
小川 和義 筑波大学, 生命環境系, 助教 (60375433)
山下 祐司 筑波大学, 生命環境系, 助教 (30543227)
京藤 敏達 筑波大学, システム情報系, 教授 (80186345)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
|
| Keywords | コロイド / フロック / 凝集速度 / 高分子電解質 / 沈降 / モンモリロナイト / 干渉沈降 / 界面動電現象 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、環境中のコロイドがナノ粒子と溶存有機物から構成され、乱流条件下にあることを想定して得られたフロッキュレーションの動力学の結果に基づいて、環境界面工学の体系を構築し、その有効性を実証することにある。体系的展開の有効性を解析する立場から、１.コロイドの凝集過程に関わるダイナミクスの解明、２.多孔質複合体のゼータ電位の実体解明、３.フロック群の乱流沈降の水理解析、４.濃厚コロイドの分離技術の確立、５.バイオフィルムにおける凝集と界面動電現象の解明、６.フィールドにおける凝集沈降と水質構造の関連づけ６課題について、解析項目を絞り込み、実験環境およびデータの取得体制の整備を中心に研究を推進した。予備的な実験の結果であるが、コロイドの凝集速度を用いる乱流強度の基準化法を乱流強度の関数で解析し、弱乱流における凝集速度論の適用限界を明らかにしつつある。また、高分子電解質を加えた際の凝集速度を解析し、乱流による高分子電解質の引き延ばし作用がコロイドの凝集に及ぼす過程を解析した。
実験環境としては新たに、ゼータ電位解析装置、ナノパーティクル計測器を導入し、光散乱、光回折等、数種類の測定より得られる凝集過程にあるコロイド粒子の粒径分布の特徴を比較する研究に着手した。これは、フィールドデータを解析する上で重要となる。また、モンモリロナイトフロック群の沈降過程を解析し、イオン強度、pHなどの物理化学的なパラメータの違いによる沈降特性の違いの解析から、Edge-Face及びFace-Faceのミクロな粘土粒子間相互作用の違いが、マクロスコピックな懸濁液の沈降挙動に影響することを明らにした。また、モンモリロナイト懸濁液では沈降乱流の解析に対してはレーザーシート光源を用いた可視化解析装置及び画像処理システムを導入が有効であり、沈降時に高い精度で解析できる可能性があることを確認しつつある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要で述べた通り、研究の進捗状況は順調である。研究概要で述べた６項目のそれぞれについて１では乱流中でのコロイド粒子およびコロイド粒子と高分子との衝突過程をこれまでにない実験領域と精度で解析し、次に行う予定の溶存有機物が共存する際の影響因子の実験準備が整いつつある。一方、２に対しては装置の組み立てを順調に進めている。３では粘土のミクロ粒子間相互作用とマクロスコピックな粘土懸濁液の移動現象に関する問題提起をまとめ、予備実験の結果と合わせ投稿論文として報告した。１～３の進捗に基づいて、4～６の後半３課題に関する具体的な関連づけが可能となる。特に、測定系においては、初年度に層流せん断流れ場でのフロックの運動の観察を可能にするクウェットチャンバーと２方向からの沈降挙動の撮影を可能にする沈降顕微鏡から構成されるフロック流動可視化システムを前倒しで導入したことによって、単一フロックの沈降と電気泳動をフロック径の関数として測定する装置の飛躍的な精度の向上とフィールド向けの簡素化した測定系の確立がなされつつある。
また、本研究に関連し、７月２９日にサマースクール「土・水・生命環境とコロイド界面現象2016－コロイド物理、微生物と界面、マイクロ流体、凝集－」、９月２３日に日本化学会コロイド界面部会一般シンポジウム「ソフト・ハードマターの分散・凝集－大きさ・物質・学問領域の枠組みを越えて－」、１２月２９日に中国同済大学での出前講義など複数回のセミナーを実施し対外的なネットワークを強化した。
また、初年度において本研究に関連したテーマで、マレーシア及びベトナムより博士課程に国費留学生が入学することが決定し、次年度以降は国際的なネットワークがさらに強化された実施体制となる。
|
| Strategy for Future Research Activity |
長期的に見た場合の本研究の展開の可能性は、１.やわらかく多孔質で不均一な環境コロイド界面の動的挙動の物理学的学理を極めることと、２.微生物、フィールド科学など関連分野を有機的に結びつける学問的体系の可能性を示すことの２つの方向に集約されるが、次年度以降の推進においてもこの両者を複眼的に捉えながら研究を行う。
具体的作業としては、実績概要で述べた６課題について、計画調書に合わせ研究を継続し、そのスピードを加速させる方針で臨む。特筆すべき点は、積極的に海外からの留学生を採用している点である。次年度は１０名以上の留学生が関わる予定であるが、本研究の進展とともに、大学院生の学位取得が進み、研究基盤、ネットワーク形成に発展性のある展開が期待できる。
本研究課題は学際的色彩が強く、戦略的に共通課題について関連異分野との交流セミナーを実施していく。これは、従来から我々が実施してきた筑波大学リサーチユニット「生物資源コロイド工学」のセミナーを数年間のロードマップのシナリオのもとに実施していくことによって実現される。来年度は計画申請において３年目に実施を計画していた国際ワークショップを１年前倒しする形でリサーチユニットのサマースクールの一環で実施する。研究組織内部の研究進捗を見極めながらこのような外部的活動（アウトリーチ）を実施することによって、相乗的な発展を狙う。
|
