2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of reaction model for coagulation with considering the characteristics of varying components in natural waters
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20K04752
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
伊藤 紘晃 熊本大学, くまもと水循環・減災研究教育センター, 助教 (80637182)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 凝集 / 天然有機物 / 水中金属 / 鉱物粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2年度は，多種の有機物・金属元素・鉱物粒子を用いて，暗条件における凝集反応の観察を行った。有機物には，腐植物質，タンパク質・アミノ酸（ウシ血清アルブミン，L-チロシン，L-トリプトファン），糖（D-(+)-ガラクトース，D-(+)-ガラクツロン酸，ポリガラクツロン酸），脂質（ドデカン酸）を，金属元素にはCa, Naを，鉱物にはカオリナイトを用いた。これらの物質について，ゼータ電位および動的光散乱法による分子サイズの観察を行った。また，腐植物質とカオリナイト，Ca, Naについてはナノ粒子トラッキング解析法による観察も行った。
当初はこれらの測定法により経時的な粒子サイズの変化が観察できることを見込んでいたが，物質の混合から数分後には分単位での顕著なサイズ変化は見られなくなっていた。
各種物質の粒子サイズの違いに関して，フミン物質は，自然界中にみられる濃度域（例えば1-10mg/L）において，濃度の違いが単独での分散・凝集の状態に大きく関わっていた。すなわち，フミン物質が2mg/Lでは1nm以下の微小な粒子と数100nmの粒子の両方が見られたが，10mg/Lでは数100nmの粒子しか見られなくなった。また，高濃度のフミン物質はカオリナイトを分散させるように働いていた。一方で，これらに加えCaも存在すると，Caの架橋作用によって安定でより大きい凝集体が形成された。
高分子有機物がカオリナイトを分散させる様子はウシ血清アルブミンとポリガラクツロン酸についても観察された。いずれの高分子有機物も，イオン結合によってカオリナイトの正の電荷を消費し，ゼータ電位を負の方向に高めることで分散させたと考えられる。
個々の物質単独でのゼータ電位に関しては，低分子有機物の結果も含め，凝集の挙動との間に明確な関係は見いだせなかった。一方で凝集の挙動の多くは官能基特性と整合するものであった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初はナノ粒子トラッキング解析により経時的な粒子サイズの変化が観察できることを見込んでいたが，物質の混合後に測定が可能になる頃には分単位での顕著なサイズ変化は見られなくなっていた。本研究は凝集の速度を解析する予定であるが，より遅い凝集反応の観察も行う必要があると考えらえる。また，速い凝集についての観察手法については今後検討していく。
一方で，多種の有機物・金属元素・鉱物粒子を用いて，暗条件における凝集体のサイズとゼータ電位の観察を行い，一定の知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
ここまでの研究で，利用可能な装置で混合から数秒以下のオーダーでの粒子サイズの変化を測定することが難しいと分かったが，より長時間のゆっくりした変化についての観察を行うことで，暗条件における凝集の様子を捉えていく。
また，当初は考慮していなかったが，物質の濃度を大幅に変化させても観察される粒子の個数は大きくは変化しない様子が観察された。特に天然の両親媒性物質である腐植物質については，単独で凝集体が形成される境である臨界ミセル濃度を把握することが必要であると考えられる。臨界ミセル濃度は，広範囲の濃度域における粒子サイズの観察によって明らかにしていく。
ナノ粒子トラッキング解析による測定の対象は2000nm以下の粒子に限定されるが，前処理としてろ過が必要であり，かつ，ろ過後の試料を混合した後に凝集が生じた場合にはそれもろ過を行う必要がある。ろ過前後の試料中の物質の濃度について，吸光や蛍光を観察することによって2000nm付近を境とする凝集体の形成についても把握していく。
これまで，多種の有機物・金属元素・鉱物粒子についての測定を行ったが，それぞれの凝集特性は想定以上に濃度に大きく依存していた。有機物については集中して観察する対象を腐植物質とする。金属についてはここまでCaとNaのみ扱ってきたがFeも集中して観察する対象とする。鉱物は，対象を増やすのは時間の関係から困難と思われるため，カオリナイトに集中して観察を行っていく。
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| Causes of Carryover |
次年度は主要物品として疑似太陽光照射装置の購入を予定している。これを購入することで他の項目に使用する予算が不足する可能性があるため，今年度の予算の一部を次年度に繰り越すことにした。
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