2021 Fiscal Year Annual Research Report

Transport of Colloidal Particles in Unsaturated Soils

Research Project

Project/Area Number	21H01424
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	濱本昌一郎東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (30581946)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	竹村貴人日本大学, 文理学部, 教授 (30359591) 大竹豊東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50425617) 石田尚之岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (80344133) 杉本卓也筑波大学, 生命環境系, 助教 (70899509)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	気液界面 / 多孔質体 / コロイド / X線CT / マクロ流路 / AFM
Outline of Annual Research Achievements	本研究では，気液界面存在下における多孔質体中のコロイド粒子挙動の実態把握に基づき、不飽和土壌内でのコロイド粒子の土壌内移動特性を解明することを目的とする。本年度はまず、X線CTを用いた不飽和土壌の間隙構造のキャラクタリゼーションと、間隙構造パラメータと各種物質輸送係数の関係について調べた。粒径の異なる砂試料を用いて、異なる水分状態（完全飽和、封入不飽和、連続不飽和（脱水・吸水過程））にある砂充填カラムを作成し、物質輸送係数として飽和・不飽和透水係数、ガス拡散係数、通気係数を測定した。また各水分条件において、X線CT装置を用いて液相・気相の間隙径分布に加え、各相の屈曲度・連結性を定量的に評価した。結果、封入空気の気泡径と分布が封入不飽和状態下での透水係数の低下度に大きく影響を与えること、同一水分条件下で吸水過程は脱水過程に比べ粗大間隙ネットワークの連結性が高く、結果としてガス拡散係数および通気係数が高くなること、など気液界面存在下における間隙構造と物質輸送特性に関する貴重な基礎的知見が得られた。さらに本年度は、間隙水の化学的特性が多孔質体中のコロイド挙動に与える影響を調べるため、Na+やCa2+などのイオン種やイオン濃度を変えた条件で砂充填カラムへのラテックス粒子注入実験を行った。二価陽イオン存在下ではコロイド粒子沈着が促進することや、NaとCaとのイオン交換反応時における沈着コロイド粒子の脱離挙動が、DLVO理論に基づくコロイド粒子と充填粒子表面との相互作用力によって説明できることを示した。また次年度に向けて、マイクロ間隙流路を用いたコロイド粒子挙動直接観察の装置セットアップや、AFMを用いたコロイド粒子と充填粒子表面との相互作用力測定に関する実験を開始した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 不飽和土壌におけるコロイド挙動把握に関する実験には取り組めてはいないものの、X線CT装置、原子間力顕微鏡（AFM）、マイクロ間隙流路等を用いた気液界面下での間隙構造観察・定量化およびコロイド粒子挙動観察に関する実験ノウハウを蓄積することができた。
Strategy for Future Research Activity	飽和・不飽和条件下でのコロイド粒子挙動把握に向けて、砂・ガラスビーズ充填試料を用いたコロイド輸送実験に取り組む。さらに、AFMやマイクロ間隙流路を用いて、充填粒子近傍でのコロイド粒子挙動の直接観察および定量化を行う。特に、間隙水の化学的特性とコロイド粒子挙動との関係について詳細に検討する。