Transport of Colloidal Particles in Unsaturated Soils

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01424
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
• Research Institution: Hokkaido University (2022-2023); The University of Tokyo (2021)
• Principal Investigator: Hamamoto Shoichiro 北海道大学, 農学研究院, 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), 教授 (50425617) ; 杉本 卓也 筑波大学, 生命環境系, 助教 (70899509) ; 石田 尚之 同志社大学, 理工学部, 教授 (80344133)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: コロイド / 多孔質体 / 気液界面 / カラム実験 / 原子間力顕微鏡 / マイクロ流路 / X線CT

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study was to elucidate the behavior of colloidal particles in porous media in the presence of an air-liquid interface. Column experiments using colloidal particle suspensions suggested that the presence of enclosed air promotes colloidal particle behavior, depending on the chemical composition of the porewater. X-ray CT image analysis also revealed that the presence of enclosed air (diameter and distribution) affects the water permeability. Under the conditions of this experiment, no colloidal particle desorption phenomenon under the cation exchange reaction was observed in both the column and microfluidic experiments.

Free Research Field

土壌物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究から封入空気の存在が、多孔質体中の通水性ならびにコロイド粒子挙動に影響を与えることを明らかにした。自然土壌環境において、地下水下の飽和帯では封入空気は存在することが考えられ、土壌内のコロイド挙動のより精緻な予測に向けた重要な基礎的知見が得られた。さらに、X線CT画像解析から、吸水下では排水下に比べて連結した空気ネットワークが形成されることを明らかにし、土壌水分ヒステリシスが土壌内物質挙動に与える影響について重要な知見が得られた。イオン交換反応下でのコロイド脱離挙動についても、カラム実験、原子間力顕微鏡、マイクロ流路などの異なるスケールで実験からコロイド挙動を解析した点は学術的意義が高い。