フロッキュレーション解析に基づく環境界面工学の展開

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H06382
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 足立 泰久 筑波大学, 生命環境系, 教授 (70192466)
• 研究分担者: 小林 幹佳 筑波大学, 生命環境系, 准教授 (20400179) ; 山下 祐司 筑波大学, 生命環境系, 助教 (30543227) ; 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) ; 小川 和義 筑波大学, 生命環境系, 助教 (60375433) ; 和田 茂樹 筑波大学, 生命環境系, 助教 (60512720) ; 京藤 敏達 筑波大学, システム情報系, 教授 (80186345)
• 研究期間 (年度): 2016-05-31 – 2021-03-31
• キーワード: フロック / 高分子電解質 / 凝集速度 / 沈降乱流 / 界面動電現象 / ヘテロ凝集 / 微生物コロイド / 水環境

研究実績の概要

土壌や水環境においてコロイドの凝集（フロック化）の理解は化学物質の動態や移動現象解析の要となる。本研究では、この点に着目し①コロイドの凝集過程のダイナミクス、②多孔質複合体の界面動電現象、③フロックの沈降とレオロジー、④濃厚コロイドの沈降分離操作、⑤微生物コロニーにおける凝集と界面動電現象、⑥フィールドの水質構造の６項目を設定し、体系的に研究を推進し、ほぼ予定通りの成果を得た。最終年度は、コロナ禍に見舞われ、当初予定した現地調査による本研究の視点の有効性の確認が実施できなかったものの、特に基礎となる①と、および微生物の関与する水処理プロセスに関係する応用的展開④に飛躍的な成果を挙げた。その概要は以下の通りである。①複数種の高分子（電解質）g)、腐植物資、ミクロゲルから構成される系においてコロイド粒子の速度論を展開し、凝集に関する阻害因子と促進因子を分子間の協同作用の視点からまとめ、凝集の5類型を整理した。また、高分子電解質の荷電密度の違いが、コロイド粒子への吸着のダイナミクスに大きく影響することを、初期に形成される吸着層厚と電気泳動移動度の観点から明らかにした。④活性汚泥法などの生物処理において、濃厚なスラッジにおいて大型の団粒状の微生物コロニー（微生物団粒）の形成が可能であり、材料、条件を変え、様々な条件下でその確認を行い、微生物造粒の出現が嫌気的条件のみならず好気的条件でも生ずることを明らかにした。これらの成果は、微生物機能のコロイド界面のダイナミクスの視点でのミメティクス、マイクロプラスチック汚染対策などの新しいタイプの汚染対策に有効であると考えられる。また、博士課程を修了し、派遣元に帰国した研究者とのオンラインを活用した交流が活発になり、コロナ禍に対応する研究組織の運営の仕方としても、新しい展開の可能性を見出すことができた。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Lomonosov Moscow State University(ロシア連邦)
  • 国名: ロシア連邦
  • 外国機関名: Lomonosov Moscow State University
• [国際共同研究] North China University/North China Electric Power University/Hoazhong Agricultural University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: North China University/North China Electric Power University/Hoazhong Agricultural University
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] Vietnam National University- Hanoi(ベトナム)
  • 国名: ベトナム
  • 外国機関名: Vietnam National University- Hanoi
• [国際共同研究] University of Chittagong, Bangladesh(バングラデシュ)
  • 国名: バングラデシュ
  • 外国機関名: University of Chittagong, Bangladesh
• [国際共同研究] National Taiwan University(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Taiwan University
• [雑誌論文] Soil conditioners based on anionic polymer and anionic micro-sized hydrogel: A comparative study (2021)
  • 著者名/発表者名: Panova I.G.、Ilyasov L.O.、Khaidapova D.D.、Bashina A.S.、Smagin A.V.、Ogawa K.、Adachi Y.、Yaroslavov A.A.
  • 雑誌名: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 巻: 610 ページ: 125635～125635
  • DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125635
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ionic response of algal-bacterial granular sludge system during biological phosphorus removal from wastewater (2021)
  • 著者名/発表者名: Wang Jixiang、Lei Zhongfang、Tian Caixing、Liu Sen、Wang Qian、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Adachi Yasuhisa、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Chemosphere 巻: 264 ページ: 128534～128534
  • DOI: 10.1016/j.chemosphere.2020.128534
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel insight into enhanced recoverability of acidic inhibition to anaerobic digestion with nano-bubble water supplementation (2021)
  • 著者名/発表者名: Fan Yujie、Yang Xiaojing、Lei Zhongfang、Adachi Yasuhisa、Kobayashi Motoyoshi、Zhang Zhenya、Shimizu Kazuya
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 326 ページ: 124782～124782
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2021.124782
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of counter ion valence and pH on the aggregation and charging of oxidized carbon nanohorn (CNHox) in aqueous solution (2021)
  • 著者名/発表者名: Omija Kiyono、Hakim Azizul、Masuda Kotaro、Yamaguchi Atsushi、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 巻: 619 ページ: 126552～126552
  • DOI: 10.1016/j.colsurfa.2021.126552
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Aggregation and Aggregate Strength of Microscale Plastic Particles in the Presence of Natural Organic Matter: Effects of Ionic Valence (2021)
  • 著者名/発表者名: Hakim Azizul、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Journal of Polymers and the Environment 巻: N/A ページ: N/A
  • DOI: 10.1007/s10924-020-01985-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Response and recovery of mature algal-bacterial aerobic granular sludge to sudden salinity disturbance in influent wastewater: Granule characteristics and nutrients removal/accumulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Dong Xiaochuan、Zhao Ziwen、Yang Xiaojing、Lei Zhongfang、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 321 ページ: 124492～124492
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124492
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Water retention in sandy substrates modified by cross‐linked polymeric microgels and their complexes with a linear cationic polymer (2021)
  • 著者名/発表者名: Smagin Andrey、Panova Irina、Ilyasov Leonid、Ogawa Kazuyoshi、Adachi Yasuhisa、Yaroslavov Alexander
  • 雑誌名: Journal of Applied Polymer Science 巻: 138 ページ: 50754～50754
  • DOI: 10.1002/app.50754
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Aggregation of marine organic matter by bubbling (2020)
  • 著者名/発表者名: Wada Shigeki、Omori Yuko、Yamashita Saki、Hayashi Yasuhito、Hama Takeo、Adachi Yasuhisa
  • 雑誌名: Journal of Oceanography 巻: 76 ページ: 317～326
  • DOI: 10.1007/s10872-019-00538-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Adsorption of Poly(acrylic acid) onto Negatively Charged Polystyrene Sulfate Latex Particles by Means of Particle Tracking of Brownian Motion, Electrophoretic Mobility and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (2020)
  • 著者名/発表者名: Thi Hai Yen Doan、Pham Tien Duc、Yamashita Yuji、Adachi Yasuhisa
  • 雑誌名: Polymer Science, Series A 巻: 62 ページ: 321～329
  • DOI: 10.1134/S0965545X20040045
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Initial-Stage Dynamics of Flocculation of Cationic Colloidal Particles Induced by Negatively Charged Polyelectrolytes, Polyelectrolyte Complexes, and Microgels Studied Using Standardized Colloid Mixing (2020)
  • 著者名/発表者名: Ilyasov Leonid O.、Ogawa Kazuyoshi、Panova Irina G.、Yaroslavov Alexander A.、Adachi Yasuhisa
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 36 ページ: 8375～8383
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.0c00619
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supplementation of O2-containing gas nanobubble water to enhance methane production from anaerobic digestion of cellulose (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Xuezhi、Yuan Tian、Lei Zhongfang、Kobayashi Motoyoshi、Adachi Yasuhisa、Shimizu Kazuya、Lee Duu-Jong、Zhang Zhenya
  • 雑誌名: Chemical Engineering Journal 巻: 398 ページ: 125652～125652
  • DOI: 10.1016/j.cej.2020.125652
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Effect of nano-bubble water on high solid anaerobic digestion of pig manure: Focus on digestion stability, methanogenesis performance and related mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: Fan Yujie、Lei Zhongfang、Yang Xiaojing、Kobayashi Motoyoshi、Adachi Yasuhisa、Zhang Zhenya、Shimizu Kazuya
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 315 ページ: 123793～123793
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123793
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coupling biogas recirculation with FeCl3 addition in anaerobic digestion system for simultaneous biogas upgrading, phosphorus conservation and sludge conditioning (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuan Tian、Wang Yinxin、Nuramkhaan Marjangul、Wang Xuezhi、Zhang Zhenya、Lei Zhongfang、Shimizu Kazuya、Utsumi Motoo、Adachi Yasuhisa、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 315 ページ: 123811～123811
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123811
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Relaxation of adsorbed layer thickness and electrophoresis of polystyrene latex particles after overshooting of polyelectrolytes with different charge density (2020)
  • 著者名/発表者名: Doan Thi Hai Yen、Adachi Yasuhisa
  • 雑誌名: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 巻: 603 ページ: 125208～125208
  • DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125208
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 土壌・ 水環境のサステナビリティに関わる コロイド界面科学の可能性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 泰久
  • 雑誌名: 土壌の物理性 巻: 144 ページ: 3～7
  • DOI: 10.34467/jssoilphysics.144.0_3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Behavior of algal-bacterial granular sludge in a novel closed photo-sequencing batch reactor under no external O2 supply (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Jixiang、Lei Zhongfang、Wei Yanjun、Wang Qian、Tian Caixing、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Adachi Yasuhisa、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 318 ページ: 124190～124190
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.124190
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] DLVO理論からみる環境コロイドの分散凝集 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小林 幹佳
  • 雑誌名: 化学工学/84(11)/pp.565-568, 2020-11 巻: 84 ページ: 565～568
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Initial Deposition Behavior of Silica Colloid and Amino-Modified Silica Colloid in Unsaturated Sand Columns (2020)
  • 著者名/発表者名: Fujita Yosuke、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Water 巻: 12 ページ: 2892～2892
  • DOI: 10.3390/w12102892
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] An analysis on electrophoretic mobility of hydrophobic polystyrene particles with low surface charge density: effect of hydrodynamic slip (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Colloid and Polymer Science 巻: 298 ページ: 1313～1318
  • DOI: 10.1007/s00396-020-04716-2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Strength of Flocs Formed by the Complexation of Lysozyme with Leonardite Humic Acid (2020)
  • 著者名/発表者名: Wan Abdul Khodir Wan Khairunnisa、Hakim Azizul、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Polymers 巻: 12 ページ: 1770～1770
  • DOI: 10.3390/polym12081770
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Critical coagulation ionic strengths for heteroaggregation in the presence of multivalent ions (2020)
  • 著者名/発表者名: Sugimoto Takuya、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 巻: 603 ページ: 125234～125234
  • DOI: 10.1016/j.colsurfa.2020.125234
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct Observation of Relaxation of Aqueous Shake-Gel Consisting of Silica Nanoparticles and Polyethylene Oxide (2020)
  • 著者名/発表者名: Huang Yi、Kobayashi Motoyoshi
  • 雑誌名: Polymers 巻: 12 ページ: 1141～1141
  • DOI: 10.3390/polym12051141
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced biosorption of Cr(VI) from synthetic wastewater using algal-bacterial aerobic granular sludge: Batch experiments, kinetics and mechanisms (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Xiaojing、Zhao Ziwen、Yu Yang、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Lei Zhongfang、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Separation and Purification Technology 巻: 251 ページ: 117323～117323
  • DOI: 10.1016/j.seppur.2020.117323
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Simultaneous enhancement on lignin degradation and methane production from anaerobic co-digestion of waste activated sludge and alkaline lignin supplemented with N2-nanobubble water (2020)
  • 著者名/発表者名: Yang Xiaojing、Nie Jingmin、Wei Yu、Zhao Ziwen、Shimizu Kazuya、Lei Zhongfang、Zhang Zhenya
  • 雑誌名: Bioresource Technology Reports 巻: 11 ページ: 100470～100470
  • DOI: 10.1016/j.biteb.2020.100470
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Fast cultivation and harvesting of oil-producing microalgae Ankistrodesmus falcatus var. acicularis fed with anaerobic digestion liquor via biogranulation in addition to nutrients removal (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Qian、Shen Qingyue、Wang Jixiang、Zhang Yihao、Zhang Zhenya、Lei Zhongfang、Shimizu Kazuya、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Science of The Total Environment 巻: 741 ページ: 140183～140183
  • DOI: 10.1016/j.scitotenv.2020.140183
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved methane production from corn straw using anaerobically digested sludge pre-augmented by nanobubble water (2020)
  • 著者名/発表者名: Wang Xuezhi、Lei Zhongfang、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Lee Duu-Jong
  • 雑誌名: Bioresource Technology 巻: 311 ページ: 123479～123479
  • DOI: 10.1016/j.biortech.2020.123479
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Desorption of hexavalent chromium from active aerobic granular sludge: Effects of operation parameters on granular bioactivity and stability (2020)
  • 著者名/発表者名: Tian Caixing、Wang Di、Wang Jixiang、Lei Zhongfang、Zhang Zhenya、Shimizu Kazuya
  • 雑誌名: Bioresource Technology Reports 巻: 11 ページ: 100457～100457
  • DOI: 10.1016/j.biteb.2020.100457
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biofilms: hot spots of horizontal gene transfer (HGT) in aquatic environments, with a focus on a new HGT mechanism (2020)
  • 著者名/発表者名: Abe Kimihiro、Nomura Nobuhiko、Suzuki Satoru
  • 雑誌名: FEMS Microbiology Ecology 巻: 96 ページ: fiaa031～fiaa031
  • DOI: 10.1093/femsec/fiaa031
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 凝集をコアに展開する土壌・水環境のエンジニアリングサイエンス (2021)
  • 著者名/発表者名: 足立 泰久
  • 学会等名: 20-1高分子と水・分離に関する研究会 2020年度界面動電現象研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Application of biogas recirculation in anaerobic digestion of sewage sludge: Perspectives and challenges (2021)
  • 著者名/発表者名: Lei Zhongfang、Shimizu Kazuya、Zhang Zhenya、Adachi Yasuhisa、Lee Duu-Jong
  • 学会等名: International Conference on Biotechnology for Sustainable Agriculture, Environment and Health (BSAEH-2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Shake-gel of aqueous colloidal suspension of silica nanoparticle and polyethylene oxide: effect of pH and molecular weight (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Motoyoshi、Huang Yi
  • 学会等名: Geneva Colloids 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Fundamental of Colloidal Dispersion in Bio-Resources and Environmental Engieering (2021)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Motoyoshi
  • 学会等名: 界面動電現象研究会セミナー
  • 招待講演
• [学会発表] イモゴライト-フミン酸複合体の凝集沈降 (2020)
  • 著者名/発表者名: 野宮 高由、山下 祐司、足立 泰久
  • 学会等名: 第54回日本水環境学会年会
• [学会発表] 生物資源・環境面におけるコロイド界面科学の展開 (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 泰久
  • 学会等名: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
  • 招待講演
• [学会発表] 種々の高分子（電解質）のコロイド界面への吸着と緩和 (2020)
  • 著者名/発表者名: 足立 泰久、Yen Doan
  • 学会等名: 第69回高分子討論会
• [学会発表] Aggregation and Charging of Natural Colloids (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Motoyoshi
  • 学会等名: International Symposium on “Interfacial Processes and Soil Health”
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] How I have been playing with Hiroyuki Ohshima theories (2020)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi Motoyoshi
  • 学会等名: Tsukuba Global Science Week 2020
  • 招待講演
• [学会発表] シリカナノ粒子とポリエチレンオキサイドからなるシェイクゲルの緩和の直接観察 (2020)
  • 著者名/発表者名: 黄 逸、小林 幹佳
  • 学会等名: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] Critical coagulation ionic strength of allophane particles in the presence of multivalent counter-ions (2020)
  • 著者名/発表者名: Li Maolin、小林 幹佳
  • 学会等名: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] Effects of Turbulent Flow and Co-ion Valence on Aggregation Kinetics of Polystyrene Latex Particles (2020)
  • 著者名/発表者名: Gao Jiahui、Sugimoto Takuya、小林 幹佳
  • 学会等名: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] サポナイトと polyethylene oxide の混合コロイドのシェイクゲル (2020)
  • 著者名/発表者名: 李 江澤、黄 逸、小林 幹佳
  • 学会等名: 第71回コロイドおよび界面化学討論会
• [学会発表] Breakup of marine aggregates under laminar shear flow (2020)
  • 著者名/発表者名: 林 靖人、和田 茂樹、足立 泰久
  • 学会等名: JpGU-AGU Joint Meeting 2020
  • 国際学会
• [備考] 当該科研のページ
  • URL: http://www.eng.bres.tsukuba.ac.jp/colloid/JSPP_kaken_S.html
• [備考] 筑波大学リサーチユニット生物資源コロイド工学のページ
  • URL: http://www.eng.bres.tsukuba.ac.jp/colloid/
• [備考] 環境コロイド界面工学研究室
  • URL: http://www.eng.bres.tsukuba.ac.jp/colloid/research-unit/
• [学会・シンポジウム開催] コロイドの凝集から標榜する生命環境の科学工学, Tsukuba Global Science Week 2020 (TGSW2020) (2020)