2023 Fiscal Year Research-status Report
物理・化学的なクロッギングが地盤の重金属等捕捉機能に及ぼす影響の解明
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22K04309
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
加藤 智大 京都大学, 地球環境学堂, 助教 (80943612)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高井 敦史 京都大学, 地球環境学堂, 准教授 (30598347)
勝見 武 京都大学, 地球環境学堂, 教授 (60233764)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 透水係数 / 定水位透水試験 / 電解質 / 反応速度 / 自然由来重金属等 / 吸着層工法 / 低濃度汚染土 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
サブテーマ(1)では，既存の物質移行モデルの適用範囲に着目して研究を進めた。現状，地盤汚染対策工の一つである吸着層を設計する際は，カラム試験などの吸着試験から分配係数を取得して移流分散解析を行う手法が一般的だが，カラム試験の実験値と移流分散方程式の解析解が整合しない事例が明らかなり，適用範囲を解明する必要があった。そこで，移流分散方程式には考慮されていない沈殿形成などの化学反応の影響を考慮する減衰項を追加し，既存の物質移行モデルの改良を試みた。具体的には，バッチ吸着試験で吸着材とフッ素の反応速度を推定した後，推定結果に基づいて1次の減衰項を追加し，パラメトリックスタディを行って減衰項を考慮した数値計算手法の適用性を議論した。その結果，今回の検討で用いた吸着材とフッ素のバッチ試験では1次反応速度論モデルと整合した一方で，1次反応の減衰項を含む移流分散方程式で分配係数と反応速度定数を未知数とした数値計算を行うと，カラム試験結果とは整合しない結果となった。このことから，精度よくカラム吸着試験結果を予測するためには，吸着材の組成が時間経過とともに変化する様子をモデルすることが必要だと示唆された。
サブテーマ(2)では，吸着材を山砂に混合して吸着層を模擬した供試体について，蒸留水や塩化鉄溶液を通水する定水位透水試験を，1年目から継続して実施した。2種類の吸着材を山砂に混合し，電解質を含む溶液を通水して透水係数の時間変化を評価した。その結果，蒸留水を通水した場合には10-5 m/s程度の透水係数が得られた一方，塩化鉄溶液を通水した場合には透水係数が1～2オーダーほど小さくなる結果が得られた。黄鉄鉱を含有する掘削土など，鉄イオンを含む浸透水の流入が見込まれる場合には，透水性の低下を考慮して盛土内に水を溜めないような構造とする必要性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2023年度は計画した2つのサブテーマについて，想定通りの進捗が得られた。サブテーマ(1)では既存の物質移行モデルの不確実性を解明した上で，最終年度で物理・化学的なクロッギングが地盤の重金属等捕捉機能に及ぼす影響を評価する計画としており，吸着材を混合した供試体中での化学反応メカニズムの解明とそのモデル化に向けた検討を2年目に計画通り進められた。今後は，初年度に検討した掘削土からの溶出反応と2年目に検討した吸着反応の知見を組み合わせて，最終年度に吸着層を含む盛土構造のあり方を吸着性と透水性の観点から議論する予定である。また，初年度から準備を進めてきた土壌抽出液を用いたより現場の条件に近い吸着試験も開始できており，順調に研究が進んでいると言える。
サブテーマ(2)では，吸着材を山砂に混合して吸着層を模擬した供試体について，蒸留水と塩化鉄溶液を通水する定水位透水試験を実施した。具体的には，カルシウム/マグネシウム系材料を山砂に混合して濃度の異なる溶液を通水し，透水係数の時間変化を評価した。1年目に水酸化第二鉄溶液を通水した際に流入液中に沈殿が生じたケースがみられたが，2年目は溶解度の大きな塩化鉄試薬を適用したことで試験系の確立に至った。3年目には確立した試験系を適用して，実験データの収集を進める。また当初の予定通り，透水性能低下のメカニズム同定に向けて，透水試験後の供試体を分割し，蛍光X線による化学組成の分析を試みた。顕著な差異がみられなかったため，最終年度ではXRD分析を用いて，生成した沈殿物の化学式を推定しクロッギング発生のメカニズム解明を目指す。
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| Strategy for Future Research Activity |
サブテーマ(1)では，1年目で明らかにしたヒ素の溶出試験結果と，2年目の研究で示した吸着材の水和に伴う吸着性能の変動の可能性をそれぞれ考慮し，吸着層の設計方法を検討する。具体的には，1年目の実験結果をもとに自然由来のヒ素を含む抽出液を作製し，吸着材を非汚染土に添加して吸着層を模擬した供試体に通水することで，重金属等の捕捉機能と透水係数の経時変化を評価する。粒度，混合比率，乾燥密度をパラメーターとして透水係数の経時変化を測定しつつ，吸着材の材質変化に伴う土構造の変動が吸着性能に及ぼす影響を評価する予定である。
サブテーマ(2)では，1・2年目に蓄積した定水位透水試験の結果を踏まえて，顕著に透水性能が低下したケースでの現象の解明を目指す。具体的には，X線CTによる透水試験前後の供試体の間隙構造の可視化，X線回折による沈殿生成物の評価を行う。特に，鉄イオンを含む酸性溶液が供試体を通過して中和される際に沈殿が形成されたことから，水酸化鉄と二酸化ケイ素の密度差に着目し，CTによって間隙の閉塞が発生した箇所の特定を試みる。
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| Causes of Carryover |
当初計画通り1・2年目に，鉄イオンを含む溶液を通水する透水試験を実施できた。一方で，最終年度のクロッギング発生のメカニズム解明では，当初予定していたX線CTによる可視化に加えてX線回折による鉱物組成の評価も必要となり，経費の確保が必要になったことから，3年目に向けての次年度使用額が生じた。なお2年目の研究では，当初想定より消耗品の使用量が少なかったが問題なく研究を遂行できている。
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Research Products
(10 results)
