研究課題
土壌における微細気泡の包括的移動機構の解明
研究組織
| 代表者 | 濱本昌一郎（東京大学大学院農学生命科学研究科） |
|---|---|
| 共同研究者 | 上田義勝（京都大学生存圏研究所） 二瓶直登（東京大学大学院農学生命科学研究科） |
研究概要
近年，微細気泡（ファインバブル，FB）の地盤環境工学分野における利用が注目されている．FBは気泡径がおよそ数十nm以上数µm以下の微細気泡で，表面積が大きく，液体中の滞留時間も長くなるため分散性に優れ，気液界面での高い物理・化学的吸着効果を有する．これらFBの有する理化学性を活用した土壌浄化工法が検討されている．土壌浄化にFBを利用する際には，FBの土壌内挙動の理解が必要不可欠である．土壌は固相（土粒子・土壌有機物），液相（間隙水），気相（空気）からなる複雑な系であり，間隙水中には，各種イオン類に加え，土粒子や土壌有機物由来のコロイド状物質，汚染物質（汚染土壌の場合）など様々な物質（共存物質）が混在している．土壌内におけるFBは，気泡態ならびに溶存態として存在し，固相や汚染・コロイド物質への分配，共存イオンとの相互作用を伴う．これまでの研究成果から，注入したFBは多孔質体内に捕捉されること，FBの流出特性はFB水の注入速度やFBの生成ガス種に影響を受けることが明らかとなった．しかし当該研究は，多孔質体内の気泡態FBの移動特性のみに着目したものであり，実際の土壌内で生じるFBおよび共存物質の移動現象を包括的に捉えるには至っていない．本研究では，室内実験からFBおよび共存物質の土壌内移動機構を解明し，FBに関する包括的土壌内移動モデルの構築を目指す
研究目標を達成するため，各項目について下記の点について検討を行う．
1. FBの理化学性把握，固相および汚染・コロイド物質への物質分配機構の解明
土壌試料として，ガラスビーズ・豊浦砂に加え，土壌汚染サイトを想定した国内自然土壌として，火山灰土（東京・福島），褐色森林土（愛知），低地土（埼玉）を選定する．+FBの液相への溶解特性と，FBと共存イオン種との相互作用について，異なるpHやEC条件および共存イオン種条件で調べる．室内バッチ試験からFBの土粒子，汚染物質，各種土壌試料から抽出した無機・有機コロイド物質への吸着・脱離実験を行い，分配係数，脱離/吸着係数などの物理パラメータを同定する．
2. FB移動機構の解明と物質移動パラメータ予測式の提案
室内土壌カラム実験を行い，FBおよび共存物質（汚染物質，コロイド物質，各種イオン類）の流出特性を調べる．カラム実験は，汚染物質を含まない土壌と，汚染物質を混入した模擬汚染土壌の2種類を用いて行い，両者を比較することでFB担体汚染物質およびコロイド・FB担体汚染物質移動を評価する．水中でのFBとコロイド物質の区別には，共振式質量分析計を活用する（本年度導入予定）．FBの流出特性から，FBの土壌内移動を規定する物質移動パラメータ（分散係数，捕捉係数など）を決定し，土壌物理特性やFB特性などに基づくパラメータ予測モデルの提案を行なう．
3. 土壌における微細気泡の包括的移動モデルの構築
FBの地盤内移動モデルは，地盤内のコロイド態物質移動に関する支配方程式を修正する．具体的には，液相に存在するFBの移動を，土壌固相への分配（捕捉・分配係数）を考慮した移流・分散として記述し，飽和浸透方程式を組み合わせる．ここで，「1.」で得られる物質分配機構，「2.」で提案されるFBの物質移動パラメータの予測式が，移動モデルに組み込まれる．さらに，FBとコロイド・汚染物質の相互作用（吸着）を考慮して，コロイド・FB担体汚染物質の土壌内移動モデルの構築も行なう．また，化学反応連成シミュレータであるPHREEQCを上記FB移動モデルにカップリングさせることで，気泡態FBの液相への溶解，さらに溶存態FBと液相中イオンとの化学反応を考慮した気・液・化学連成場での地盤内の微細気泡移動モデルを開発する．
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2016年8月3日作成
