水環境中の物質輸送予測の高度化に向けた非一様・非定常流中の凝集ダイナミクスの解析

分析非均匀和不稳定流中的絮凝动力学，以预先预测水环境中的质量传递

基本信息

批准号：
15J00805
负责人：
杉本卓也
金额：
$ 1.79万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では，水環境中の物質輸送予測の高度化を目指し，コロイド粒子の凝集に対する流れ場の動的影響を明らかにするために，非定常剪断流中でのコロイド粒子の凝集ダイナミクスを解明することを目的とした．当該年度の研究成果は，以下の通りである．実際の環境中では，大小さまざまな大きさのコロイド粒子が混在しており，異なる粒子間のヘテロ凝集がより重要である．特に，剪断流中の凝集理論では，小粒子と大粒子の粒径比が減少するに伴い，ヘテロ凝集速度が劇的に遅くなることが指摘されていた．しかし，実験的には，異径粒子間の乱流中におけるヘテロ凝集速度が，小粒径比において理論ほど大きく減少しないという問題があった．そこで，剪断流だけでなく伸長流を用いた理論に基づき，ヘテロ凝集速度の粒径比依存性を計算し，３つの異なる粒径比において測定された実験値との比較を行った．その結果，剪断流中の理論値よりも伸長流中における理論値がより実験値と近いという結果が得られた．この結果は，乱流のマイクロスケールでの流れが剪断流よりも伸長流により近似できることを示唆していると結論づけた．環境中では，潮汐による波のような非定常な流れが存在している．しかし，既往研究では，一様剪断流といった定常層流や，乱流中の凝集に着目しており，これら２つの中間の流れである非定常層流中の凝集に関する研究は十分ではなかった．そこで本研究では，流量の時間変化をプログラムできるシリンジポンプと光学顕微鏡から成る実験系を設定した．この実験系中に非定常振動流を発生させ，この流れによるコロイド粒子の凝集速度を一定体積中のコロイド粒子の計数に基づく，凝集の進行による粒子の数濃度の減少から測定した．得られた実験結果を拡張した既存の理論との比較を行い，流量の振幅，すなわち最大の剪断速度が増大するにつれて凝集が促進される傾向があることが示された．

在本研究中，我们旨在改进水环境中质量传递的预测，阐明非定常剪切流中胶体颗粒的聚集动力学，以阐明流场对胶体颗粒聚集的动态影响。本年度研究成果如下。在实际环境中，各种尺寸的胶体颗粒共存，不同颗粒之间的异质聚集更为重要。特别是，剪切流中的团聚理论指出，随着小颗粒与大颗粒的粒径比减小，异质团聚的速率急剧减慢。然而，实验上存在一个问题，即在小粒径比下，不同直径颗粒之间的湍流中的异聚集率并没有像理论上那样降低那么多。因此，基于不仅使用剪切流而且还使用拉伸流的理论，我们计算了异聚集率的粒径比依赖性，并将其与在三种不同粒径比下测量的实验值进行比较。结果表明，拉伸流理论值比剪切流理论值更接近实验值。我们得出的结论是，这个结果表明湍流微尺度流动可以通过拉伸流而不是剪切流来近似。在环境中，存在诸如潮汐引起的波浪之类的不稳定流动。然而，以往的研究主要集中在均匀剪切流等稳定层流和湍流中的团聚现象，而对于介于两者之间的非定常层流中的团聚现象研究不足。因此，在这项研究中，我们建立了一个由注射泵和光学显微镜组成的实验系统，可以对流速的时间变化进行编程。在该实验系统中产生不稳定的振荡流，并且基于固定的胶体粒子的数量，通过由于聚集的进行而导致的粒子数浓度的减少来测量由于该流动而引起的胶体粒子的聚集率。体积。将所得实验结果与现有理论进行比较，发现随着流速幅值（即最大剪切速率）的增大，有促进团聚的趋势。

项目成果

期刊论文数量（0）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

University of Geneva(Switzerland)

日内瓦大学（瑞士）

DOI：
发表时间：
期刊：
影响因子：
0
作者：
通讯作者：

Hetero-aggregation of oppositely-charged particles in the presence of multivalent anions

多价阴离子存在下带相反电荷的粒子的异质聚集

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
Sugimoto Takuya;Cao Tianchi;Szilagyi Istvan;Trefalt Gregor;Borkovec Michal; Kobayashi Motoyoshi
通讯作者：
Kobayashi Motoyoshi

Homo- and Hetero-aggregation stability between Oppositely-Charged Particles with Charge Reversal

具有电荷反转的带相反电荷的粒子之间的同质和异质聚集稳定性

DOI：
发表时间：
2017
期刊：
影响因子：
0
作者：
黒坂寛;Sugimoto Takuya; Cao Tianchi; Szilagyi Istvan; Trefalt Gregor; Kobayashi Motoyoshi
通讯作者：
Sugimoto Takuya; Cao Tianchi; Szilagyi Istvan; Trefalt Gregor; Kobayashi Motoyoshi

Orthokinetic aggregation of charged colloidal particles in the presence of repulsive double layer force: A trajectory analysis with the solution of non-linear Poisson–Boltzmann equation

带电胶体粒子在双层排斥力存在下的正交运动聚集：非线性泊松解的轨迹分析