機能材料のマルチスケール最適設計
材料に優れた特性を発現させる鍵は，微視構造にある．次世代新規デバイス開発の核となるマルチフェロイック材料の電気磁気効果を飛躍的に向上することを目的とし，顕微鏡で観察される微視（ミクロ）スケールと機械構造物を捉えた巨視（マクロ）スケールを連成したマルチスケール構造最適設計を駆使して，数値解析主導の材料設計開発を提供する．
近年、活性炭処理水など凝集性粒子をほとんど含まない低濁度水を対象にPACl注入を行い、急速砂ろ過を運用する事例が増加している。このような状況では、連続的に流入する凝集フロックではなく、突発的に流入する非凝集性粒子への対応を意図した運用、すなわち濁質捕捉効果の高いAl集積層をろ層内に速やかに形成することが重要と考えられる。 本研究では、急速ろ過層が有する固液分離の仕上げ機能を最大限に引き出すための凝集操作要件を明らかにするため、薬注後のGT値がAl集積層の形成と非凝集性粒子の阻止率に及ぼす影響を検討した。
実験方法
実験装置は有効容積6.6 Lの急速混和槽および直径7 cmのろ過筒より構成され、ろ過筒内部には有効径0.64 mm、均等係数1.4の珪砂をろ層厚10 cm、空隙率44.3 %で充填した。実験原水として本学水道水を用い、凝集剤としてPAClを薬注率0.5 ppmで注入後、種々の条件で急速撹拌を行った。急速撹拌後の水は直ちにろ過速度240 m/dでろ過筒に通水し、原水およびろ過水の微粒子数ならびにろ層内で発現した損失水頭をそれぞれ測定した。通水開始後1週間でろ過を打ち切り、ろ過筒内の珪砂を全て抜き取った後、珪砂表面に付着しているAl量をオキシン法により定量した。また、ろ過開始0、1、3、7、10日後に濃度10 mg/Lのカオリン懸濁液を一時間無薬注で添加し、ろ過水質が安定した時点の微粒子数に基づいて粒径別阻止率を算出した。
Alの回収および集積に必要な最低GT値と最適GT値
図1に、GT値とAl集積量および損失水頭の関係を示す。GT値が約30,000以下の領域では、GT値を高めると、Al集積量、損失水頭ともに増加し、加えたAlのろ材表面への捕捉量が増加した。また、GT値が約30,000～約60,000の領域では、Al集積量はGT値に関係なくほぼ等しかったが、損失水頭はGT値を高めると低下し、形成されるAl集積層の密度が上昇した。一方、GT値が約60,000以上の領域では、GT値を高めると、Al集積量は減少するとともに損失水頭は増加し、集積密度が低下した。このように、Al集積層の性状は薬注後のGT値に依存し、凝集剤として加えたAlの回収に必要な最低GT値と高密な集積層の形成に必要な最適GT値の存在することが示唆された。
非凝集性粒子の阻止挙動
図2に、非凝集性粒子の阻止率変化を示す。まず、粒径別に比較すると、大径粒子ほど全体的に速やかに高い阻止率が得られ、非凝集性微小粒子はろ層に捕捉され難い傾向が見られた。しかし、粒径5 μm以下であっても、GT値を63,900、すなわち高密なAl集積層が形成されるよう設定すると阻止率の上昇速度が大きく向上し、非凝集性粒子を除去する上でGT値の制御が重要であることが示唆された。
論文
「低濁度原水の砂ろ過における薬注後の撹拌制御に関する研究」(2020)『第54回日本水環境学会年会講演集』p.252.
「超低濁度水の砂ろ過におけるAl集積層の形成特性」(2019)『令和元年度全国会議（水道研究発表会）講演集』p.330-331.
「超高塩基度PAClを用いた砂ろ過に及ぼす凝集撹拌条件の影響」(2019)『第53回日本水環境学会年会講演集』p.514.
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