[論文レビュー] A simple criterion and experiments for onset of flocculation in kaolin clay suspensions

Nicholas Rommelfanger, Bernhard Vowinckel+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2022

Soil and Unsaturated Flow被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液における凝集の始まりを予測するための単純で物理的に根拠のある基準を提示する。次元なしパラメータΦを用いたもので、実験により、凝集は極めて低い塩濃度で発生することが示された—NaClでは0.6 mM（≒0.04 ppt）、CaCl₂では0.04 mM（≒0.004 ppt）—これは、ケイ酸アルミニウム系ゼオライトがほぼすべての自然水中環境で凝集することを示しており、一価イオンでは凝集閾値が土壌濃度に依存しないが、二価イオンでは表面電荷の中和により濃度に伴いわずかに上昇することが判明した。

ABSTRACT

Cohesive effects between fine-grained sediment particles greatly influence their effective settling rate and erodibility. Many studies have observed a qualitative difference in settling dynamics between clays in freshwater, where particles remain dispersed, and in saltwater, where aggregates form and settle rapidly. The critical coagulation concentration (CCC) of salt that separates the two regimes however remains under-investigated, even though knowledge of the CCC is crucial to understanding aggregation in settings such as estuaries, where large salt concentration gradients occur. Furthermore, no simple criterion exists to predict the CCC for clay suspensions. In this study, systematic experiments are performed to determine the CCC, by measuring transmitted light intensity through clay suspensions. To investigate the effect of ion valence, sodium chloride (NaCl) and calcium chloride (CaCl$_2$) are used. For kaolin clay, the results show a CCC of 0.6mM NaCl ($\approx 0.04$ppt NaCl $=$ 0.04 PSU), and of 0.04mM CaCl$_2$ ($\approx 0.004$ppt CaCl$_2$). Because these salinities are lower than those commonly observed in nature, these findings indicate that kaolin clay should flocculate in nearly all natural aquatic environments. Furthermore, due to the fact that tap water often has salinities higher than this threshold, these results imply that great care is needed in experiments, especially in large facilities where using distilled water is not feasible. In addition, a simple criterion to estimate the CCC for a kaolin clay suspension is derived. This criterion predicts that flocculation occurs at extremely low salt concentrations and is approximately independent of clay concentration, in agreement with the experimental observations and consistent with experimental evidence from the literature.

研究の動機と目的

• 淡水および塩水環境におけるケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液の臨界凝集濃度（CCC）を特定すること。
• 複雑なDLVO理論に依存しない、単純で実用的な基準を考案して凝集の始まりを予測すること。
• イオン価数（Na⁺ 対 Ca²⁺）がケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液における凝集閾値に与える影響を調査すること。
• 自然水中系における塩誘発凝集に関する現場観察と実験的観察の不一致を解明すること。
• 特に蒸留水が利用できない施設における実験設計に実用的な指針を提供すること。

提案手法

• ケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液を通過する透過光強度を測定することで、凝集の始まりを検出する体系的実験。
• 臨界凝集濃度（CCC）に及ぼすイオン価数の影響を調査するため、NaClおよびCaCl₂を用いる。
• 土壌濃度（4–40 ppt）を変化させた範囲でCCCを測定し、濃度依存性を評価する。
• 物理的パラメータに基づいて導出された次元なしパラメータΦを用いて、凝集の始まりを予測する。
• 文献データおよび理論的予測（例：シュルツ＝ハーディ則）と実験結果を比較する。
• 粒子の特徴評価および懸濁液調製のため、環境走査電子顕微鏡（ESEM）および遠心分離を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液における凝集は、どの塩濃度で開始されるか？
• RQ2 イオン価数（Na⁺ 対 Ca²⁺）は、ケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液における臨界凝集濃度にどのように影響するか？
• RQ3 臨界凝集濃度は、懸濁液内の土壌濃度に依存するか？
• RQ4 完全なDLVO計算を用いずに、凝集の始まりを予測できる単純で物理的に直感的な基準は構築可能か？
• RQ5 なぜ現場観察では塩誘発凝集に関して、実験的結果と矛盾することがあるのか？

主な発見

• NaCl溶液中におけるケイ酸アルミニウム系ゼオライトの臨界凝集濃度（CCC）は0.6 mM（≒0.04 ppt NaCl）であり、通常のtap水の塩濃度よりも顕著に低い。
• CaCl₂溶液中ではCCCは0.04 mM（≒0.004 ppt CaCl₂）であり、シュルツ＝ハーディ則に一致しており、NaClの約15倍低い。
• NaClのCCCは土壌濃度に依存しないことから、Stern層におけるNa⁺の吸着が最小限であることが示唆される。
• CaCl₂のCCCは土壌濃度の上昇に伴いわずかに増加するが、これはStern層におけるCa²⁺の吸着および表面電荷の中和によるものと推定される。
• 提案された次元なしパラメータΦは、Φ ≈ 10⁻³で凝集の始まりを予測でき、DLVO理論に代わる単純な代替手段を提供する。
• ケイ酸アルミニウム系ゼオライト懸濁液は、超低CCCのため、ほぼすべての自然水中環境で凝集するため、実験的流体力学における仮定に疑問を呈する。