JP5755282B2 - 人工土壌粒子、及び人工土壌粒子の製造方法 - Google Patents
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Description
細孔を有する複数のフィラーがゲル化剤である結合材で結合された人工土壌粒子であって、
前記フィラーの分散と前記結合材のゲル化反応との競合によって形成される前記複数のフィラーが三次元的に結合した三次元ネットワーク構造を有し、
前記三次元ネットワーク構造は、前記複数のフィラーどうしが接触した状態で前記結合材のゲル化反応が起こることにより形成されるものであり、
前記複数のフィラーとして、細孔が陽イオン交換能を有する材料と、細孔が陰イオン交換能を有する材料との混合物を使用することにある。
従って、本構成の人工土壌粒子は、従来の人工土壌の概念とは異なる新規な人工土壌として利用可能であり、様々な可能性を有する付加価値の高い人工土壌として期待されるものとなる。
前記フィラーの間に連通孔が形成されていることが好ましい。
前記細孔はサブnmオーダー乃至サブμmオーダーのサイズを有し、前記連通孔はサブμmオーダー乃至サブmmオーダーのサイズを有することが好ましい。
0.2〜10mmの平均粒径を有することが好ましい。
細孔を有する複数のフィラーがゲル化剤である結合材で結合された人工土壌粒子の製造方法であって、
前記フィラーの分散と前記結合材のゲル化反応との競合によって、前記複数のフィラーどうしが接触した状態で前記結合材のゲル化反応が起こることにより、前記複数のフィラーが三次元的に結合した三次元ネットワーク構造を形成させる形成工程を含み、
前記複数のフィラーとして、細孔が陽イオン交換能を有する材料と、細孔が陰イオン交換能を有する材料との混合物を使用することにある。
従って、本構成の人工土壌粒子の製造方法によって製造された人工土壌粒子は、従来の人工土壌の概念とは異なる新規な人工土壌として利用可能であり、様々な可能性を有する付加価値の高い人工土壌として期待されるものとなる。
図1は、本発明の人工土壌粒子10を概念的に表した説明図である。図1(a)は、フィラー1として、多孔質天然鉱物であるゼオライト1aを使用した人工土壌粒子10を例示したものである。図1(b)は、フィラー1として、層状天然鉱物であるハイドロタルサイト1bを使用した人工土壌粒子10を例示したものである。なお、図1中に示す記号x、y及びzは、後述する細孔2、連通孔3及び人工土壌粒子10のサイズを夫々表しているが、図面上でのx、y及びzの大きさは実際のサイズ関係を反映したものではない。
人工土壌粒子10は、複数のフィラー1を集合して粒状化することにより形成される。フィラー1を粒状化するにあたっては、例えば、バインダーとして高分子ゲル化剤が使用される。高分子ゲル化剤は、ゲル化反応によってフィラー1どうしを結合する。高分子ゲル化剤のゲル化反応として、例えば、アルギン酸塩と多価金属イオンとのゲル化反応、カルボキシメチルセルロース(CMC)のゲル化反応、カラギーナンなどの多糖類の二重らせん構造化反応によるゲル化反応が挙げられる。このうち、アルギン酸塩と多価金属イオンとのゲル化反応は、後述する本発明の特徴である「自己組織化構造」を形成する手段として適している。アルギン酸塩の一つであるアルギン酸ナトリウムは、アルギン酸のカルボキシル基がNaイオンと結合した形態の中性塩である。アルギン酸は水に不溶であるが、アルギン酸ナトリウムは水溶性である。アルギン酸ナトリウム水溶液を多価金属イオン(例えば、Caイオン)の水溶液中に添加すると、アルギン酸ナトリウムの分子間でイオン架橋が起こりゲル化する。ゲル化反応は、例えば、以下の工程により行うことができる。初めに、アルギン酸塩を水に溶解させてアルギン酸塩水溶液を調製し、アルギン酸塩水溶液にフィラー1を添加し、これを十分攪拌して、アルギン酸塩水溶液中にフィラー1が分散した混合液を形成する。次に、混合液を多価金属イオン水溶液中に滴下し、混合液に含まれるアルギン酸塩を粒状にゲル化させる。
フィラー1とバインダー5としてのアルギン酸塩との競合によりに発現する人工土壌粒子10の自己組織化構造は、フィラー1を粒子化(ゲル化)する際の条件によって制御することができると考えられる。人工土壌粒子10の自己組織化構造を制御するための条件として、例えば、以下の条件が考えられる。
自己組織化構造を有する人工土壌粒子10は、細孔2を有するフィラー1の間に連通孔3が形成された多孔質粒子である。人工土壌粒子10の粒径(図1に示す人工土壌粒子10のサイズzの平均値)は、0.2〜10mmであり、好ましくは0.5〜5mmであり、より好ましくは1〜5mmである。人工土壌粒子10の粒径が0.2mm未満の場合、人工土壌粒子10間の間隙が小さくなって排水性が低下することにより、栽培する植物が根から酸素を吸収し難くなる虞がある。一方、人工土壌粒子10の粒径が10mmを超えると、人工土壌粒子10間の間隙が大きくなって排水性が過剰になり過ぎることにより、植物が水分を吸収し難くなったり、人工土壌粒子10が疎になって植物が横倒れする虞がある。人工土壌粒子10の粒径の調整は、例えば、篩による分級で行うことができる。連通孔3のサイズ(図1に示す隣接するフィラー1間の距離yの平均値)は、フィラー1やバインダーの種類、組成、造粒条件により変化し得るが、サブμmオーダー乃至サブmmオーダーとなる。例えば、フィラー1が、図1(a)に示すゼオライト1a、又は図2(b)に示すハイドロタルサイト1bであり、高分子ゲル化剤を使用した場合、連通孔3のサイズは、0.1〜20μmである。連通孔3のサイズは、測定対象の状態に応じて、ガス吸着法、水銀圧入法、小角X線散乱法、画像処理法等を用いて、又はこれらの方法を組み合わせて、最適な方法により測定することができる。人工土壌粒子10の粒径は、例えば、光学顕微鏡観察及び画像処理法を用いて測定することができる。本実施形態では、以下の測定法により、連通孔3のサイズ、及び人工土壌粒子10の粒径を測定した。先ず、測定対象の人工土壌粒子をスケールとともに顕微鏡で観察し、その顕微鏡画像を画像処理ソフト(二次元画像解析処理ソフトウェア「WinROOF」、三谷商事株式会社製)を使用して取得する。画像から100個の人工土壌粒子を選択し、連通孔又は人工土壌粒子の輪郭をトレースする。トレースした図形の周長から、相当円の直径を算出する。夫々の連通孔又は人工土壌粒子から求めた相当円の直径(100個)の平均を平均サイズ(単位:ピクセル)とする。そして、平均サイズを顕微鏡画像中のスケールと比較し、単位長さ(μmオーダー乃至mmオーダー)に変換して、連通孔のサイズ又は人工土壌粒子の粒径を算出する。
本発明の人工土壌粒子10は、細孔2と連通孔3とが異なるサイズに構成されているため、土壌としての基本性能(保水性及び保肥性)のバランスに多機能な人工土壌を実現することができる。ここで、人工土壌粒子10が有する保水性及び保肥性のメカニズムを、図3を参照しながら詳細に説明する。図3では、人工土壌粒子10に外部から水分W、及び養分K、N、Pが取り込まれる様子を(a)、(b)、(c)の順に段階的に示してある。ここで、養分Kはカリウム分、養分Nは窒素分、養分Pはリン分を表している。
人工土壌粒子10の細孔2及び連通孔3は、連通孔3の全容積が細孔2の全容積より大きくなるように構成されることが好ましい。これは、連通孔3の保水性を十分に確保するとともに、連通孔3から細孔2への養分の移動がスムーズに行われるようにするためである。また、連通孔3の全容積が細孔2の全容積より大きくなれば、人工土壌粒子10が軽量となるため、嵩密度が小さくなり、人工土壌としての取り扱いも容易となる。連通孔3の全容積を細孔2の全容積より大きくするためには、図2(a)に示した三次元ネットワーク構造とすることが有効である。三次元ネットワーク構造を有する人工土壌粒子10は、嵩密度が低く軽量でありながら構造的にも安定しているため、根菜類の栽培に必要な強度が確保された人工土壌として好適に利用できる。また、内部に有する多数の空隙のため、保水性、保肥性、排水性、通気性等の土壌としての基本性能が良好なものとなり、付加価値の高い人工土壌とすることができる。
本発明の人工土壌粒子10は、さらに団粒化して人工土壌団粒体の形態で人工土壌として利用することも可能である。図4は、人工土壌団粒体100の模式図である。ここでは、図1(a)に示すゼオライト1aを使用した人工土壌粒子10を団粒化した人工土壌団粒体100を例示する。
人工土壌粒子又は人工土壌団粒体を篩によって予め所定の粒径に分級し、分級したものについて上記実施形態で説明した画像処理を用いた測定法で粒径を測定し、これを試料として使用した。
人工土壌粒子を構成するフィラーの細孔の孔径をガス吸着法により測定した。複数のフィラーの間に形成される連通孔の孔径については、上記実施形態で説明した画像処理を用いた測定法により測定した。
富士平工業株式会社製の汎用抽出・ろ過装置「CEC−10 Ver.2」を用いて人工土壌粒子の抽出液を作製し、これを陽イオン交換容量測定用試料とした。そして、富士平工業株式会社製の土壌・作物体総合分析装置「SFP−3」を用いて、人工土壌粒子の陽イオン交換容量(CEC)を測定した。
人工土壌粒子2gに0.05M硝酸カルシウム溶液20mLを添加し、1時間攪拌した。溶液を室温で1分間遠心分離(10,000rpm)し、上清を測定用試料とした。測定用試料について、紫外可視分光光度計を用いて波長410nmの吸光度を測定し、硝酸カルシウム濃度を求めた。求めた硝酸カルシウム濃度とブランクの硝酸カルシウム濃度との差から、硝酸態窒素の重量あたりの吸着量を算出し、これを比重で換算し、容積あたりの陰イオン交換容量(AEC)とした。
人工土壌粒子の強度を、繰り返し圧縮荷重の付加による容積変化率によって評価した。容積変化率は、以下の方法で求めた。土壌評価用の試料円筒(内径:約5cm、高さ:約5cm、容積:100mL)にサンプルとして人工土壌100mLを充填し、試料円筒よりも径が僅かに小さい円筒状の錘(重量:5kg)をゆっくりとサンプルの上に載置した。その状態で60秒間放置し、錘を取り除いた。これらの操作を10回繰り返した(繰り返し圧縮荷重25KPa)。繰り返し圧縮荷重の付与が完了したら、サンプルをそのまま60秒間放置し、メスシリンダー等を用いてサンプルの容積Vを測定し、容積変化率ΔVを以下の式[1]から求めた。
ΔV(%) = (100−V)/100 × 100 ・・・ [1]
解放したクロマトグラフ管に人工土壌粒子100mLを充填し、上部から200mLの水をゆっくりと注水したときの人工土壌の保水量を通水保水量とした。
人工土壌粒子からなる人工土壌を水道水に24時間浸漬して飽和含水状態にした試料を作成し、この試料をさらに1時間静置した。試料の重量水を流下させた後、形状を出来るだけ維持しながら100mL試料用円筒に採取し、大起理化工業株式会社製のデジタル実容積測定装置「DIK−1150」にセットして気相率を測定した。
アルギン酸ナトリウム0.5%水溶液100重量部に株式会社エコウエル製の人工ゼオライト「琉球ライト600」10重量部、及び和光純薬工業株式会社製の試薬ハイドロタルサイト10重量部を添加して混合した。混合液を5%塩化カルシウム水溶液中に1滴/秒の速度で滴下した。滴下した液滴が粒子状にゲル化した後、粒子状ゲルを回収して水洗し、55℃に設定した乾燥機で24時間乾燥させた。乾燥を終えた粒子状ゲルを篩にかけて分級し、2mmオーバー、4mmアンダーとした人工土壌粒子を得た。得られた人工土壌粒子は、三次元ネットワーク構造を有するものであった。この人工土壌粒子の陽イオン交換容量は14meq/100gであり、陰イオン交換容量は15meq/100gであった。さらに、この人工土壌粒子を使用した人工土壌の強度(容積変化率)は13%であり、保水量(通水保水量)は26%であり、気相率は33%であった。
三次元ネットワーク構造を有する人工土壌粒子100重量部と、二次バインダーとしてコニシ株式会社製の酢酸ビニル樹脂系接着剤「ボンド(登録商標)木工用」5重量部とを混合し、混合物を造粒機に導入して団粒化し、人工土壌団粒体を得た。得られた人工土壌団粒体は、粒径が3〜18mmであり、複数の人工土壌粒子が連なったクラスター構造を有するものであった。
2 細孔
3 連通孔(隙間)
5 バインダー(結合材)
10 人工土壌粒子
100 人工土壌団粒体
Claims (5)
- 細孔を有する複数のフィラーがゲル化剤である結合材で結合された人工土壌粒子であって、
前記フィラーの分散と前記結合材のゲル化反応との競合によって形成される前記複数のフィラーが三次元的に結合した三次元ネットワーク構造を有し、
前記三次元ネットワーク構造は、前記複数のフィラーどうしが接触した状態で前記結合材のゲル化反応が起こることにより形成されるものであり、
前記複数のフィラーとして、細孔が陽イオン交換能を有する材料と、細孔が陰イオン交換能を有する材料との混合物を使用する人工土壌粒子。 - 前記フィラーの間に連通孔が形成されている請求項1に記載の人工土壌粒子。
- 前記細孔はサブnmオーダー乃至サブμmオーダーのサイズを有し、前記連通孔はサブμmオーダー乃至サブmmオーダーのサイズを有する請求項2に記載の人工土壌粒子。
- 0.2〜10mmの平均粒径を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 細孔を有する複数のフィラーがゲル化剤である結合材で結合された人工土壌粒子の製造方法であって、
前記フィラーの分散と前記結合材のゲル化反応との競合によって、前記複数のフィラーどうしが接触した状態で前記結合材のゲル化反応が起こることにより、前記複数のフィラーが三次元的に結合した三次元ネットワーク構造を形成させる形成工程を含み、
前記複数のフィラーとして、細孔が陽イオン交換能を有する材料と、細孔が陰イオン交換能を有する材料との混合物を使用する人工土壌粒子の製造方法。
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