JP5615461B2 - 人工土壌粒子 - Google Patents
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Description
繊維を集合してなるコア部と、
前記コア部を被覆する水分の取り込み及び放出が可能な通水性膜と、
を備えたことにある。
前記通水性膜は、多孔質構造を備えていることが好ましい。
前記通水性膜は、前記コア部の外表部の40%以上を被覆することが好ましい。
前記コア部は、保水性材料を有することが好ましい。
前記コア部及び前記通水性膜の少なくとも何れか一方にイオン交換能を付与してあることが好ましい。
1〜10mmの粒径を有することが好ましい。
前記コア部に水分が飽和状態で保持されている湿潤状態と、前記コア部に水分が飽和状態で保持されていない通気可能状態との間で、水分保持量を調整可能に構成されていることが好ましい。
前記繊維は、長さが0.2〜0.5mmの短繊維であることが好ましい。
図1は、本発明に係る繊維塊状体(人工土壌粒子、以下同様)1を模式的に示した説明図である。(A)は繊維塊状体1の外観図であり、(B)は繊維塊状体1の断面図である。図2は、本発明の実施形態に係る繊維塊状体1を例示する写真である。(A)は繊維塊状体1が集合した状態の写真であり、(B)は一つの繊維塊状体1の拡大写真である。繊維塊状体1は、繊維2を集合して構成したコア部3と、コア部3を被覆する通水性膜4とを備えている。図1に示すように、コア部3は、繊維2が複雑に集合した状態で造粒されたものであり、球状に形成されている。コア部3は通水性膜4で被覆され、これにより繊維塊状体1が構成される。本実施形態では、繊維塊状体1は、図2に示すように、球状に近い立体形状に構成されているが、例えば、扁平したラグビーボール形状、突起を有する金平糖形状、多面体形状、一定以上の厚みを有する板状、不定形状等に構成することも可能である。
繊維塊状体(人工土壌粒子、以下同様)1の製造方法としては、例えば、綿又はビニロン等の繊維2をカーディング装置等で引揃え、3〜10mm程度の長さに切断し、切断した繊維2を転動造粒、流動層造粒、攪拌造粒、圧縮造粒、押出造粒等の方法によって粒状に造粒し、コア部3を形成する。造粒の際、繊維2に樹脂や糊等のバインダーを混合すると、コア部3を効率よく形成することができる。バインダーは、有機バインダー又は無機バインダーの何れも使用可能である。有機バインダーは、例えば、ポリオレフィン系バインダー、ポリビニルアルコール系バインダー、ポリウレタン系バインダー、ポリ酢酸ビニル系バインダー等の合成樹脂系バインダー、デンプン、カラギーナン、キサンタンガム、ジェランガム、アルギン酸などの多糖類、膠などの動物性たんぱく質等の天然物系バインダーが挙げられる。無機バインダーは、例えば、水ガラス等のケイ酸系バインダー、リン酸アルミニウム等のリン酸塩系バインダー、ホウ酸アルミニウム等のホウ酸塩系バインダー、セメント等の水硬性バインダーが挙げられる。有機バインダー及び無機バインダーは、二種以上を組み合わせて使用することも可能である。なお、繊維2として絡み易いもの(例えば、屈曲した繊維)を使用する場合、造粒工程を行うだけで繊維2が互いに容易に絡み合うため、この場合は特にバインダーを使用しなくてもコア部3の形成が可能となる。
図3は、本発明に係る繊維塊状体(人工土壌粒子、以下同様)1を使用した人工土壌10に植物を植えた状態を模式的に示した説明図である。図3に示すように、繊維塊状体1は、複数の繊維塊状体1が集合した団粒構造の状態で、繊維塊状体1間に一定の隙間11を形成する。この隙間11は、空気及び水が通過することができるため、植物に必要な水分を保持しながら余分な水分を排出することができる。人工土壌10が湿潤状態となった場合、隙間11から余分な水分を排出し、人工土壌10が乾燥状態となった場合には、隙間11の毛細管現象により、周囲に存在する水分を吸い上げることができる。このように、人工土壌10は、隣接する繊維塊状体1の間に形成される隙間11によって、植物にとって必要な水分を確保しながら、余分な水分を排水することができ、優れた通気性及び排水性を実現している。また、隙間11は、植物の根20が成長するための空間を提供するため、植物の根20が張り易く、ひいては植物の成長を促すことができる。
繊維塊状体を構成する繊維として、天然繊維である綿を使用した。綿をカーディング装置で引きそろえ、3〜10mm程度の長さに切断して、回転する2枚の板の間に入れて転がして球状のコア部を形成した。球状のコア部に体積の半分程度の水を加えて、繊維中に水を浸み込ませた。次いで、ポリエチレンエマルジョン(セポルジョン(登録商標)G315、住友精化株式会社製、濃度40重量%)を体積の1/2となるように加えて外表部にエマルジョンが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜10mmの範囲内であった。
繊維塊状体を構成する繊維として、合成繊維であるビニロン短繊維(株式会社クラレ製)を使用した。ビニロン短繊維は、長さが0.5mm、繊維直径が25μmであり、見かけの容積は1000ccであった。ビニロン短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させた粒子状のコア部を形成した。次いで、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンを体積の1/2となるように加えて外表部にエマルジョンが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するビニロン短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜10mmの範囲内であった。
ここで、本実施例の繊維塊状体の表面を撮影した顕微鏡写真を図5に示す。(A)は繊維塊状体の表面の一部を撮影した写真であり、(B)は(A)の拡大写真である。(A)を見ると、繊維塊状体はコア部の表面全体がポリエチレンの通水性膜で覆われており、周囲より若干暗く写っている楕円で囲った領域がコア部への連通孔となっている。また、(B)を見ると、コア部を形成するビニロン短繊維の表面に微細なポリエチレン粒子が凝集して通水性膜が形成されている。ポリエチレン粒子の間は完全には塞がれておらず、これにより、通水性膜の表面全体に水分が通過可能な微細孔が形成されている。通水性膜の表面に水分が付着すると、その水分は直ちに内部に吸収される。通水性膜の膜厚を大きくした場合でも同様である。このことから、通水性膜の表面には無数の微細孔が存在していることが推認される。
見かけの容積で1000ccのセルロース短繊維(長さ0.2〜0.3mm、レッテンマイヤー社製「アーボセル(登録商標)」)を繊維として使用し、実施例2と同様の手順により、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜5mmの範囲内であった。
(1)保水性:クロマト管に試験対象の土壌を充填し、土壌の全てが水没するように水を注入し、1時間静置後、クロマト管の下部より水を抜き、3分間クロマト管から落水しなくなった時の保水量を測定し、試験対象の土壌100ccに対する保水量に換算して保水性とした。なお、保水量は、クロマト管に試験対象の土壌を140cc充填し、上部から水を加えて所定時間後の重量を測定し、予め測定しておいた試験対象の土壌の重量を差し引くことにより測定した。
本発明の繊維塊状体において、保肥性を付与することができれば、元々保水性が高い繊維塊状体に保肥性が加わり、土壌としてのバランスに優れた人工土壌粒子とすることができる。そこで、実施例4〜9として、繊維にイオン交換性フィラーを添加して造粒した繊維塊状体(人工土壌粒子)を作製し、各繊維塊状体の保肥性を陽イオン交換容量(CEC)として評価した。陽イオン交換容量(CEC)の評価にあたっては、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。陽イオン交換容量測定用試料を富士平工業株式会社製の土壌・作物体総合分析装置「SFP−3」に供し、人工土壌粒子の陽イオン交換容量(CEC)を測定した。実施例4〜9に係る繊維塊状体の作製手順、及び陽イオン交換容量(CEC)の測定結果を以下に説明する。
見かけの容積で1000ccのビニロン短繊維(長さ0.5mm、繊維直径25μm、株式会社クラレ製)を繊維として使用した。ビニロン短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものと、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)100ccとを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させるとともにゼオライトを担持させた粒子状のコア部を形成した。次いで、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンを体積の1/2となるように加えて外表部にエマルジョンが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するビニロン短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜10mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、4.1meq/100gであった。
見かけの容積で1000ccのビニロン短繊維(長さ0.5mm、繊維直径25μm、株式会社クラレ製)を繊維として使用した。ビニロン短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させた粒子状のコア部を形成した。次いで、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)30ccと、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンとを体積の1/2となるように交互に加えて外表部にゼオライトとエマルジョンとが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するビニロン短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜10mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、2.5meq/100gであった。
なお、この繊維塊状体における間隙のサイズ分布を水銀圧入法で測定したところ、0.1μm〜50μmの範囲に亘ってブロードなサイズ分布を有することが確認された。
見かけの容積で1000ccのビニロン短繊維(長さ0.5mm、繊維直径25μm、株式会社クラレ製)を繊維として使用した。ビニロン短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものと、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)100ccとを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させるとともにゼオライトを担持させた粒子状のコア部を形成した。次いで、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)30ccと、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンとを体積の1/2となるように交互に加えて外表部にゼオライトとエマルジョンとが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するビニロン短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜10mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、4.5meq/100gであった。
見かけの容積で1000ccのセルロース短繊維(長さ0.2〜0.3mm、レッテンマイヤー社製「アーボセル(登録商標)」)を繊維として使用した。セルロース短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものと、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)100ccとを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させるとともにゼオライトを担持させた粒子状のコア部を形成した。次いで、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンを体積の1/2となるように加えて外表部にエマルジョンが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するセルロース短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜5mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、4.6meq/100gであった。
見かけの容積で1000ccのセルロース短繊維(長さ0.2〜0.3mm、レッテンマイヤー社製「アーボセル(登録商標)」)を繊維として使用した。セルロース短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させた粒子状のコア部を形成した。次いで、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)30ccと、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンとを体積の1/2となるように交互に加えて外表部にゼオライトとエマルジョンとが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するセルロース短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜5mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、4.8meq/100gであった。
見かけの容積で1000ccのセルロース短繊維(長さ0.2〜0.3mm、レッテンマイヤー社製「アーボセル(登録商標)」)を繊維として使用した。セルロース短繊維を撹拌混合造粒装置(有限会社G−Labo製)で撹拌、転動させながら実施例1で使用したポリエチレンエマルジョンを約10倍に希釈したものと、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)100ccとを加えて造粒し、内部にポリエチレンエマルジョンを含浸させるとともにゼオライトを担持させた粒子状のコア部を形成した。次いで、イオン交換フィラーとしてゼオライト(株式会社エコウィル製「琉球ライト」)30ccと、実施例1で使用したものと同じポリエチレンエマルジョンとを体積の1/2となるように交互に加えて外表部にゼオライトとエマルジョンとが均一に付着するように転がしながら含浸させた。エマルジョンが含浸したコア部をオーブンで60℃で乾燥した後、100℃でエマルジョン中のポリエチレンを溶融させて繊維に融着させることにより、コア部を形成するセルロース短繊維同士を固定化し、さらに、コア部の外表部が多孔質ポリエチレンの通水性膜で被覆された繊維塊状体を作製した。出来上がった繊維塊状体の粒径は、1〜5mmの範囲内であった。この繊維塊状体の陽イオン交換容量(CEC)は、5.0meq/100gであった。
上記実施形態では、本発明に係る繊維塊状体1を使用する例として、人工土壌10を示したが、繊維塊状体1を水処理に用いることも可能である。繊維塊状体1は、繊維2を集合してなるコア部3と、コア部3の外表部を被覆する通水性膜4とを備えているため、屎尿処理、養殖魚の水処理等に用いた場合、コア部3の中心付近に嫌気的な微生物が繁殖するとともに、通水性膜4に好気的な微生物が効率的に繁殖することが可能となる。これにより、通水性膜4に繁殖した硝化菌によりアンモニア態窒素を硝酸態窒素に変換し、コア部3の中心付近に繁殖した脱窒菌により硝酸態窒素を窒素ガスに変換して、最終的に窒素ガスを系外に排出することができる。この場合、通水性膜4には、陰イオン交換フィラーを添加するのが好ましい。微生物の細胞膜は負に帯電しているため、陰イオン交換フィラーにより通水性膜4に微生物が吸着して効率的に繁殖し、窒素の処理能力を高めることができる。
2 繊維
3 コア部
4 通水性膜
5 空隙
6 連通孔(多孔質構造)
10 人工土壌
Claims (8)
- 繊維を集合してなるコア部と、
前記コア部を被覆する水分の取り込み及び放出が可能な通水性膜と、
を備えた人工土壌粒子。 - 前記通水性膜は、多孔質構造を備えている請求項1に記載の人工土壌粒子。
- 前記通水性膜は、前記コア部の外表部の40%以上を被覆する請求項1又は2に記載の人工土壌粒子。
- 前記コア部は、保水性材料を有する請求項1〜3の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 前記コア部及び前記通水性膜の少なくとも何れか一方にイオン交換能を付与してある請求項1〜4の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 1〜10mmの粒径を有する請求項1〜5の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 前記コア部に水分が飽和状態で保持されている湿潤状態と、前記コア部に水分が飽和状態で保持されていない通気可能状態との間で、水分保持量を調整可能に構成されている請求項1〜6の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
- 前記繊維は、長さが0.2〜0.5mmの短繊維である請求項1〜7の何れか一項に記載の人工土壌粒子。
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