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東海大学大学院平成 29 年度修士論文

南鳥島海域に賦存するレアアースの

資源開発に関する研究

-揚鉱システム中の泥水スラリーの

流動特性について-

指導清水賀之教授

東海大学大学院海洋学研究科

海洋学専攻

花村英悟

要旨

論文題名「南鳥島海域に賦存するレアアースの

資源開発に関する研究

-揚鉱システム中の泥水スラリーの流動特性について-」

指導教員：清水賀之

花村英悟 (6BKGM017)

南鳥島海域の水深 5000 ないし 6000 m の海底下数十 m に高濃度のレアアースを含む

堆積物が広い範囲にわたって存在することが明らかにされた．このレアアースを資源と

して利用するために，海底下のレアアース堆積物に海水を混ぜ，泥水スラリーとして揚

鉱管を通して船上まで吸い上げる揚鉱システムが検討されている．このシステムを検討

するにあたり，レアアースを含む泥水スラリーの流動特性を把握する必要がある．その

ため，本研究では南鳥島海域で採取されたレアアース試料 (採取位置が異なり，深度 2.5

ないし 7.85 m，レアアース含有量 1039 ないし 3970 ppm) から，体積濃度が 10.0%まで

の泥水スラリーを作成し，円錐平板型粘度計を用いて流動特性を測定した．

測定の結果，ずり速度の増加と共にせん断応力は増加するが，その増加の割合は徐々

に低下し，非ニュートン流体の挙動を示した．これまで，いくつかの試料の測定結果よ

り，この泥水スラリーを擬塑性流体 (べき乗則) モデルとして近似してきた．今回の測

定で，より多くの試料についてその特性を検討し，擬塑性流体モデルの他に，修正ビン

ガムモデルや修正ハーシェル・バルクレイモデルでの近似を試みた．これら複数の近似

モデルの定量的評価に，赤池の評価基準 ( AIC ) を用いて検討した結果，修正ハーシェ

ル・バルクレイモデルで測定結果を近似するのがも精度が高いことがわかった．ただ

し，設定するパラメータ数が多くなることや，揚鉱システムの性能を推定する場合に必

要な泥水スラリー体積濃度から，これらのパラメータを推定する実験式を作るときに，

個々の試料の測定結果から得られるパラメータのばらつきが大きくなってしまったこ

となど，今後更に検討すべき点があることも明らかとなった．

目次

1. 序論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.1 研究の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・1

1.2 本研究に関する従来の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3

1.3 本研究の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4

2. レアアース堆積物試料の基礎物性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

2.1 序言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

2.2 レアアース堆積物試料・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5

2.3 粒度分布・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・9

2.4 液性限界・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・14

2.5 含水比，含水率・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・19

2.6 乾燥密度・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・19

2.7 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・20

3. 泥水スラリーの作成および予備実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・21

3.1 序言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・21

3.2 泥水スラリーの作成方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・21

3.3 流体モデル・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・22

3.4 粘性測定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・23

3.4.1 測定原理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・26

3.4.2 実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・28

3.4.3 結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・29

3.4.4 撹拌時間の考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・46

3.5 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・46

4. 泥水スラリーの流動特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・48

4.1 序言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・．・・・48

4.2 結果および考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・．・・・48

4.2.1 レアアース堆積物の体積濃度について・・・・・・・・・・・・・・・・・48

4.2.2 レアアース含有量について・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・163

4.3 結言・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・173

5. 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・176

謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・179

参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・180

1

1. 序論 1

1.1 研究の目的 2

レアアースとは希土類元素とも呼ばれ，スカンジウム，イットリウム，ランタンから3

ルテチウムまでの 17 元素の総称である．レアアースは軽レアアースと重レアアースに4

分けられる．レアアースは産業のビタミンとも言われ，ベースメタルに微量添加するこ5

とで性能を大幅に上昇させる．例えば，発光ダイオードや電池，永久磁石などの電子・6

磁石材料として，さらには光触媒やニューガラスなどの機能性材料として用途は多岐に7

渡る．近年の再生可能エネルギーや電気自動車への関心から，レアアース使用量は年々8

増加すると考えられる．しかしレアアースは偏在性が高く，特に重レアアースは世界の9

生産量の約 90 % を中国が生産供給することもあった．今後需要の増加が見込まれるレ10

アアースの安定供給のため，自国での資源の確保は喫緊の課題である．中国の鉱床では11

400 ppm に相当するものが採掘されているため，レアアース堆積物中のレアアース濃度12

が 400 ppm 以上あるものは，資源として採算が合うと考えられている．近年の研究によ13

り南鳥島海域の水深 5000 ないし 6000 m の深海底下にレアアースを高濃度に含む泥が14

広範囲に分布しているのが確認されている 1)．南鳥島海域の堆積物は大 6500 ppm と15

非常に高濃度であると報告されているため，有望な鉱床であると言える．これを回収す16

るためにレアアース堆積物を泥水スラリーとして回収する流体ドレッジ法のひとつの17

エアリフトシステムが検討されており，その揚鉱技術を確立する必要がある 2)．本研究18

2

ではレアアース堆積物泥水スラリーを揚鉱する装置の設計指標とするため，南鳥島海域19

で採取された採取位置およびレアアース含有量の異なる 6 本の試料 (岡田他 3)とは異20

なる試料) を用いてレアアース堆積物泥水スラリーを作成し，流動特性の測定および比21

較を行った． 22

なお本研究は，経済産業省の委託を受けた(独)石油天然ガス･金属鉱物資源機構23

(JOGMEC) の「平成 28 年度深海底資源基礎調査に係るレアアース堆積物揚泥特性の予24

測技術開発調査」の一環として実施された． 25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

3

1.2 本研究に関する従来の研究 37

2013 年に新たな海洋基本計画が閣議決定されたことを受けて， (独) 石油天然ガス・38

金属鉱物資源機構 (JOGMEC) は，レアアース堆積物に関する今後の調査，研究の計画39

案 4) を示した．そこで，さらなる技術の改良の必要性や，開発システムの全体像が示さ40

れた．採鉱分野 (採泥・揚泥)は，地理的条件を克服するための既存技術の改良や，新技41

術の開発，採泥・揚鉱シミュレーションを行うことが検討されている．2016 年に開催さ42

れた第 2 回レアアース泥開発推進コンソーシアムによる報告 5)では，ピストンコアラに43

よるコア試料採取と併せて，サブボトムプロファイラ (SBP) による音響調査により，44

平均品位が 2,000 ppm 以上の非常に高い濃集度を示す地点が複数存在する高濃度分布域45

も発見されている．またエアリフト方式を用いた小型の循環設備で模擬泥水の揚泥実験46

を行い，実験結果と様々な揚泥シミュレーションプログラムの結果を比較し，レアアー47

ス堆積物を揚泥するのに適したシミュレーションソフトを開発している．東海大学清水48

研究室では実際に南鳥島海域で採取されたレアアース堆積物試料を用いて含水比およ49

び乾燥密度の測定を行った．測定したレアアース堆積物の基礎物性値を利用し，体積濃50

度の異なる泥水スラリーを作成し，円錐平板型回転粘度計を用いて流動特性の測定を行51

った．また測定したレアアース堆積物泥水スラリーを擬塑性流体とみなして近似し，近52

似式から得られた擬塑性粘度およびレオロジー定数をレアアース揚鉱シミュレータに53

適用し，揚鉱シミュレータを行っている． 54

4

1.3 本研究の概要 55

第 1 章において，本研究の目的および意義を述べている． 56

第 2 章において，基礎物性値について述べている． 57

第 3 章において，泥水スラリーの作成および予備実験について述べている． 58

第 4 章において，泥水試料の粘性測定について述べている． 59

第 5 章は，結論である． 60

61

62

63

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67

68

69

70

71

72

5

2. レアアース堆積物試料の基礎物性 73

2.1 序言 74

本章では，泥水作成に使用したレアアース堆積物コアの基礎物性について述べる． 75

76

2.2 レアアース堆積物試料 77

今回の測定で使用するレアアース堆積物 (Fig.2.1ないしFig.2.6) の物性値をまとめて78

Table 2.1 に示す．16MTPC78，16MTPC79，16MTPC80，16MTPC81 はそれぞれ採取位置79

が異なり Sec 以下の違いはコアの深度の違いである．本研究で使用した試料の採取深度80

は海底下約 10 m 以浅で，レアアースの含有量は，1,000 ないし 4,000 ppm である．土粒81

子は，主に粘土とシルトの細粒子で構成され， 50D は 3.2 ないし 4.6 μm，大粒子径は82

0.1 ないし 0.43 mm である．また粒子の密度は 2.7 ないし 2.8 g/cm3で，含水比は，138 な83

いし 180 %，液性限界は 170 ないし 220 %，塑性限界は 30 ないし 50 %の範囲である． 84

85

Table 2.1 レアアース堆積物の物性値 86

87

88

NameSubmarine

depth[m]

D50

[mm]

DMax

[mm]

Density[g/cm3]

Moist.Ratio[%]

Liquid limit[%]

Plastic limit[%]

REYcontent[ppm]

16MTPC78　Sec3W 7.606～7.840 0.0041 0.106 2.707 178.5 218.2 37.7 1039.416MTPC79　Sec3W 6.610～6.845 0.0039 0.250 2.718 157.1 165.6 47.7 3778.316MTPC79　Sec4W 5.610～5.850 0.0046 0.106 2.754 145.4 167.6 39.8 3969.716MTPC80　Sec6W 4.630～4.925 0.0044 0.250 2.826 138.2 197.3 34.9 3034.616MTPC80　Sec7W 3.602～3.845 0.0038 0.250 2.821 171.2 206.9 37.2 2096.416MTPC81　Sec7W 2.590～2.810 0.0032 0.425 2.754 165.1 180.0 45.0 3331.3

6

Fig.2.1 ないし 2. 7 に試料 16MTPC78 Sec3W，16MTPC79 Sec3W，16MTPC79 Sec4W，89

16MTPC80 Sec6W，16MTPC80 Sec7W ないし 16MTPC81 Sec7W のレアアース堆積物の90

泥水スラリーについて試料の全体像を示す． 91

92

93

Fig.2.1 16MTPC78 Sec3W 94

7

95


97

98


8

100


102

103


9

105


107

2.3 粒度分布 108

Table 2.2 ないし 2.5 に各試料の粒度分布データと密度のデータを示す． 109

110

111

112

113

114

115

10

Table 2.2 粒度分布データと密度 16MTPC78P03，P4 116

117

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120

11


122

123

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12


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14

2.4 液性限界 136

Table 2.6 ないし 2.10 に各試料の液性限界を示す． 137

Table 2.6 液性限界 16MTPC78 3W，79 2W，3W，4W，5W，80 1W 138

139

15

Table 2.7 液性限界 16MTPC80 5W，6W，7W，80 10W，81 6W，7W140

141

142

143

16

Table 2.8 液性限界 16MTPC78 3W，79 2W，3W，4W 144

145

146

17

Table 2.9 液性限界 16MTPC79 5W，80 1W，5W，6W 147

148

149

18

Table 2.10 液性限界 16MTPC80 7W，10W，81 6W，7W 150

151

152

19

2.5 含水比，含水率 153

Table 2.11 に全ての試料の含水比および含水率を示す． 154

155

Table 2.11 16MTPC78 3W，79 3W，4W，80 6W，7W，81 7W の含水比および含水率 156

157

158

2.6 乾燥密度 159

Table 2.12 に全ての試料の乾燥密度を示す． 160

161

Table 2.12 16MTPC78 3W，79 3W，4W，80 6W，7W，81 7W の乾燥密度 162

163

164

NameMoisture weightpercentage [%]

Moisture content [%]

16MTPC78　Sec3W 139.6 64.0916MTPC79　Sec3W 157.1 61.1016MTPC79　Sec4W 145.4 59.2516MTPC80　Sec6W 138.2 58.0216MTPC80　Sec7W 146.7 63.1216MTPC81　Sec7W 165.1 62.28

Name Density [g/cm3]

16MTPC78　Sec3W 2.70716MTPC79　Sec3W 2.71816MTPC79　Sec4W 2.75416MTPC80　Sec6W 2.82616MTPC80　Sec7W 2.82116MTPC81　Sec7W 2.754

20

2.7 結言 165

本章では南鳥島海域で採取された採取位置と深度およびレアアース含有量が異なる166

レアアース堆積物 (16MTPC78 3W，79 3W，4W，80 6W，7W，81 7W) の写真，採取深167

度および基礎物性 (レアアース含有量，粒度分布，含水比および乾燥密度) について示168

した． 169

170

171

172

173

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176

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179

180

181

182

21

3. 泥水スラリーの作成および予備実験 183

3.1 序言 184

本章では，レアアース堆積物より泥水スラリーを作成し，この泥水スラリーを用いた185

流動特性および各体積濃度に応じた撹拌時間を求める予備実験について述べる． 186

187

3.2 泥水スラリーの作成方法 188

泥水スラリーは，2 章で述べたレアアース堆積物と海水を混ぜることで作成した．泥189

水スラリー作成に使用した海水は，駿河湾深層水取水供給施設で採取された深層水(水190

深 400m，塩濃度 35.5，密度 1.025 g/cm3) である． 191

使用する器具は，200 ml ビーカー，テルモシリンジ，滅菌フィルター (0.2μm)，ス 192

テンレス匙，ポリエチレン広口規格瓶 100 ml である．使用機器は，電子天秤である．ポ193

リエチレン広口規格瓶 100 ml に，滅菌フィルター (0.2μm) を装着したテルモシリンジ194

を用いて 2 回ろ過を行った海水と試料を合計 60 ml になるように作成する．撹拌作業で195

は，ポリエチレン広口規格瓶を振ることによって撹拌を行う．レアアース堆積物 1 つに196

つき，体積濃度 1.0 ないし 10.0 %までの 1.0 %刻みで合計 10 個の泥水スラリーを作成す197

る． 198

泥水作成に必要な所定のレアアース堆積物に対して加える海水の量 swM g を求める199

式 (3.1) を示す． 200

22

rmX

swX

SX

swsw MC

T

XC

X

C

TM

ρρ

ρ1

1 ・・・(3.1) 201

202

ここで， 203

Tswρ :T [℃] における海水の密度 [g/cm3]， 204

XC : 体積濃度 [-]， 205

X : 含水率 [-]， 206

Sρ :レアアース泥乾燥密度 [g/cm3]， 207

rmM : 泥の質量 [g]． 208

209

3.3 流体モデル 210

泥水スラリーのずり速度に対するせん断応力の変化は非線形性を示す 6)ため，式 211

(3.2) ないし (3.4) に示す 3 つの非ニュートン流体モデル (擬塑性流体モデル，修正ビ212

ンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデル) で近似する 11)．解析手法は213

岡田他 3)と同様であるため省略する． 214

215

nK ・・・(3.2) 216

217

ここで， 218

23

K ：擬塑性粘度 [Pa]， 219

n：レオロジー定数 [-]，(0< n<1)． 220

221

B

my e 1 ・・・(3.3) 222

223

ここで， 224

y ：降伏応力 [Pa] ， 225

B ：ビンガム塑性粘度 [Pa･s]， 226

m：実験係数 [-]． 227

228

nmy Ke 1 ・・・(3.4) 229

230

3.4 粘性測定 231

Fig.3.1 に測定装置の構成を示す．測定装置は，2 台の円錐平板型回転粘度計 (型232

式：TVE-25L (低粘度用)，TVE-20H (高粘度用)，㈱東機産業製) と冷却恒温循環装置 233

(CL-150R，タイテック㈱製)，さらに粘度計と循環装置をつなぐ配管類で構成される．234

冷却恒温循環装置より配管を通して冷媒が循環し，温度制御器 (精度 0.3 ℃) より，測235

定部の温度を一定に保つことが出来る． 236

24

237

Fig.3.1 測定装置の構成 238

239

流動特性の測定に使用した 2 台の円錐平板型回転粘度計を Fig.3.2 に，その仕様を240

Table 3.1 に示す．ロータの回転数は 0.5，1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，50.0 および 100.0 241

rpm で，それぞれの回転数に対応するずり速度は 1.915，3.83，9.575，19.15，38.3，242

76.6，191.5 および 381 1/s である．また粘度計には，それぞれ 3 種類の測定のモード243

がある 15，16)．各モードによりみかけ粘度 (供試流体をニュートン流体とみなしたとき244

の粘度) の測定可能レンジが異なり，例えばロータの回転数が 100.0 rpm の場合には，245

低粘度用では 6.076 ないし 30.38 mPa・s，高粘度用では 64.82 ないし 518.5 mPa・s 246

で，回転数が 0.5 rpm の場合には，低粘度用では 1.215 ないし 6.076 Pa・s，高粘度用247

25

では 12.96 ないし 103.7 Pa・s である．Fig.3.3 に示す円錐平板型回転粘度計の回転ロー248

タは円錐形で，その諸元は角度 1°34′，半径 24 mm である． 249

250

251

Fig.3.2 平板型回転粘度計 (左：TVE-20，右：TVE-25L) 252

253

Table 3.1 円錐平板型回転粘度計仕様表 254

255

M 2.5M 5M H R U [rpm] [1/s]

0.5 1.915 1215 3038 6076 12960 25920 1037001.0 3.83 607.6 1519 3038 6482 12960 518502.5 9.575 243 607.6 1215 2593 5184 207405.0 19.15 121.5 303.8 607.6 1296 2592 10370

10.0 38.3 60.76 151.9 303.8 648.2 1296 518520.0 76.6 30.38 75.95 151.9 324.1 6480 259350.0 191.5 12.15 30.38 60.76 129.6 259.2 1037100.0 383 6.076 15.19 30.38 64.82 129.6 518.5

Rot. speed Shear rateLow viscosity (TVE-25L) High viscosity (TVE-20H)

[mPa・s] [mPa・s]

26

256

257

258

259

260

261

262

263

Fig.3.3 標準ロータ(1°34`×R24) 264

265

3.4.1 測定原理 266

回転粘度計は液体中でロータを回転させたとき，ロータに作用する粘性トルクを検出267

し，粘度に換算する計測器である．今回の実験では，東機産業 (株) TVE-20H 粘度計お268

よび TVE-25L 粘度計の 2 機を使用した．TV-20 形粘度計では，トルクバランス・サーボ269

方式によって粘性トルクを検出しており，粘性トルク検出部分は，Fig.3.23 のように，270

駆動枠と従動枠と呼ばれる部分に分かれている．駆動軸が，モーターによって回転する271

と，ロータが受ける粘性トルクによって，駆動軸と従動軸の間に変位が生じる．この変272

位は，駆動軸に配置されたフィードバック制御系によって，変位をゼロに戻そうとする273

24 mm

1°34’

27

電流に変換される．電流は，コイルと磁石で構成されるトルカに伝達され，従動軸と駆274

動軸の変位がゼロになるように力を発生させる．このゼロに戻す力を発生させるための275

電流を粘度に換算することによって粘度測定を行っている．この方法は，変位を常にゼ276

ロに戻そうとするため零位法と呼ばれる． 277

278

279

Fig 3.14 TVE-20H 粘度計の測定原理 280

281

282

283

28

3.4.2 実験方法および条件 284

レアアース堆積物泥水スラリーの流動特性は，測定中にその時間変化を出来るだけ285

小さく抑える必要がある．鶴谷他 17 )らは，底泥の泥水スラリーの流動特性の測定の286

中で，その条件として，十分に静止させるか，あるいは逆に十分に攪拌させる必要が287

あると示している．レアアース堆積物の場合，海底下の揚鉱装置内で十分に攪拌され288

た状態となり，泥水スラリーとして揚鉱管に供給されることが想定される．そこで本289

研究では，流動特性測定前に，泥水スラリー試料を十分に攪拌させることにした． 290

撹拌時間を求めるため，以下に示すような予備実験を行った．この予備実験では，291

冷却恒温循環装置で泥水の温度が 10.0℃に保たれるようにした．泥水試料を回転数292

100.0 rpm で攪拌しながら 20 分間放置し，その後ロータの回転数を 0.5 rpm に下げ，293

流動特性値を測定しながら回転数を順に上げ，100.0 rpm になった後，再び 0.5 rpm ま294

で順に下げた．0.5 rpm から 100.0 rpm まで順に回転数を上げた時の測定値と，100.0 295

rpm から 0.5 rpm まで順に回転数を下げたときの測定値の違いが見られなければ，その296

時間を攪拌時間として設定した．大きな違いがある場合は新たな泥水試料に替え，さ297

らに攪拌時間を 20 分延長し，違いが見られなくなるまで続けた．体積濃度が 1.0，298

2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0 および 10.0 %でのそれぞれの攪拌時間は，20，299

40，60，90，120，120，120，120，120 および 180min である． 300

流動特性の測定は，以下の手順で行った．まず，測定前にロータの回転数 100 rpm 301

29

で，上述した予備実験で得られたそれぞれの体積濃度で設定された時間，泥水スラリ302

ーを攪拌する．その後，回転数を 0.5 rpm に下げてから流動特性の測定を行う．次に303

回転数を順に 1.0，2.5，5.0，10.0，20.0，50.0 および 100.0 rpm に上げ，それぞれの条304

件で流動特性の測定を行う．その後，今度は，100.0 rpm から回転数を 50.0，20.0，305

10.0，5.0，2.5，1.0 および 0.5 まで下げ，それぞれの流動特性の測定を行う．この手順306

をもう一度繰り返す．この操作を 2 つのサンプルについて行い，その算術平均を求307

め，それぞれの条件での測定値とした．なお測定部の温度は，冷却恒温装置の温度制308

御器により，測定中 10℃に一定に保たれた．また，泥水スラリーは，体積濃度ごとそ309

の特性が異なり，測定レンジも変化する．そのため測定では，泥水スラリー体積濃度310

が 1.0 ないし 6.0%では低粘度用を，7.0 ないし 10.0%では高粘度用を用いた． 311

312

3.4.3 結果 313

Fig.3.15 ないし 3.24 に攪拌時間を設けなかった場合と設けた場合の泥水スラリー 314

(試料 16MTPC79 4W) のずり速度とせん断応力の関係を示す．Table 3.2 ないし 3.11315

に体積濃度 1.0 ないし 10.0%の泥水スラリー (試料 16MTPC79 4W) の測定値を示す．316

体積 1.0%では攪拌時間の有無によってせん断応力に顕著な違いは見られなかった．し317

かし体積濃度 2.0%以降ではせん断応力に差が出始め，体積濃度 9.0%までは攪拌時間318

を設けた場合の泥水スラリーの方がせん断応力は小さくなった．またロータの回転数319

30

を次第に上げて行き，回転数 100.0 rpm になった後再び回転数を下げると同じ回転数320

でもせん断応力に差が生じるが，攪拌時間を設けない場合の方が体積濃度 1.0 ないし321

10.0%の範囲でせん断応力の差が大きくなった． 322

323

324

Fig.3.15 ずり速度とせん断応力の関係 (試料 16MTPC79 Sec4W， XC ：1.0%) 325

31

326

Fig.3.16 ずり速度とせん断応力の関係 (16MTPC79 Sec4W， XC ：2.0%) 327

328


32

330


332


33

334


336


34

338


340


35

342


344

345

346

347

348

349

350

351

352

36

Table 3.2 粘性測定値 ( XC ：1.0%，上：攪拌あり，下：攪拌なし) 353

354

355

356

Speed ofrotation[rpm]

Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.061 0.0321.0 3.83 0.062 0.01622.5 9.575 0.116 0.01215.0 19.15 0.169 0.0088

10.0 38.3 0.243 0.0063520.0 76.6 0.365 0.0047750.0 191.5 0.638 0.00333100.0 383 1.018 0.00265950.0 191.5 0.619 0.0032320.0 76.6 0.349 0.0045510.0 38.3 0.248 0.006495.0 19.15 0.173 0.0092.5 9.575 0.144 0.0151.0 3.83 0.095 0.02470.5 1.915 0.041 0.021


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.051 0.0271.0 3.83 0.079 0.02062.5 9.575 0.112 0.01175.0 19.15 0.153 0.008

10.0 38.3 0.225 0.0058720.0 76.6 0.351 0.0045850.0 191.5 0.615 0.00321100.0 383 1.009 0.00263650.0 191.5 0.611 0.0031920.0 76.6 0.354 0.0046210.0 38.3 0.246 0.006415.0 19.15 0.181 0.00952.5 9.575 0.142 0.01491.0 3.83 0.095 0.02490.5 1.915 0.049 0.025

37


358

359

360


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.298 0.1561.0 3.83 0.371 0.0972.5 9.575 0.487 0.05095.0 19.15 0.598 0.0312

10.0 38.3 0.701 0.018320.0 76.6 0.877 0.0114550.0 191.5 1.302 0.0068100.0 383 1.846 0.0048250.0 191.5 1.291 0.0067420.0 76.6 0.886 0.0115710.0 38.3 0.717 0.01875.0 19.15 0.603 0.03152.5 9.575 0.523 0.05461.0 3.83 0.402 0.1050.5 1.915 0.298 0.156


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.284 0.1481.0 3.83 0.359 0.0942.5 9.575 0.489 0.0515.0 19.15 0.560 0.029

10.0 38.3 0.663 0.01720.0 76.6 0.827 0.01150.0 191.5 1.219 0.006100.0 383 1.756 0.00550.0 191.5 1.215 0.00620.0 76.6 0.824 0.01110.0 38.3 0.662 0.0175.0 19.15 0.559 0.0292.5 9.575 0.484 0.0511.0 3.83 0.393 0.1030.5 1.915 0..301 0.157

38


362

363

364


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.743 0.3881.0 3.83 0.984 0.2572.5 9.575 1.257 0.13135.0 19.15 1.426 0.0744

10.0 38.3 1.622 0.042420.0 76.6 1.895 0.0247450.0 191.5 2.445 0.01277100.0 383 3.216 0.008450.0 191.5 2.495 0.0130320.0 76.6 1.917 0.0250210.0 38.3 1.662 0.04345.0 19.15 1.471 0.7682.5 9.575 1.318 0.13771.0 3.83 1.05 0.2740.5 1.915 0.738 0.385


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.696 0.3641.0 3.83 0.850 0.2222.5 9.575 1.130 0.1185.0 19.15 1.280 0.0669

10.0 38.3 1.442 0.037620.0 76.6 1.683 0.0219650.0 191.5 2.240 0.0117100.0 383 2.973 0.0077650.0 191.5 2.245 0.0117220.0 76.6 1.690 0.0220610.0 38.3 1.435 0.03755.0 19.15 1.248 0.06522.5 9.575 1.112 0.11621.0 3.83 0.903 0.2360.5 1.915 0.575 0.300

39


366

367

368


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 1.049 0.5481.0 3.83 1.899 0.4962.5 9.575 2.515 0.26265.0 19.15 2.79 0.1457

10.0 38.3 3.084 0.080520.0 76.6 3.473 0.0453450.0 191.5 4.331 0.02261100.0 383 5.419 0.0141550.0 191.5 4.388 0.0229120.0 76.6 3.558 0.0464410.0 38.3 3.188 0.08325.0 19.15 2.88 0.15042.5 9.575 2.615 0.2731.0 3.83 1.983 0.5180.5 1.915 1.002 0.523


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 0.808 0.4221.0 3.83 1.471 0.3842.5 9.575 2.128 0.22225.0 19.15 2.449 0.1279

10.0 38.3 2.700 0.070520.0 76.6 3.051 0.0398350.0 191.5 3.816 0.01993100.0 383 4.813 0.0125750.0 191.5 3.823 0.0194620.0 76.6 3.050 0.0398210.0 38.3 2.690 0.07025.0 19.15 2.415 0.12612.5 9.575 2.155 0.22511.0 3.83 1.587 0.4140.5 1.915 0.793 0.414

40


370

371

372


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 1.52 0.7941.0 3.83 2.89 0.7532.5 9.575 5.53 0.5785.0 19.15 6.18 0.3226

10.0 38.3 6.84 0.178420.0 76.6 7.44 0.097150.0 191.5 8.67 0.04527100.0 383 10.33 0.0269750.0 191.5 8.76 0.0457320.0 76.6 7.49 0.097710.0 38.3 6.83 0.17835.0 19.15 6.26 0.32672.5 9.575 5.53 0.5771.0 3.83 2.45 0.6400.5 1.915 1.57 0.822


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 1.18 0.6161.0 3.83 2.2 0.5752.5 9.575 3.98 0.4165.0 19.15 4.62 0.241

10.0 38.3 5.04 0.131520.0 76.6 5.51 0.071950.0 191.5 6.54 0.03413100.0 383 7.86 0.0205350.0 191.5 6.54 0.0341520.0 76.6 5.5 0.071710.0 38.3 4.98 0.1305.0 19.15 4.55 0.23762.5 9.575 3.96 0.4131.0 3.83 2.13 0.5550.5 1.915 1.04 0.543

41


374

375

376


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 2.12 1.111.0 3.83 2.99 0.7752.5 9.575 7.74 0.8085.0 19.15 10.07 0.526

10.0 38.3 11.11 0.29020.0 76.6 12.11 0.15850.0 191.5 13.94 0.0729100.0 383 16.14 0.0421550.0 191.5 14.04 0.073320.0 76.6 12.2 0.159410.0 38.3 11.16 0.29155.0 19.15 9.98 0.5212.5 9.575 7.4 0.7731.0 3.83 3.0 0.7840.5 1.915 2.06 1.08


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 1.350 0.7001.0 3.83 2.210 0.5782.5 9.575 5.770 0.6045.0 19.15 7.430 0.388

10.0 38.3 8.040 0.21020.0 76.6 8.720 0.11450.0 191.5 10.110 0.053100.0 383 11.830 0.03150.0 191.5 10.100 0.05320.0 76.6 8.660 0.11310.0 38.3 7.930 0.2075.0 19.15 7.310 0.3822.5 9.575 5.770 0.6031.0 3.83 2.240 0.5850.5 1.915 1.430 0.750

42


378

379

380


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 4.76 2.481.0 3.83 5.05 1.322.5 9.575 11.16 1.1675.0 19.15 16.07 0.839

10.0 38.3 18.36 0.48020.0 76.6 20.22 0.263950.0 191.5 22.99 0.1201100.0 383 26.33 0.068850.0 191.5 23.18 0.121220.0 76.6 20.19 0.263810.0 38.3 18.22 0.4765.0 19.15 15.42 0.8072.5 9.575 9.17 0.9581.0 3.83 4.29 1.120.5 1.915 2.58 1.35


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 2.07 1.081.0 3.83 3.03 0.7922.5 9.575 7.73 0.8085.0 19.15 11.41 0.597

10.0 38.3 13.24 0.345920.0 76.6 14.32 0.187150.0 191.5 16.31 0.0853100.0 383 18.72 0.048950.0 191.5 16.3 0.085220.0 76.6 14.08 0.183910.0 38.3 12.98 0.33895.0 19.15 11.48 0.5992.5 9.575 7.97 0.8341.0 3.83 3.29 0.8590.5 1.915 2.07 1.08

43


382

383

384


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 4.19 2.191.0 3.83 6.16 1.612.5 9.575 13.02 1.3615.0 19.15 21.73 1.135

10.0 38.3 27.64 0.72220.0 76.6 30.53 0.398950.0 191.5 34.54 0.1805100.0 383 39.07 0.10250.0 191.5 34.68 0.181220.0 76.6 30.42 0.397110.0 38.3 22.27 0.7135.0 19.15 21.62 1.1232.5 9.575 11.28 1.1711.0 3.83 4.87 1.270.5 1.915 3.8 1.99


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 4.460 2.331.0 3.83 5.380 1.402.5 9.575 10.090 1.0545.0 19.15 15.780 0.824

10.0 38.3 19.910 0.52020.0 76.6 21.820 0.285150.0 191.5 24.890 0.1301100.0 383 28.480 0.074450.0 191.5 24.980 0.130520.0 76.6 21.880 0.285710.0 38.3 19.890 0.5205.0 19.15 16.030 0.8372.5 9.575 9.720 1.0161.0 3.83 5.210 1.360.5 1.915 3.640 1.90

44


386

387

388


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 6.7 3.501.0 3.83 10.0 2.622.5 9.575 16.0 1.675.0 19.15 30.2 1.58

10.0 38.3 46.1 1.20620.0 76.6 55.5 0.72550.0 191.5 63.8 0.334100.0 383 71.8 0.187650.0 191.5 63.2 0.3320.0 76.6 54.1 0.70610.0 38.3 44.8 1.175.0 19.15 30.0 1.572.5 9.575 15.5 1.621.0 3.83 15.8 4.130.5 1.915 13.4 7.0


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 3.07 1.611.0 3.83 3.88 1.012.5 9.575 11.88 1.2425.0 19.15 24.0 1.253

10.0 38.3 31.77 0.8320.0 76.6 35.79 0.467550.0 191.5 40.28 0.2104100.0 383 45.3 0.118450.0 191.5 40.25 0.210320.0 76.6 35.6 0.46510.0 38.3 31.91 0.8335.0 19.15 23.31 1.2162.5 9.575 12.11 1.2671.0 3.83 5.59 1.460.5 1.915 4.82 2.52

45


390

391

392


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 4.2 2.201.0 3.83 5.4 1.432.5 9.575 9.8 1.035.0 19.15 22.5 1.18

10.0 38.3 31.3 0.81720.0 76.6 34.6 0.45250.0 191.5 38.8 0.203100.0 383 42.7 0.111650.0 191.5 38.0 0.19820.0 76.6 33.5 0.43710.0 38.3 29.6 0.7755.0 19.15 21.5 1.132.5 9.575 10.0 1.041.0 3.83 5.1 1.340.5 1.915 3.9 2.10


Shear rate[1/s]

Shearstress [Pa]

Viscosity[Pa・s]

0.5 1.915 8.9 4.71.0 3.83 13.1 3.42.5 9.575 14.6 1.535.0 19.15 28.1 1.47

10.0 38.3 38.6 1.00620.0 76.6 42.7 0.55750.0 191.5 48.0 0.251100.0 383 54.4 0.141950.0 191.5 48.35 0.25420.0 76.6 42.9 0.56110.0 38.3 37.6 0.9825.0 19.15 27.7 1.452.5 9.575 13.1 1.371.0 3.83 8.3 2.160.5 1.915 7.7 4.0

46

3.4.4 撹拌時間の考察 393

体積濃度 1.0%では撹拌時間の有無によって顕著な差が見られないが，体積濃度の増394

加に伴って回転数を順に下げたときと順に上げたときのせん断応力の差が大きくなっ395

た．また体積濃度 10.0%で攪拌時間を設けない場合の方がせん断応力が低いのは，試396

料の偏りによるものだと考えられる．攪拌時間を設けた場合，せん断応力の値が小さ397

く，回転数を順に下げたときと順に上げたときのせん断応力の差が著しく小さくなっ398

たため各体積濃度のごとに設けた攪拌時間は適切であると考えられる．今回は回転数399

100 rpm (ずり速度 383 1/s) で攪拌を行ったが，回転数を変化させることで攪拌時間は400

増減する必要があると考える．攪拌時間を設けることでせん断応力が低下するのは，401

攪拌によって泥粒子が十分に海水と混じり粒子間の接着力が低下すると考えられるた402

め，ずり速度が遅いほど攪拌時間は長く，ずり速度が速いほど攪拌時間は短くなると403

と考える． 404

405

3.5 結言 406

本章では南鳥島海域で採取された，採取地点と深度が異なるレアアース堆積物の試料407

(16MTPC78 Sec3W，16MTPC79 Sec3W，4W，16MTPC80 Sec6W，7W，16MTPC81 Sec7W)408

から体積濃度 1.0 ないし 10.0%の計 60 個の泥水試料を作成した． 409

泥水スラリーのずり速度に対するせん断応力の変化は非線形性を示すため，泥水スラ410

47

リーの近似には擬塑性流体モデル，修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルク411

レイモデルを用いる． 412

また体積濃度ごとに攪拌時間を設定する為，試料 16MTPC79 Sec4W より作成した泥413

水スラリーを用いて，ロータの回転数を順に下げたときと順に上げたときのせん断応力414

の差がなくなるまで回転数 100 rpm で攪拌した．その結果，体積濃度が 1.0，2.0，3.0，415

4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0 および 10.0%でのそれぞれの攪拌時間は，20，40，60，90，416

120，120，120，120，120 および 180 min となった．攪拌時間を設けなかった場合に比417

べ攪拌時間を設けた場合のせん断応力は，全てのずり速度域で小さくなり，ロータの回418

転数を順に下げたときと順に上げたときのせん断応力の差が小さくなった．攪拌時間を419

設けた場合，せん断応力の値が小さく，回転数を順に下げたときと順に上げたときのせ420

ん断応力の差が著しく小さくなったため体積濃度のごとに設けた攪拌時間は適切であ421

ると考えられる． 422

423

424

425

426

427

428

48

4. 泥水スラリーの流動特性 429

4.1 序言 430

本章では，レアアース堆積物より作成したレアアース堆積物泥水スラリーを用いた431

各体積濃度における流動特性値の測定結果について述べる． 432

433

4.2 結果および考察 434

4.2.1 レアアース堆積物の体積濃度について 435

Fig.4.1 ないし 4.6 に，それぞれ試料 16MTPC78 Sec3W ないし 16MTPC81 Sec7W の体436

積濃度 1.0ないし 10.0%のレアアース堆積物泥水スラリーのずり速度 γとせん断応力 τ の437

関係 (両対数) を示す．全ての試料の泥水スラリーについて，その特性は同様な傾向を438

示す．すなわち，泥水スラリー体積濃度が増加するとせん断応力は大きくなり，その特439

性は，両対数グラフ上で曲線となる。両対数グラフ上では，擬塑性流体モデルに従えば440

直線となり，ビンガムモデル，ハーシェル・バルクレイモデルのように降伏応力があれ441

ば，ずり速度が小さくなるにつれて，横軸に平行な線に漸近する．測定結果は，ずり速442

度が約 10 1/s までは，擬塑性流体モデルあるいは降伏応力のあるモデル (ビンガムモデ443

ル，ハーシェル・バルクレイモデル) に近い特性を示すが，さらにずり速度が小さくな444

ると逆にその傾きが大きくなった．ニュートン流体，あるいは擬塑性流体モデルに従え445

ば，ずり速度とせん断応力の関係は両対数グラフ上で直線となり，ビンガム流体モデル446

49

やハーシェル・バルクレイ流体モデルのような降伏応力が存在するとすれば，ずり速度447

が小さくなるにつれて，横軸に平行な線に漸近する．泥水スラリー体積濃度が小さい 448

(1.0 ないし 3.0%) の場合には，上述の通り，ずり速度の全領域にわたって両対数グラフ449

上でほぼ直線となり，擬塑性流体モデルに近い特性を示す．ただし，ずり速度が 9.575 450

1/s (ずり速度の小さい方 (左) から 3 番目のデータ) の付近でその特性がわずかに変化451

する．泥水スラリー体積濃度が 4.0%以上では，ずり速度が 9.575 あるいは 19.15 1/s (ず452

り速度の小さい方 (左) から 4 番目のデータ) を堺にその特性が変化する．すなわち，453

ずり速度が 9.575 あるいは 19.15 1/s より大きい領域では，泥水スラリー体積濃度が小454

さい場合に全ずり速度域にわたってみられたのと同じように，擬塑性流体モデル，ある455

いはビンガム流体モデルおよびハーシェル・バルクレイ流体モデルに近い特性を示す．456

一方，ずり速度が 9.575 1/s あるいは 19.15 1/s より小さくなると，その傾きが大きくな457

ったり，全ずり速度領域でみると，全体として折れ曲がった曲線となる． 458

459

460

50

461

Fig.4.1 ずり速度とせん断応力の関係 (両対数，試料 16MTPC78 Sec3W) 462

463

Fig. 4.2 ずり速度とせん断応力の関係 (両対数，試料 16MTPC79 Sec3W) 464

51

465

Fig.4.3 ずり速度とせん断応力の関係 (両対数，試料 16MTPC79 Sec4W) 466

467


52

469


471


53

Fig.4.7 ないし 4.12 に試料 16MTPC78 Sec3W，16MTPC79 Sec3W，16MTPC79 Sec4W，473

16MTPC80 Sec6W，16MTPC80 Sec7W および 16MTPC81 Sec7W のレアアース堆積物の474

泥水スラリーについて，体積濃度が 1.0%の場合のずり速度 γとせん断応力 τ の関係を示475

す．図中の実線は測定値の算術平均値を擬塑性モデル (図中，P model) と見なした場合476

の近似曲線を，破線は修正ビンガムモデル (図中，BM model)，点線は修正ハーシェル・477

バルクレイモデル (図中，HBM model) と見なした場合の近似曲線を示す．使用した試478

料に関わらず泥水スラリーはずり速度の増加と共にせん断応力は増加するが，その変化479

は非線形となり非ニュートン流体の特性を示す．特にずり速度が 38.3 1/s (ずり速度が480

小さい方から 5 番目のデータ) 以下の低ずり速度域で非線形性が大きくなるが，それ以481

上のずり速度では，せん断応力はほぼ直線的に増加する．3 つのモデルの近似曲線を比482

べると，修正ハーシェル・バルクレイモデルはもデータの近似が良い修正ビンガムモ483

デルおよび擬塑性流体モデルとみなした近似曲線は，ずり速度が 38.3 1/s 以上で実験値484

から外れた．Table 4.1 に体積濃度 1.0%の測定値の算術平均値まとめを示す． 485

486

487

488

489

54

490

Fig. 4.7 ずり速度とせん断応力の関係 (試料 16MTPC78 Sec3W， XC ：1.0%) 491

492


55

494


496


56

498


500


57

Table 4.1 測定値の算術平均値まとめ ( XC ：1.0%) 502

503

504

Fig.4.13 ないし 4.18 に試料 16MTPC78 Sec3W ないし 16MTPC81 Sec7W のレアアース505

堆積物の泥水スラリーについて，体積濃度が 2.0%の場合のずり速度とせん断応力506

の関係を示す．体積濃度 1.0%の場合と比べ，せん断応力が大きくなった．しかしずり507

速度とせん断応力の関係に顕著な違いが見られず，体積濃度 1.0%の場合と同様にずり508

速度が 38.3 1/s (ずり速度が小さい方から 5 番目のデータ)前後で非線形性と線形性が変509

化する．また同様に 3 つのモデルの近似曲線を比べた場合，修正ハーシェル・バルクレ510

イモデルはもデータの近似が良く，修正ビンガムモデルおよび擬塑性流体モデルとみ511

なした近似曲線は，ずり速度が 38.3 1/s 以上で実験値から外れた．Table 4.2 に体積濃度512

2.0%の測定値の算術平均値まとめを示す． 513

514

515

516

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 0.050 0.056 0.048 0.050 0.070 0.0811.0 3.83 0.083 0.092 0.087 0.078 0.109 0.1172.5 9.575 0.115 0.139 0.136 0.117 0.160 0.1635.0 19.15 0.152 0.183 0.179 0.149 0.201 0.207

10.0 38.3 0.213 0.255 0.247 0.208 0.269 0.27520.0 76.6 0.313 0.367 0.357 0.308 0.381 0.38250.0 191.5 0.567 0.624 0.619 0.551 0.646 0.647100.0 383 0.958 1.016 1.010 0.921 1.046 1.049


Shear rate[1/s]

Average of Shear stress [Pa]

58

517


519


59

521

Fig. 4.15 ずり速度とせん断応力の関係 (試料 16TPC79 Sec4W， XC ：2.0%) 522

523


60

525


527


61


530

531


堆積物の泥水スラリーについて，体積濃度が 3.0%の場合のずり速度 γとせん断応力の533

関係を示す．体積濃度 1.0 および 2.0%の場合と比べ，せん断応力が大きくなった．また534

試料 16MTPC79 Sec3W と他の試料のせん断応力を比較すると，試料 16MTPC79 Sec3W535

のせん断応力はも小さくなった．体積濃度 1.0 および 2.0%の場合と同様にずり速度536

が 38.3 1/s (ずり速度が小さい方から 5 番目のデータ) 前後で非線形性と線形性が変化す537

る．また同様に 3 つのモデルの近似曲線を比べた場合，修正ハーシェル・バルクレイモ538

デルはもデータの近似が良く，修正ビンガムモデルおよび擬塑性流体モデルとみなし539

た近似曲線は，ずり速度が 38.3 1/s 以上で実験値から外れた．Table 4.3 に体積濃度 3.0%540

の測定値の算術平均値まとめを示す． 541

542

543

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 0.271 0.231 0.290 0.265 0.332 0.3441.0 3.83 0.321 0.314 0.382 0.347 0.422 0.4322.5 9.575 0.386 0.417 0.495 0.445 0.532 0.5425.0 19.15 0.445 0.490 0.567 0.515 0.609 0.617

10.0 38.3 0.538 0.588 0.672 0.615 0.718 0.73220.0 76.6 0.691 0.738 0.834 0.772 0.887 0.90050.0 191.5 1.058 1.104 1.222 1.144 1.291 1.300100.0 383 1.590 1.616 1.760 1.668 1.851 1.860


Shear rate[1/s]


62

544


546


63

548


550


64

552


554


65


557

558



の関係を示す．体積濃度 1.0 ないし 3.0%の場合と比べ，せん断応力が大きくなった．ま561

た試料 16MTPC78 Sec3W と他の試料のせん断応力を比較すると，体積濃度 3.0%とは異562

なり試料 16MTPC79 Sec3W のせん断応力はも小さくなった．しかし体積濃度 1.0 な563

いし 3.0%の場合と同様にずり速度が 38.3 1/s (ずり速度が小さい方から 5 番目のデータ)564

前後で非線形性と線形性が変化する．また 3 つのモデルの近似曲線を比べた場合，修正565

ハーシェル・バルクレイモデルはもデータの近似が良いが，修正ビンガムモデルとみ566

なした近似曲線は，体積濃度 3.0%の場合と比べ精度が良くなった．Table 4.4 に体積濃567

度 4.0%の測定値の算術平均値まとめを示す． 568

569

570

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 0.611 0.505 0.651 0.679 0.711 0.7371.0 3.83 0.814 0.645 0.848 0.844 0.899 0.9742.5 9.575 0.983 0.809 1.084 1.051 1.105 1.2485.0 19.15 1.088 0.919 1.222 1.179 1.230 1.394

10.0 38.3 1.229 1.071 1.397 1.333 1.392 1.57520.0 76.6 1.452 1.287 1.650 1.561 1.628 1.83150.0 191.5 1.976 1.781 2.210 2.091 2.172 2.382100.0 383 2.696 2.449 2.941 2.796 2.897 3.170


Shear rate[1/s]


66

571


573


67

575


577


68

579


581


69


584

585



の関係を示す．体積濃度 1.0 ないし 4.0%に比べ，せん断応力は大きくなったが，ずり速588

度が 9.575 1/s (ずり速度の小さい方 (左) から 3 番目のデータ) より小さい場合，ずり速589

度の増加とともにせん断応力は大きく増加し，その後，ずり速度が 19.15 1/s (ずり速度590

の小さい方 (左) から 4番目のデータ) あるいは 38.3 1/s (ずり速度の小さい方 (左) か591

ら 5 番目のデータ) まで緩やかに変化し，それより大きくなるとほぼ直線的に体積濃度592

1.0 ないし 4.0%に比べ緩やかに増加した．Table 4.5 に体積濃度 5.0%の測定値の算術平593

均値まとめを示す． 594

595

596

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 0.874 0.675 0.893 0.880 0.798 0.8281.0 3.83 1.509 1.487 1.512 1.712 1.633 1.7642.5 9.575 1.955 2.155 2.085 2.720 2.333 2.4905.0 19.15 2.122 2.426 2.324 2.994 2.603 2.763

10.0 38.3 2.321 2.730 2.555 3.319 2.872 3.02920.0 76.6 2.616 3.089 2.917 3.684 3.219 3.38050.0 191.5 3.277 3.846 3.670 4.501 3.983 4.150100.0 383 4.194 4.846 4.660 5.562 4.985 5.149


Shear rate[1/s]


70

597


599


71

601


603


72

605


607


73


610

611



の関係を示す．体積濃度 1.0 ないし 5.0%に比べ，せん断応力は大きくなったが，ずり速614

度が 9.575 1/s (ずり速度が小さい方 (左) から 3 番目のデータ) までの領域でせん断応615

力は急激に増加し，9.575 1/s ないし 38.3 1/s (ずり速度が小さい方から 5 番目のデータ) 616

の領域ではその増加が緩やかになり，その後はほぼ直線状に緩やかに増加した．また 3617

つのモデルの近似曲線を比べた場合，擬塑性流体モデルとみなした近似曲線は，ずり速618

度が 9.575 (ずり速度が小さい方 (左) から 3 番目のデータ) ないし 100 1/s 以上で実験619

値を下回り，100 1/s では実験値を上回った．しかし修正ビンガムモデルの近似の精度は620

体積濃度 1.0 ないし 5.0%に比べ上がっており，修正ハーシェル・バルクレイモデルとほ621

ぼ同じような近似を示す．Table 4.6 に体積濃度 6.0%の測定値の算術平均値まとめを示622

す． 623

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 1.318 1.071 1.006 1.210 1.088 1.1201.0 3.83 2.464 2.015 2.028 2.278 2.260 1.9462.5 9.575 3.716 4.244 3.959 4.235 3.993 4.4535.0 19.15 4.028 4.969 4.541 4.793 4.409 5.249

10.0 38.3 4.271 5.424 4.945 5.200 4.751 5.70420.0 76.6 4.674 5.940 5.443 5.689 5.201 6.23650.0 191.5 5.546 7.045 6.490 6.716 6.184 7.345100.0 383 6.715 8.468 7.823 8.035 7.475 8.753


Shear rate[1/s]


74

624


626


75

628


630


76

632


634


77


637

638



の関係を示す．体積濃度 1.0 ないし 6.0%に比べ，せん断応力は大きくなったが，せん断641

応力の増加傾向は体積濃度 6.0 と同様であった．また試料ごとのせん断応力を比較す642

るとずり速度 400 rpm 前後でせん断応力は試料 16MTPC79 Sec4W が 25 Pa 前後とも643

大きく，他の試料のせん断応力は 20 Pa 前後であった．3 つのモデルの近似曲線を比べ644

た場合，擬塑性流体モデルとみなした近似曲線は，ずり速度が 9.575 (ずり速度が小さい645

方 (左) から 3 番目のデータ) ないし 150 1/s 以上で実験値を下回り，150 1/s では実験646

値を上回った．修正ビンガムモデルの近似の精度は体積濃度 6.0%と同様に上がってお647

り，修正ハーシェル・バルクレイモデルとほぼ同じような近似を示す．Table 4.7 に体積648

濃度 7.0%の測定値の算術平均値まとめを示す． 649

650

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 1.766 1.455 1.325 1.281 1.666 2.2861.0 3.83 3.159 2.424 2.133 2.213 2.623 3.5382.5 9.575 6.373 6.485 5.249 6.065 6.244 7.0235.0 19.15 7.836 8.531 6.730 7.681 8.191 8.966

10.0 38.3 8.468 9.476 7.286 8.320 8.868 9.89620.0 76.6 9.018 10.263 7.951 9.009 9.563 10.69950.0 191.5 10.281 11.841 9.374 10.420 10.979 12.296100.0 383 11.890 13.795 10.980 12.183 12.728 14.308


Shear rate[1/s]


78

651


653


79

655

Fig. 4.45 ずり速度 γとせん断応力 τ の関係 (試料 16MTPC79 Sec4W， XC ：7.0%) 656

657


80

659


661


81


664

665




応力の増加傾向は体積濃度 6.0 および 7.0%と同様であった．また試料ごとのせん断応669

力を比較するとずり速度 400 rpm 前後でせん断応力は試料 16MTPC79 Sec4W と 30 Pa670

を下回ったが，試料 16MTPC79 Sec4W は 40 Pa とも高くなった．修正ビンガムモデ671

ルの近似の精度は体積濃度 6.0 および 7.0%と同様に高く，修正ハーシェル・バルクレイ672

モデルとほぼ同じような近似を示す．Table 4.8 に体積濃度 8.0%の測定値の算術平均値673

まとめを示す． 674

675

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 2.691 2.394 3.234 2.364 2.415 1.7491.0 3.83 4.410 3.428 4.229 3.461 3.424 2.8132.5 9.575 9.604 8.352 8.958 8.154 8.445 9.3565.0 19.15 12.796 12.573 14.214 11.716 12.393 14.505

10.0 38.3 14.261 14.908 17.459 13.433 14.173 17.28920.0 76.6 15.166 16.188 19.256 14.416 15.200 18.86450.0 191.5 16.939 18.420 21.903 16.373 17.104 21.270100.0 383 19.108 21.083 24.998 18.695 19.425 24.030


Shear rate[1/s]


82

676


678


83

680


682


84

684


686


85


689

690




応力の増加傾向は体積濃度 6.0 ないし 8.0%と同様であった．また試料ごとのせん断応694

力を比較すると，ずり速度 400 rpm 前後でせん断応力は試料 16MTPC80 Sec6W では 40 695

Pa を下回ったが，試料 16MTPC81 Sec7W は 60 Pa 近くとも高く次いで試料 16MTPC79 696

Sec3W が高くなった．修正ビンガムモデルの近似の精度は体積濃度 6.0 ないし 8.0%と697

同様に高く，どの試料でもすべてのずり速度の範囲で修正ハーシェル・バルクレイモデ698

ルとほぼ同じような近似を示す．Table 4.9 に体積濃度 9.0%の測定値の算術平均値まと699

めを示す． 700

701

702

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 3.895 3.853 3.463 3.898 3.176 3.8041.0 3.83 6.065 5.460 4.483 5.631 5.036 5.8642.5 9.575 13.580 10.163 9.771 10.373 10.870 9.7175.0 19.15 20.000 19.099 16.529 18.813 17.969 20.888

10.0 38.3 24.786 25.039 20.445 23.971 22.553 27.19120.0 76.6 26.508 28.113 22.494 26.596 24.701 30.50450.0 191.5 29.245 31.795 25.524 29.994 27.574 34.305100.0 383 32.435 35.895 29.040 33.793 30.883 38.615


Shear rate[1/s]


86

703


705


87

707


709


88

711


713


89


716

717



の関係を示す．体積濃度 1.0 ないし 9.0%に比べ，せん断応力は大きくなった．体積濃度720

が 5.0%の場合と同様に，せん断応力は，19.15 1/s (ずり速度の小さい方 (左) から 4 番721

目のデータ) より小さい場合，ずり速度の増加と共にほぼ直線的に増加し，19.15 ない722

し 76.6 1/s (ずり速度の小さい方 (左) から 6 番目のデータ) の範囲で，その変化が緩や723

かとなり，更にずり速度が 76.6 1/s より大きくなると，直線的に緩やかに増加した．試724

料を比べるとほぼ同じ特性を示すが，せん断応力は 3 つのモデルの近似曲線を比べる725

と，修正ハーシェル・バルクレイモデルおよび修正ビンガムモデルが測定結果とよく726

一致した．一方，擬塑性流体モデルとして近似した場合は，実験値との差が大きく，近727

似曲線はずり速度が 191.5 1/s (ずり速度の小さい方 (左) から 7 番目のデータ) より小728

さい場合，測定値との差が大きくなり，191.5 1/s 以上の範囲でずり速度の増加と共に測729

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 5.838 4.963 4.039 4.545 6.023 7.7131.0 3.83 8.188 7.038 6.101 6.529 8.546 9.7882.5 9.575 14.988 12.388 11.555 10.951 12.790 14.4755.0 19.15 26.400 25.250 24.020 21.554 24.251 27.088

10.0 38.3 34.163 34.400 32.396 28.604 32.443 37.00820.0 76.6 38.450 40.150 36.625 32.276 36.574 43.77550.0 191.5 42.538 45.525 41.229 36.409 40.684 49.475100.0 383 46.975 51.425 46.368 40.923 45.355 56.050


Shear rate[1/s]


90

定値との差は大きくなった．Table 4.10 に体積濃度 10.0%の測定値の算術平均値まとめ730

を示す． 731

732

733


91

735


737


92

739


741


93

743


745


747

748

749

750

16MTPC78Sec3W

16MTPC79Sec3W

16MTPC79Sec4W

16MTPC80Sec6W

16MTPC80Sec7W

16MTPC81Sec7W

0.5 1.915 7.675 8.738 7.900 6.513 6.688 7.1381.0 3.83 11.075 11.138 10.175 8.863 9.713 9.3752.5 9.575 19.513 15.950 13.250 15.088 15.363 17.1255.0 19.15 33.788 30.488 27.275 28.988 30.150 30.513

10.0 38.3 43.950 42.800 37.700 39.425 41.850 43.22520.0 76.6 52.075 49.600 42.525 44.675 48.875 48.73850.0 191.5 57.813 55.950 47.831 49.850 54.588 54.625100.0 383 64.075 63.150 53.875 55.925 60.850 61.975


Shear rate[1/s]


94


堆積物泥水スラリーを擬塑性流体として近似したときの擬塑性粘度K と海水粘度 μと752

の比 μ/K と体積濃度 XC の関係を示す．また Fig.4.74 に Fig.4.67 ないし 4.73 をまとめ753

たものを示す．なお海水粘度 μは 10℃として 1.38×10-3 Pa・s を用いた 18)．これにより754

体積濃度 5.0%前後で海水の 1000 倍の粘度になっていることが分かる．試料によって755

粘度の増加傾向は変わらず，粘度の値に大きな違いは見られなかった． 756

757

758

Fig. 4.67 擬塑性粘度K と海水粘度 μとの比 μ/K と体積濃度 XC の関係 759

(試料 16MTPC78 Sec3W，擬塑性流体モデル) 760

761

95

762



765

96

766



769

97

770



773

98

774



777

99

778


(試料 16MTPC81 Sec7W) 780

781

100

782


(まとめ，擬塑性流体モデル) 784

785


堆積物泥水スラリーを擬塑性流体として近似したときのレオロジー定数と体積濃度787

XC の関係を示す．また Fig.4.80 に Fig.4.74 ないし 4.79 をまとめたものを示す．試料の788

違いによってレオロジー定数に大きな違いは見られない．体積濃度が 5.0%以前では体789

積濃度の増加と共にレオロジー定数は小さくなるが，体積濃度 5.0%以上になると，レ790

オロジー定数の値は体積濃度の増加と共にわずかに大きな値を示す． 791

792

n

101

793

Fig. 4.74 レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係 794


796

102

797



800

103

801



804

104

805



808

105

809



812

106

813



816

817

107

818


(まとめ，擬塑性流体モデル) 820

821

擬塑性粘度K と体積濃度 XC の関係を，式 (4.1) で近似する．また，レオロジー定数822

nは，体積濃度 0.05 で領域を分割し，式 (4.2) (体積濃度 0.01 ないし 0.05) および式 (4.3) 823

(体積濃度 0.05 ないし 0.10) で近似する． 824

PBXPCAK 1 ・・・(4.1) 825

826

PBXPCCn 1 (0≦ XC ≦0.05) ・・・(4.2) 827

828

108

PXP FCEn 1 (0.05≦ XC ≦0.10) ・・・(4.3) 829

830

ここに， 831

PA , PB ：式 (4.1) 中の係数， 832

PC , PD ：式 (4.2) 中の係数， 833

PE , PF ：式 (4.3) 中の係数． 834

835

Table 4.11 に，測定に使用した全ての試料の泥水スラリーについて，擬塑性流体モ836

デルとみなした式 (4.1) ないし (4.3) で近似した場合の係数を示す．擬塑性粘度K と837

体積濃度 XC の関係の近似式 (4.1) は，どの試料の泥水スラリーでも決定係数が 0.99838

以上となる．レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係式(4.2 および 4.3) では，決定係数839

が 0.783 (試料 16MTPC81 Sec7W) の場合を除き，他の試料の泥水スラリーで決定係数840

は 0.85 以上となった． 841

Table 4.1 擬塑性粘度K ，レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係 842

(擬塑性流体モデルの場合) 843

844

845

Name Det. coef. Det. coef. Det. coef.

16MTPC78 Sec3W 6.95×106 2.85 1.000 3.81 0.497 0.941 -1.68 0.877 0.980

16MTPC79 Sec3W 3.89×106 2.67 0.997 2.51 0.380 0.945 -1.32 0.817 0.865

16MTPC79 Sec4W 2.95×106 2.57 0.998 2.73 0.400 0.898 -1.17 0.811 0.853

16MTPC80 Sec6W 3.22×106 2.59 0.996 3.05 0.428 0.892 -1.38 0.834 0.927

16MTPC80 Sec7W 2.68×106 2.51 1.000 2.43 0.360 0.912 -1.47 0.844 0.990

16MTPC81 Sec7W 3.00×106 2.52 0.999 2.26 0.340 0.892 -1.39 0.826 0.783

PA PB PC PD PE PF

109


堆積物の泥水スラリーを擬塑性流体として近似したときの修正ビンガムモデルとして847

近似したときの粘度 Bμ と海水粘度μの比 μμ /B と体積濃度 XC の関係を示す．また Fig. 848

4.87 に Fig.4.81 ないし 4.86 をまとめたものを示す．どの試料も体積濃度の増加と共に849

ビンガム粘度は増加し，試料によってビンガム粘度の増加に顕著な違いは現れなかっ850

た． 851

852

853

854

Fig. 4.81 粘度 Bμ と海水粘度 μとの比 μμ /B と体積濃度 XC の関係 855

(試料 16MTPC78 Sec3W，修正ビンガムモデル) 856

110

857



860

111

861



864

112

865



868

113

869



872

114

873



876

115

877


(まとめ，修正ビンガムモデル) 879

880


堆積物の泥水スラリーを擬塑性流体として近似したときの修正ビンガムモデルとして882

近似したときの降伏応力 yτ と体積濃度 XC の関係を示す．また Fig .4.94 に Fig.4.81 な883

いし 4.86 をまとめたものを示す．どの試料を用いた泥水スラリーでも体積濃度の増加884

と共に降伏応力が増加し，試料によって降伏応力に顕著な違いは見られない． 885

886

887

116

888

Fig. 4.88 降伏応力 yτ と体積濃度 XC の関係 889


891

117

892



895

118

896



899

119

900



903

120

904



907

121

908



911

122

912



915

Fig. 4.95 ないし 4.100 に試料 16MTPC78 Sec3W ないし 16MTPC81 Sec7W のレアアー916

ス堆積物の泥水スラリーを修正ビンガムモデルとして近似したときの補正係数mと体917

積濃度 XC の関係を示す．また Fig. 4.101 に Fig. 4.95 ないし 4.100 をまとめたものを示918

す．体積濃度 2.0 ないし 4.0%ではどの試料でもほとんど同じような補正係数をとる919

が，体積濃度 1.0 および 5.0 ないし 10.0%では試料によって補正係数に違いが表れた． 920

しかし，どの試料でも体積濃度の増加と共に補正係数は減少し，試料によって減少傾向921

に顕著な違いは見られない． 922

123

923

Fig. 4.95 補正係数mと体積濃度 XC の関係 924


926

124

927



930

125

931



934

126

935



938

127

939



942

128

943



946

129

947

Fig.4.101 補正係数mと体積濃度 XC の関係 948


950

修正ビンガムモデルの流動特性パラメータであるビンガム塑性粘度 B ，降伏応力 yτ951

および実験係数mと体積濃度 XC の関係を，次の式 (4.4) ないし (4.6) によってそれぞ952

れ近似する． 953

954

BMBXBMB CA1 ・・・(4.4) 955

956

BMDXBMy CC ・・・(4.5) 957

130

958

XBMCFBM eEm 11 ・・・(4.6) 959

960

ここで， 961

BMA , BMB ：式 (4.4) 中の係数， 962

BMC , BMD ：式 (4.5) 中の係数， 963

BME , BMF ：式 (4.6) 中の係数． 964

965

Table 4.12 に，測定に使用した全ての試料の泥水スラリーについて，修正ビンガム966

モデルとみなした式 (4.4) ないし (4.6) で近似した場合の係数を示す．ビンガム塑性967

粘度 B と体積濃度 XC の関係の近似式 (式 4.4) および降伏応力 yτ と体積濃度 XC の近968

似式 (式 4.5) は，全ての泥水スラリーでも決定係数が 0.90 以上となる．しかし補正係969

数mと体積濃度 XC の関係式 (式 4.6) では，決定係数が 0.681 (試料 16MTPC79 Sec4W) 970

ないし 0.85 (試料 16MTPC81 Sec7W) とばらつきが大きい． 971

972

973

974

975

131

Table 4.12 ビンガム塑性粘度 B ，降伏応力 yτ ，補正係数mと体積濃度 XC の関係式 976

(修正ビンガムモデルの場合) 977

978

979

Fig.4.102 ないし 4.107 に試料 16MTPC78 Sec3W ないし 16MTPC81 Sec7W のレアアー980

ス堆積物の泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとして近似したときの981

擬塑性粘度K と海水粘度 μの比 μ/K と体積濃度 XC の関係を示す．また Fig.4.102 に982

Fig.4.107 ないし 4.108 をまとめたものを示す．体積濃度の増加と共に擬塑性粘度は増983

加する．体積濃度が 5.0%以上になると試料によって実験値にばらつきが表れる． 984

985

986

Name Det. coef. Det. coef. Det. coef.

16MTPC78 Sec3W 6.82×102 1.60 0.953 1.78×10

4 2.69 0.973 2.74 18.8 0.765

16MTPC79 Sec3W 1.05×103 1.70 0.965 1.51×10

4 2.60 0.964 3.88 17.3 0.717

16MTPC79 Sec4W 7.43×102 1.60 0.973 1.06×10

4 2.50 0.972 3.72 17.1 0.681

16MTPC80 Sec6W 6.67×102 1.58 0.977 1.15×10

4 2.52 0.984 3.24 18.5 0.770

16MTPC80 Sec7W 5.75×102 1.53 0.967 1.08×10

4 2.49 0.974 3.05 19.3 0.817

16MTPC81 Sec7W 9.46×102 1.65 0.961 1.46×10

4 2.55 0.977 3.00 20.6 0.859

BMA BMB BMCBMD BME BMF

132

987

Fig.4.102 擬塑性粘度K と海水粘度 μとの比 μ/K と体積濃度 XC の関係 988

(試料 16MTPC78 Sec3W，修正ハーシェル・バルクレイモデル) 989

990

991

133

992



995

134

996



999

135

1000



1003

136

1004



1007

137

1008



1011

138

1012


(まとめ，修正ハーシェル・バルクレイモデル) 1014

1015



レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係を示す．また Fig.4.115 に Fig.4.109 ないし 4.1141018

をまとめたものを示す．体積濃度の増加と共にレオロジー定数は増減し，一様な変化1019

はしない．この傾向はどの試料から作成した泥水スラリーでも同様であった． 1020

1021

1022

139

1023

1024

Fig.4.109 レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係 1025


1027

140

1028



1031

141

1032



1035

142

1036



1039

143

1040



1043

144

1044



1047

145

1048



1051



降伏応力 yτ と体積濃度 XC の関係を示す．Fig.4.121 に Fig.4.116 ないし 4.121 をまとめ1054

たものを示す．修正ビンガムモデルと同様に体積濃度の増加と共に降伏応力が増加し1055

た． 1056

1057

1058

146

1059

1060

Fig.4.116 降伏応力 yτ と体積濃度 XC の関係 1061


1063

147

1064



1067

148

1068



1071

149

1072



1075

150

1076



1079

151

1080



1083

152

1084



1087

Fig.4.123 ないし 4.128 に，試料 16MTPC78 Sec3W ないし 16MTPC81 Sec7W のレアア1088

ース堆積物の泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとして近似したとき1089

の補正係数 m と体積濃度 XC の関係を示す．Fig4.129 に Fig.4.123 ないし 4.128 をまと1090

めたものを示す．どの試料で作成した泥水スラリーにおいても体積濃度の増加と共に1091

補正係数は減少した． 1092

1093

1094

153

1095

1096

Fig.4.123 補正係数 m と体積濃度 XC の関係 1097


1099

154

1100



1103

155

1104



1107

156

1108



1111

157

1112



1115

158

1116



1119

159

1120



1123

擬塑性粘度K ，レオロジー定数 n，降伏応力y および実験係数 m と体積濃度の関係1124

を，次の式 (4.7) ないし (4.10) によりそれぞれ近似する． 1125

1126

HBMBXHBMCAK 1 ・・・(4.7) 1127

1128

HBMDXHBM CCn 1 ・・・(4.8) 1129

1130

160

HBMFXHBMy CE ・・・(4.9) 1131

1132

XHBMCHHBM eGm 11 ・・・(4.10) 1133

1134

ここで， 1135

HBMA , HBMB ：式 (4.7) 中の係数， 1136

HBMC , HBMD ：式 (4.8) 中の係数， 1137

HBME , HBMF ：式 (4.9) 中の係数， 1138

HBMG , HBMH ：式 (4.10) 中の係数． 1139

1140

Table 4.13 に，測定に使用した全ての試料の泥水スラリーを，修正ハーシェル・バ1141

ルクレイモデルみなした場合の擬塑性粘度K ，レオロジー定数 n，降伏応力y ，補正1142

係数mと体積濃度 XC の関係を近似した際の係数，指数および近似式の決定係数を示1143

す．擬塑性粘度K と体積濃度 XC の関係の近似式 (4.7) は，決定係数が 0.85 を下回る1144

ものはなかった．レオロジー定数 nと体積濃度 XC の関係の近似式 (4.8) は，試料1145

16MTPC80 Sec7W および 16MTPC81 Sec7W の決定係数が極端に小さくなったが，他の1146

試料では決定係数は 0.80 を超えた．降伏応力yτ と体積濃度 XC の近似式 (4.9) は，ど1147

の試料でも決定係数が 0.98 より高くなった．補正係数 m と体積濃度 XC の関係式 1148

161

(4.10) では，どの試料でも決定係数が高く 0.90 となった． 1149

1150

Table 4.13 擬塑性粘度K ，レオロジー定数 n，降伏応力yτ ，補正係数m 1151

と体積濃度 XC の関係 (修正ハーシェル・バルクレイモデルの場合) 1152

1153

1154

Table 4.14 に，全試料の測定結果について各流体モデルで近似を行った場合の，それ1155

ぞれの試料ごとの測定値と近似曲線との残差二乗和 Sの算術平均 (体積濃度 1.0 ないし1156

10.0%) と赤池の情報基準 AIC (Akaike’s Information Criteration) (以下， AIC ) の算術平1157

均を示した 14)． AICは式 (4.11) で求められ， AIC計算結果の値が小さいほど良いモデ1158

ルとされる．式 (4.11) の導入は岡田他 3)に記されているため省略する． 1159

1160

Name Det. coef. Det. coef.

16MTPC78 Sec3W 1.37×105 2.38 0.860 1.33 0.400 0.834

16MTPC79 Sec3W 2.63×105 2.41 0.898 1.22 0.327 0.827

16MTPC79 Sec4W 1.64×105 2.28 0.898 1.19 0.319 0.826

16MTPC80 Sec6W 5.26×104 2.01 0.936 0.911 0.257 0.885

16MTPC80 Sec7W 3.82×104 1.90 0.897 0.604 0.0978 0.0954

16MTPC81 Sec7W 4.34×104 1.97 0.913 0.521 0.0687 0.0428

Name EHBM FHBM Det. coef. GHBM HHBM Det. coef.

16MTPC78 Sec3W 3.06×104

2.95 0.992 1.38 27.2 0.966

16MTPC79 Sec3W 2.11×104

2.83 0.985 1.89 25.8 0.934

16MTPC79 Sec4W 1.55×104

2.74 0.990 1.90 25.0 0.912

16MTPC80 Sec6W 2.19×104

2.83 0.997 1.64 26.4 0.962

16MTPC80 Sec7W 2.04×104

2.79 0.991 1.53 27.4 0.961

16MTPC81 Sec7W 2.30×104

2.78 0.993 1.70 27.0 0.958

HBMA HBMB HBMC HBMD

162

qN

SlnNAIC 2

・・・(4.11) 1161

1162

体積濃度 0.01 ないし 0.10 の範囲で全ての泥水スラリーの AICは，擬塑性流体モデル1163

では-5.43 ないし-1.99，修正ビンガムモデルでは-26.4 ないし-18.3，修正ハーシェル・バ1164

ルクレイモデルでは-30.1 ないし-22.9 となった．擬塑性流体モデルは全ての試料におい1165

て修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデルよりも AICが大きくな1166

った．修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデルを比較すると，1167

16MTPC80 Sec7W の試料では修正ビンガムモデルの AICは僅かに修正ハーシェル・バ1168

ルクレイモデルを下回ったが，それ以外の試料では修正ハーシェル・バルクレイモデル1169

の AICは修正ビンガムモデルよりも小さくなった．すなわち，近似精度の良い順に修正1170

ハーシェル・バルクレイモデル，修正ビンガムモデル，擬塑性流体モデルとなった． 1171

1172

Table 4.14 残差二乗和の平均および AIC平均の一覧 1173

1174

1175

1176

P model BM model HBM model P model BM model HBM model16MTPC78 Sec3W 67.1 2.06 1.58 -4.84 -26.4 -30.1

16MTPC79 Sec3W 66.0 4.78 5.89 -4.05 -20.1 -20.8

16MTPC79 Sec4W 56.0 4.66 5.45 -5.43 -21.0 -23.2

16MTPC80 Sec6W 56.0 2.53 2.93 -4.37 -21.1 -22.9

16MTPC80 Sec7W 62.9 3.17 4.08 -3.68 -21.7 -21.3

16MTPC81 Sec7W 73.3 4.84 4.90 -1.99 -18.3 -21.3

NameAverage of S Average of AIC

163

4.2.2 レアアース含有量について 1177

Fig.4.130 に泥水スラリーを擬塑性流体モデルとみなした場合の擬塑性粘度K と海水1178

粘度 μとの比 μ/K と体積濃度の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを1179

示す．試料によってせん断応力に顕著な違いは無く，レアアース含有量による影響は1180

見られない． 1181

Fig.4.131 に泥水スラリーを擬塑性流体モデルとみなした場合のレオロジー定数 nと1182

体積濃度の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示す．体積濃度 1.0 な1183

いし 5.0%までは試料によって多少ばらつきはあるが，レアアース含有量による影響は1184

見られない．また体積濃度 5.0 ないし 10.0%の範囲でもレアアース含有量による影響は1185

見られない． 1186

Fig.4.132 に泥水スラリーを修正ビンガムモデルとみなした場合の粘度 Bμ と海水粘度1187

μとの比 μμ /B と体積濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示1188

す．試料によってせん断応力に顕著な違いは無く，レアアース含有量による影響は見1189

られない． 1190

Fig.4.133 に泥水スラリーを修正ビンガムモデルとみなした場合の降伏応力 yτ と体積1191

濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示す．試料によってせん1192

断応力に顕著な違いは無く，レアアース含有量による影響は見られない． 1193

Fig.4.134 に泥水スラリーを修正ビンガムモデルとみなした場合の補正係数mと体積1194

XC

XC

164

濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示す．試料によって補正1195

係数に顕著な違いが見られ，レアアース含有量 1000 ppm の試料より作成した泥水スラ1196

リーの補正係数は他の試料に比べ低いが，それ以外のレアアース含有量では降伏応力1197

との関係が見られないため，レアアース含有量による影響はないと考えられる． 1198

Fig.4.135 に泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとみなした場合の粘1199

度K と海水粘度 μとの比 μ/K と体積濃度の関係をレアアース含有量ごとに色分け1200

したものを示す．試料によって粘度に顕著な違いが見られるが，レアアース含有量に1201

よる影響は見られない． 1202

Fig.4.136 に泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとみなした場合のレ1203

オロジー定数と体積濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示1204

す．試料によってレオロジー定数に顕著な違いが見られるが，レアアース含有量によ1205

る影響は見られない． 1206

Fig.4.137 に泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとみなした場合の降1207

伏応力 yτ と体積濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示す．試1208

料によって降伏応力に顕著な違いはなく，レアアース含有量による影響は見られな1209

い． 1210

Fig.4.138 に泥水スラリーを修正ハーシェル・バルクレイモデルとみなした場合の補1211

正係数mと体積濃度 XC の関係をレアアース含有量ごとに色分けしたものを示す．試1212

XC

n

165

料によって補正係数に顕著な違いが見られ，レアアース含有量 1000 ないし 2000 ppm 1213

の補正係数が小さく，レアアース含有量 3500 ないし 4000 ppm の補正係数が大きくな1214

るように見える．しかしそれ以外のレアアース含有量では補正係数との関係性が見ら1215

れないため，レアアース含有量による影響はないと考える． 1216

1217

1218


(レアアース含有量別，擬塑性流体モデル) 1220

1221

1222

1223

166

1224


(レアアース含有量別，擬塑性流体モデル) 1226

1227

1228

1229

167

1230

Fig.4.132 粘度 Bμ と海水粘度μとの比 μμ /B と体積濃度 XC の関係 1231

(レアアース含有量別，修正ビンガムモデル) 1232

1233

1234

1235

168

1236



1239

1240

1241

169

1242



1245

1246

1247

170

1248

Fig.4.135 粘度K と海水粘度 μとの比 μ/K と体積濃度 XC の関係 1249

(レアアース含有量別，修正ハーシェル・バルクレイモデル) 1250

1251

1252

1253

171

1254

Fig.4.136 レオロジー定数と体積濃度 XC の関係 1255


1257

1258

1259

n

172

1260



1263

1264

173

1265



1268

4.3 結言 1269

本章では円錐平板型回転粘度計を用いて第 3 章で作成したレアアース堆積物泥水ス1270

ラリー試料の流動特性を測定した．また，得られた流動特性値の結果を擬塑性流体モ1271

デル，修正ビンガムモデル，修正ハーシェル・バルクレイモデルの 3 つの非ニュートン1272

モデルで近似し，各試料の比較を行った．測定のデータから，泥水スラリーの流動特性1273

を擬塑性流体モデル，修正ビンガムモデル，修正ハーシェル・バルクレイモデルとみな1274

し近似を試みた．各近似式をもとに，泥水スラリー体積濃度 1.0 ないし 10.0%の範囲で，1275

174

体積濃度に関して各パラメータの流動特性のパラメータを推定する実験式を作成した．1276

その結果，以下のことが明らかにされた． 1277

(1) レアアース堆積物泥水スラリーは，体積濃度 1.0 ないし 10.0%の範囲で非ニュート1278

ン流体の特性を示し，泥水スラリー体積濃度が増加するにつれせん断応力は大きくなる．1279

泥水スラリー体積濃度が小さい場合 (1.0 ないし 3.0%) には，その特性は，ずり速度の1280

全領域にわたって両対数グラフ上でほぼ直線となり，擬塑性流体モデルに近い特性を示1281

す．泥水スラリー体積濃度が 4.0%以上では，ずり速度 9.575 1/s あるいは 19.15 1/s より1282

大きい領域では，擬塑性流体モデル，あるいはビンガムモデルおよびハーシェル・バル1283

クレイモデルに近い特性を示す．一方，ずり速度が 9.575 1/s あるいは 19.15 1/s より小1284

さくなると，その傾きが大きくなり，全ずり速度領域でみると，全体として折れ曲がっ1285

た曲線となる． 1286

(2) 採取位置と採取深度が異なり，レアアース含有量の異なるレアアース堆積物の泥1287

水スラリーの流動特性は，泥水スラリー体積濃度が同じ条件では，ほぼ同様の特性を示1288

す． 1289

(3) 擬塑性流体として近似した場合，ずり速度が小さい領域では，せん断応力の測定デ1290

ータが近似式より大きく，それ以上のずり速度では，測定データが近似式より小さい． 1291

(4) 修正ビンガムモデルと近似した場合，ずり速度が 38.3 1/s より小さい範囲で，近似1292

式は測定データを良く近似する．ずり速度が更に増加すると測定データと近似式との差1293

175

が大きくなった．しかし泥水スラリー体積濃度の増加と共に，その差は小さくなった． 1294

(5) 修正ハーシェル・バルクレイモデルで近似した場合，泥水スラリー体積濃度 1.0 な1295

いし 10.0%の範囲の全てのずり速度の範囲で，近似式は測定データを精度良く近似した． 1296

(6) 擬塑性流体モデル，修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデル1297

それぞれの流動特性パラメータについて，泥水スラリー体積濃度との関係を表す関係式1298

(4.1) ないし (4.10) を作成した． 1299

1300

1301

1302

1303

1304

1305

1306

1307

1308

1309

1310

1311

176

5. 結論 1312

本研究では，レアアース堆積物揚泥システムパラメータの設定のため， (独)石油天然1313

ガス・金属鉱物資源機構 (JOGMEC) 殿より提供された南鳥島海域の 6 本の試料を用い1314

て流動特性値を求めた． 1315

以下に各章で得られた結言を再記する． 1316

第 2 章では南鳥島海域で採取された採取位置と深度およびレアアース含有量が異な1317

るレアアース堆積物 (16MTPC78 Sec3W，16MTPC79 Sec3W，4W，16MTPC80 Sec6W，1318

7W，16MTPC81 Sec7W) の写真，採取深度および基礎物性 (レアアース含有量，粒度分1319

布，含水比および乾燥密度) について示した． 1320

第 3 章では南鳥島海域で採取された，採取地点と深度が異なるレアアース堆積物の試1321

料 (16MTPC78 Sec3W，16MTPC79 Sec3W，4W，16MTPC80 Sec6W，7W，16MTPC81 1322

Sec7W) から体積濃度 1.0 ないし 10.0%の計 60 個の泥水試料を作成した．泥水スラリー1323

のずり速度に対するせん断応力の変化は非線形性を示すため，泥水スラリーの近似には1324

擬塑性流体則モデル，修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデルを1325

用いる．また体積濃度が 1.0，2.0，3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0 および 10.0%での1326

それぞれの攪拌時間として，20，40，60，90，120，120，120，120，120 および 180 min 1327

を設定した． 1328

第 4 章では第 3 章で作成したレアアース堆積物泥水スラリー試料の流動特性を測定1329

177

した．また，得られた流動特性値の結果を擬塑性流体モデル，修正ビンガムモデル，修1330

正ハーシェル・バルクレイモデルの 3 つの非ニュートンモデルで近似し，各試料の比較1331

を行った．測定のデータから，泥水スラリーの流動特性を擬塑性流体モデル，修正ビン1332

ガムモデル，修正ハーシェル・バルクレイモデルとみなし近似を試みた．各近似式をも1333

とに，泥水スラリー体積濃度 1.0 ないし 10.0%の範囲で，体積濃度に関して各パラメー1334

タの流動特性のパラメータを推定する実験式を作成した．その結果，以下のことが明ら1335

かにされた． 1336

(1) レアアース堆積物泥水スラリーは，体積濃度 1.0 ないし 10.0%の範囲で非ニュート1337

ン流体の特性を示し，泥水スラリー体積濃度が増加するにつれせん断応力は大きくなる．1338

泥水スラリー体積濃度が小さい場合 (1.0 ないし 3.0%) には，その特性は，ずり速度の1339

全領域にわたって両対数グラフ上でほぼ直線となり，擬塑性流体モデルに近い特性を示1340

す．泥水スラリー体積濃度が 4.0%以上では，ずり速度 9.575 1/s あるいは 19.15 1/s より1341

大きい領域では，擬塑性流体モデル，あるいはビンガムモデルおよびハーシェル・バル1342

クレイモデルに近い特性を示す．一方，ずり速度が 9.575 1/s あるいは 19.15 1/s より小1343

さくなると，その傾きが大きくなり，全ずり速度領域でみると，全体として折れ曲がっ1344

た曲線となる． 1345

(2) 採取位置と採取深度が異なり，レアアース含有量の異なるレアアース堆積物の泥1346

水スラリーの流動特性は，泥水スラリー体積濃度が同じ条件では，ほぼ同様の特性を示1347

178

す． 1348

(3) 擬塑性流体として近似した場合，ずり速度が小さい領域では，せん断応力の測定デ1349

ータが近似式より大きく，それ以上のずり速度では，測定データが近似式より小さい． 1350

(4) 修正ビンガムモデルと近似した場合，ずり速度が 38.3 1/s より小さい範囲で，近似1351

式は測定データを良く近似する．ずり速度が更に増加すると測定データと近似式との差1352

が大きくなった．しかし泥水スラリー体積濃度の増加と共に，その差は小さくなった． 1353

(5) 修正ハーシェル・バルクレイモデルで近似した場合，泥水スラリー体積濃度 1.0 な1354

いし 10.0%の範囲の全てのずり速度の範囲で，近似式は測定データを精度良く近似した． 1355

(6) 擬塑性流体モデル，修正ビンガムモデルおよび修正ハーシェル・バルクレイモデル1356

それぞれの流動特性パラメータについて，泥水スラリー体積濃度との関係を表す関係式1357

(4.1) ないし (4.10) を作成した． 1358

以上，南鳥島海域深海底のレアアースを，流体ドレッジ法を用いて輸送する場合，揚1359

鉱管内に供給されるレアアース堆積物泥水スラリーの流動特性について明らかにする1360

ことが出来た．ただし，設定するパラメータ数が多くなることや，揚鉱システムの性能1361

を推定する場合に必要な，泥水スラリー体積濃度からこれらパラメータを推定する実験1362

式を作るときに，個々の試料から得られるパラメータのばらつきが大きくなってしまっ1363

たことなど，今後更に検討すべき点があることも明らかとなった． 1364

1365

179

謝辞 1366

本研究は， (独) 石油天然ガス･金属鉱物資源機構の委託業務「平成 28 年度深海底資1367

源基礎調査に係るレアアース堆積物揚泥特性の予測技術開発調査」の中で実施された．1368

資源エネルギー庁， (独) 石油天然ガス･金属鉱物資源機構の関係各位にお礼申し上げ1369

る．またご指導頂いた，東海大学海洋学部清水賀之教授，元東海大学海洋学部教授 1370

益山忠博士，元一関工業高等専門学校教授畠山信夫博士にお礼申し上げる． 1371

1372

1373

1374

1375

1376

1377

1378

1379

1380

1381

1382

1383

180

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東海大学大学院平成 29 年度修士論文translate this...

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