磁気共鳴3次元画像計測と分子動力学によるCO2水和物の構造・物質移動機構の解明

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大気中のCO2濃度の増加を抑制するために分離回収した液体CO2を深海底に貯留し隔離しようとする方策は,深海底の超高圧力条件下でCO2ハイドレートと呼ばれる固体水和物が液体CO2と海水の界面に形成され,CO2が海洋中に溶解することを抑制し,海洋環境に与える影響を大きく低減する効果を有していると考えられている.しかし,液体CO2と海水の界面に存在する固体水和物を通してCO2が海水へ溶解拡散する物質移動機構については不明で,特にこのことを固体水和物の構造との関連において明らかにすることが基礎的にも,またCO2を安定に隔離し,貯留する制御指針を得るためにも重要であると考えられる.CO2ハイドレートは,サッカーボール状のケージが集合することによって超微粒子群を形成しており,その超微粒子群のすき間をフリーな水分子ならびにCO2分子が運動していることがCO2ハイドレート内での物質移動の担い手になっていると考えられる.本研究では温度を高度に制御された恒温室内で,耐圧特殊アクリル内に耐圧ガラスを密着させたペンシル型の超高圧MRI用試料管に,液体CO2とイオン交換した水を2つの液の間に界面が形成されるように注入した.界面でCO2ハイドレートを成長させ,CO2ハイドレート中の水分子を構成している水素原子核は,超伝導傾斜磁場内で水素原子核の固有回転振動数と同じ振動数をもつ電磁波の照射により共鳴励起され,これにより生じる誘導電流を検出することにより,2次元空間内における水分子濃度を画像計測を行い、CO2ハイドレートの成長速度を明らかにした。これにより、CO2ハイドレートの中の成長機構について考察をくわえることが可能となり、そのモデリングならびに透過係数を算出した。