熱物質拡散場の光干渉測定によるガスハイドレート生成分解機構の研究

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海底メタンハイドレート資源開発やハイドレートの工業利用にとり、ガスと水の2層境界面におけるハイドレート生成挙動の理解が重要である。一般に、ハイドレート結晶の生成は、2層境界面における膜状の結晶の生成により結晶化物質の拡散が阻害されてしまうため、その速度論の解明にとって重要なファクターとなる。このため、モデル系として水とTHFを2液が分離した状態で融点下に維持した恒温セル内へ注入し、2液境界面におけるTHFハイドレートの生成挙動を観察した。この結果、従来の研究が示したように、初めに境界面に沿って膜状のハイドレートが形成した。これは、結晶粒の大きなハイドレートから形成された。ところが、その後の成長は、膜厚の増大によるものではなく、膜近傍に於いて無数の結晶が核形成し、その結果として粒径の非常に小さい結晶からなる多結晶集団がゆっくりと雲のように湧き出て増大する事実を初めてとらえることに成功した。つまり、核形成頻度が成長速度を支配する重要なファクターであることを示した。さらに、水を着色することにより、膜を通じた2液の拡散過程の測定を行ったところ、結晶膜を通じて溶液が相互に拡散し、膜を通過した所から、核形成が生じることを示した。さらに、多結晶集団の増加率の過冷却度依存性の測定結果から、膜周辺の水とTHFの拡散過程と核形成による多結晶集団の増加率を定量的に明らかにした。以上の研究により、ガスハイドレートの生成の速度論モデルを構築する上で重要な、2層境界膜近傍におけるハイドレート生成の微物理的な挙動を明確にした。