Molecular simulation approach toward carbon neutrality

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CCUSの柱の一つである"storage"（もしくは"sequestration"）では、高温高圧下の超臨界状態のCO2流体を地下に貯留する。しかしながら地下には地下水が含まれることも多く、地下水とCO2流体の界面が地下環境でどのような特性を持つかは、CO2地下貯留の効率化において重要な知見となる。令和4年度はこのような状況を背景に、幅広い温度圧力領域でのCO2流体と水との界面張力を、分子動力学シミュレーションにより評価した。8, 10, 12MPaの圧力下では、328K-373Kの温度領域において界面張力は温度増加に対して増加する一方、373K以上の温度では温度増加に対して界面張力は減少する傾向が見られた。このような温度変化に対する極大値の出現は、これまでの実験結果と調和的である。一方、14MPa-50MPaでは温度増加に対して、界面張力は単調に減少する傾向が見られた。特に、478K-550Kの高温領域では、界面張力は対象とした全ての圧力下で減少する傾向が明らかになった。このような高温下での界面張力の実験測定はほとんどなされておらず、本計算結果は高温地層水へのCO2貯留に関して重要なデータとなる。界面張力の温度変化に対する極大値の出現を理解するために、Gibbs-Duhem(GD)式に基づいて界面モルエントロピーに注目した考察を行った。その結果、極大の出現は、CO2流体の密度やエントロピーが、臨界点近傍条件下で大きく変動することに起因することがわかった。