[S-MP26] 鉱物の物理化学

[SMP26-05] 炭酸マグネシウム水和物鉱物の結晶化および脱水プロセスにおける構造変化

*興野 純¹、山本 弦一郎¹、岡田 慧¹、米田 安宏²、松下 能孝³ (1.筑波大学生命環境系地球進化科学専攻、2.日本原子力研究開発機構物質科学研究センター、3.物質・材料研究機構材料分析ステーション)

キーワード：Nesquehonite Mg(CO3)·3H2O、dypingite Mg5(CO3)4(OH)2·5H2O、hydromagnesite Mg5(CO3)4(OH)2·4H2O、Amorphous Magnesium Carbonate、Polyamorphism

大気中の二酸化炭素を炭酸塩鉱物として地下に固定する二酸化炭素回収・貯留技術は，長期間安定的に二酸化炭素を隔離できる有力な方法として注目されている．本研究は，炭酸マグネシウム水和物の結晶化から熱分解までの構造変化を，PDF法およびXAFS法を用いて詳細に研究した．Nesquehonite Mg(CO₃)·3H₂O (NSQ)，dypingite Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·5H₂O (DYP)，hydromagnesite Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O (HMG)はそれぞれ20, 60, 80 ^oCで非晶質炭酸マグネシウム(Amorphous Magnesium Carbonate; AMC)から結晶化することが知られている．本研究では，まず20, 60, 80 ^oCの温度で合成したAMCの構造を調べた．熱分析の結果，AMCに含まれる水分子の量は，合成した温度とともに減少する傾向を示し，この傾向は結晶相と同じであった．続いて，PDF解析から，20，60，80 ^oCで生成したAMCの近距離構造には温度依存性がなく，その構造がHMGの短距離秩序構造と同一であることが明らかになった．続いて，水溶液中でAMCからNSQに結晶化する過程で，水溶液中のアルカリ金属イオンがNSQの結晶化にどのような影響を及ぼすかについて調べた．Na₂CO₃，K₂CO₃，Rb₂CO₃，Cs₂CO₃の4種類の異なる水溶液を用いてAMCを合成した．実験の結果，Na₂CO₃，K₂CO₃を出発物質に用いた場合は，容易にNSQが結晶化するが，Rb₂CO₃，Cs₂CO₃を用いた場合は，NSQの結晶化が抑制されることが明らかになった．また，PDF解析の結果から，AMC形成直後とNSQ結晶化直前のAMCでは，それぞれが異なる構造（AMC-I構造とAMC-II構造）であることが示され，これによってAMCには，複数の非晶質構造“ポリアモルフィズム”が存在していることが示唆された．最後に，炭酸マグネシウム水和物の熱分解の過程で出現するAMCの構造について調べた．実験の結果，NSQとDYPには，熱分解過程ではAMC-I構造を持つAMCが出現するのに対し，HMGでは，熱分解過程でAMC-IともAMC-IIとも異なる非晶質相（AMC-III構造）が出現することが明らかになった．