[S-MP27] 鉱物の物理化学

[SMP27-P04] Portlandite［Ca(OH)₂］の気固炭酸塩化プロセスの解明

*長谷川 拓紀¹、興野 純¹ (1.筑波大学生命環境科学研究科)

キーワード：Portlandite、炭酸カルシウム、炭酸塩化、XRD、FT-IR

Portlandite［Ca(OH)₂］は水酸化カルシウムであり，生石灰（CaO）が水と反応することにより生成される鉱物である．Portlanditeは典型的な酸塩基反応によって空気中のCO₂と炭酸塩化し，炭酸カルシウム（CaCO₃）と水（H₂O）に変化することで知られている．Portlanditeはコンクリートやモルタルに含まれる物質であり，その量の膨大さと高いCO₂吸収ポテンシャルから，CO₂吸収・固定材として実用化が期待されている．
　Portlanditeの炭酸塩化はRH（相対湿度）に依存するが，反応時に形成されるCaCO₃多形や炭酸塩化メカニズムについては不明な点が多い．そこで本研究では，portlanditeが様々な環境下で炭酸塩化する過程を，気固炭酸塩化，飽和炭酸水蒸発実験の二つの実験を実施し，放射光X線回折(XRD)，赤外線吸収分光(FT-IR)，走査型電子顕微鏡観察(SEM)，透過型電子顕微鏡観察(TEM)を用いて，明らかにした．
　気固炭酸塩化実験から，RH0%では21日間のCO₂暴露を行ってもCaCO₃は形成されなかった．これによって，portlanditeの気固炭酸塩化には湿潤環境が不可欠であることが示された．RH30％ではCO₂暴露時間が24時間で比較的微量のcalciteが形成され，湿度が上昇すると形成されるcalciteの量は増加した．一方，CO₂暴露時間が24時間，RH50-60%ではaragoniteが，RH50-80%では微量のvateriteが形成された．TEM観察の結果から，RH60%でCO₂暴露時間が24時間の試料には，calciteの試料表面に微小なaragoniteの被覆が観察され，この形成メカニズムは，炭酸塩化によって形成されたcalciteの表面が湿潤環境で一度溶解し，そこへaragoniteが再沈殿したものと推測された．また，飽和炭酸水蒸発実験からは，蒸発速度の変化によって，calciteだけでなくaragoniteも形成されることが確認された．
　本研究によって，portlanditeの気固炭酸塩化は，湿度が低く水の蒸発速度が速い場合はcalciteが，湿度が高く水分子の蒸発速度が遅い場合はcalciteだけでなく，calciteの表面が溶解することによってaragonite粒子が再沈殿することが明らかになった．