[S-CG49] 固体地球科学と材料科学の融合が切り拓く新展開

[SCG49-03] CO₂-水-粘土鉱物界面系の接触角と水膜に関する分子動力学シミュレーション

*志賀 正茂¹、森下 徹也²、愛知 正温³、西山 直毅¹、徂徠 正夫¹ (1.国立研究開発法人産業技術総合研究所地圏資源環境研究部門、2.国立研究開発法人産業技術総合研究所CD-FMat、3.東京大学新領域創成科学研究科)

キーワード：CO2地中貯留、濡れ性、分子動力学シミュレーション、水膜

鉱物表面の濡れ性はCO₂地中貯留(CGS)における地層中の流体挙動の重要なパラメータであり、接触角はよく用いられる評価指標の一つである。貯留層の主要鉱物である石英や粘土鉱物などの親水性の鉱物表面上では、非濡れ相と鉱物相の間にナノメートルオーダーの厚みの吸着水膜が形成されることが実験によって知られている。石油工学やCGSの分野では, 水膜のポテンシャルエネルギーをモデル化(拡張Young Laplace式)することで濡れ性変化の重要因子の検討が行われているが、鉱物表面の水和力の定式化やパラメータについては経験的に決められており、物理化学的な意味の解釈も困難である。水和力は表面から1-2nm以内の領域で有効であり、その理解のためには原子スケールでの研究が必要となる。このような背景からMDによる研究も多数報告されているが、接触角や水膜の厚みの評価に留まっており、水膜のエネルギーと接触角の相関について原子レベルでは検証されていない。そこで、本研究ではCO₂-水-粘土鉱物系の分子動力学シミュレーションを実施した。異なる層電荷をもつ粘土鉱物を用い、接触角および水膜エネルギーの相違について検証した。その結果、負の層電荷の増加に伴って接触角は減少し、水膜の厚みは増加する傾向が示された。さらに、CO₂分子が水膜を通過して鉱物表面に接近する過程での自由エネルギー変化を計算した結果、負の層電荷が増加するにつれてCO₂分子が表面に接近するために必要な仕事の量が増加する傾向が見られた。これは界面熱力学モデルでの接触角と水膜のエネルギーの相関と整合的である。これまではこの相関が原子レベルでは検証されていなかったが、今回の計算で明らかにすることができた。さらに、吸着水の構造とダイナミクスに関する解析を通して、従来の連続体モデルでは得られない原子スケールの視点からの新しい知見が得られた。特に、粘土鉱物表面上の吸着水の接続性を通して、層電荷が接触角と水膜の自由エネルギーに及ぼす影響を解釈することができる。