solubility
CCS のための流体 CO2 中の水溶解度：分子論からの理解
我々のグループの新しい論文が出版されました。 工場や発電所から回収した CO2 をパイプラインで運び、地中に貯留する——CCS（CO2 回収・貯留）では、CO2 に混じるわずかな水が厄介者です。水が溶けきれずに析出すると、CO2 ハイドレートという氷のような固体ができてパイプを詰まらせたり、炭酸を含む水が配管を腐食させたりします。どんな温度・圧力なら、CO2 はどれだけの水を抱えていられるのか。輸送・貯留で出会う条件は気体から液体、超臨界まで幅広く、実験だけで網羅するのは容易ではありません。 本研究では、分子間相互作用から水の化学ポテンシャルを計算し、流体 CO2 中の水の溶解度を、CO2 の輸送・貯留に関わる広い温度・圧力範囲で見積もりました。得られた溶解度は実験値や既存のモデル計算とよく一致します。また、水がハイドレートとして析出する条件では、ハイドレートができない（準安定な水溶液と共存する）と仮定した場合に比べて溶解度がさらに下がることも確かめました。 面白いのは、溶解度を表す「単位」の問題です。上の図は、計算した水の溶解度を温度と圧力の関数として示したもので、左は慣例的に使われるモル分率、右はモル濃度（単位体積あたりの水の量）で表しています。モル分率で見ると、気体状態の CO2 を圧縮したときに溶解度が下がるという、一見奇妙な振る舞いが現れます。しかしこれは、圧縮で CO2 分子そのものが増えて分母が大きくなるための見かけ上の効果で、モル濃度で表すと消えてしまいます。モル濃度による表し方は、溶解度の温度・圧力依存性を分子間相互作用の言葉で理解しやすくするだけでなく、水による腐食の駆動力と関連づけやすいという利点もあります。 「どの単位で見るか」を変えるだけで、現象の見え方がすっきりする——統計力学の視点が、ハイドレートによる閉塞や腐食を防ぐ CO2 輸送・貯留技術の基礎データにつながる仕事です。液体 CO2 とハイドレートの相挙動に関する前回の論文とあわせて読んでいただくと、全体像がつかみやすいと思います。 H. Tanaka, M. Matsumoto, T. Yagasaki, M. Takeuchi, and T. Kono, “Molecular Insights into Water Solubility in Fluid Carbon Dioxide for CCS Applications,” Energy & Fuels, 40, 23427–23435 (2026). DOI:10.1021/acs.energyfuels.6c04094
水不純物を含む液体CO2の相挙動：CO2ハイドレートの影響
我々のグループの新しい論文が出版されました。 カーボンニュートラルを実現するには、工場や発電所で捕集した CO2 を液体のままパイプラインで運ぶ方法が有力視されています。しかし、CO2 中にわずかな水が混じっているだけで、パイプの中で氷のような固体——CO2 ハイドレート——が生じ、流れを詰まらせるおそれがあります。輸送条件（温度・圧力）をどう選べば、この「詰まり」を避けられるのか。実験だけでは条件の組み合わせを網羅しきれないため、理論から答えを出す必要があります。 本研究では、液体 CO2 と水（または CO2 ハイドレート）が共存する系において、水と CO2 の化学ポテンシャルを理論計算で求め、液体 CO2 中にどれだけの水が溶け込むかを評価しました。液体水と共存する液体 CO2 中の水溶解度は、CO2 の臨界点近傍を除く広い範囲で温度を下げるほど減少します。さらにハイドレートが形成されると、この減少は一層進みます。温度や圧力を下げたときにハイドレートが生じやすくなる条件と、そのとき析出する水量も見積もり、パイプライン設計に直結するフローアシュアランス（流れの安全確保）への示唆を得ました。 統計力学と分子間相互作用の知識を使って、エネルギー資源や環境工学の現場課題に答えを出す——そんな理論化学の仕事の一例です。水和物や CO2 輸送に興味がある方には、身近な題材かもしれません。 H. Tanaka, M. Matsumoto, T. Yagasaki, M. Takeuchi, Y. Mori, and T. Kono, “Phase behaviour of liquid CO2 with an impurity of water: Influence of CO2 hydrate,” Phys. Chem. Chem. Phys., 28, 15002 - 15014 (2026). DOI:10.1039/d6cp01072e 音声解説
水の二酸化炭素への溶解度
我々のグループの新しい論文が出版されました。 この論文では、液体二酸化炭素（CO2）中への水の溶解度を、水または CO2 ハイドレート（包接水和物）が共存する条件下で、理論計算を用いて研究しました。主要な焦点は、低温・高圧条件下でハイドレートが形成されることによる溶解度の低下を定量的に評価し、その温度および圧力依存性を明らかにすることにあります。この研究は、二酸化炭素回収・貯留（CCS）におけるパイプライン閉塞や腐食といった CO2 大量輸送に伴う実用的な課題に関連する熱力学的特性に貴重な情報を提供します。研究チームは、化学ポテンシャルの計算を通じて、特定の水ポテンシャルモデルの自己分極エネルギーに対する補正を導入することで、実験的に観察される溶解度曲線を高い精度で再現しています。 Tanaka, H. et al. The solubilities of water in liquid CO2 coexisting with water or hydrate. J. Chem. Phys. 163, 124504 (2025) DOI:10.1063/5.0294608
溶解度を再現するイオンモデル
古典的な非極性イオンポテンシャルモデルの多くは、NaClとKClの水への溶解度を大きく過小評価している。本研究では、SPC/E, TIP3P, TIP4P/2005の3つの水ポテンシャルモデルについて、希薄水溶液中の溶解度と水和自由エネルギーを再現するNa+, K+, Cl-のLennard-Jonesパラメータを決定した。また、溶液中のイオン-酸素距離、塩中のカチオン-アニオン距離もパラメータ化しています。目的とする物性に加えて、水和エンタルピー、水和エントロピー、自己拡散係数、配位数、格子エネルギー、溶液のエンタルピー、密度、粘度、接触イオン対の数を計算し、頻繁に使用されている、あるいは最近開発された17種類のイオンポテンシャルモデルと比較した。各イオンモデルの総合的な性能は、もともと水ポテンシャルモデルの比較のために開発されたスキームを用いて、グローバルスコアで表されます。グローバルスコアは、溶解度の予測が非常に優れているだけでなく、他の多くの特性について実験値からの偏差が比較的小さいため、我々のモデルが他の17のモデルよりも優れています。 (DeepLによる機械翻訳) T Yagasaki, M Matsumoto, H Tanaka, Lennard-Jones Parameters Determined to Reproduce the Solubility of NaCl and KCl in SPC/E, TIP3P, and TIP4P/2005 Water, Journal of Chemical Theory and Computation 16 (4), 2460-2473 https://doi.org/10.1021/acs.jctc.9b00941