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クラスレート水和物 / ガスハイドレート / ダブルハイドレート / 天然ガス貯蔵 / エネルギー貯蔵 / エネルギー利用 / エネルギー輸送・貯蔵 / 結晶成長 / 熱工学 / 分子動力学シミュレーション / 熱力学シミュレーション

天然ガスの貯蔵・輸送や新しい冷凍システムの開発等,エネルギー利用に関する新技術の確立に向けて,クラスレート水和物(clathrate hydrates,以下"水和物"と略記)の生成に関する実験的・理論的研究を行なった.特に,分子サイズの異なるゲスト物質が水和物結晶内の異種ケージに区分して包接される"ダブルハイドレート(double hydrates)"の生成に焦点を当て,結晶成長の微視的kineticsから巨視的な多相系の流動と熱・物質移動までを含むマルチスケールの研究を行った.

クラスレート水和物 / ガスハイドレート / エネルギー輸送・貯蔵 / 結晶成長 / 熱工学 / 界面活性剤 / ミセル / 臨界ミセル濃度 / 天然ガスハイドレート / ガス貯蔵

下記項目について研究を実施した.
1.HFC-32/水系についての水和物生成実験および界面張力測定
天然ガスを模擬するゲスト物質としてハイドロフルオロカーボンHFC-32を,界面活性剤として硫酸ドデシルナトリウム(以下SDSと略記)を用い,水和物生成過程の詳細な観察と共に,水和物生成速度(HFC-32ガスの消費速度によって評価)のSDS濃度依存性,さらにHFC-32/SDS水溶液間の界面張力の濃度依存性を系統的に調べた.
2.メタン/水系についての界面張力測定
4MPaまでの圧力条件下で使用できる懸滴法式の界面張力測定装置を製作し,メタン水和物が生成し得る温度・圧力条件のもとで,メタン/界面活性剤水溶液間の界面張力について一連の測定を行なった.界面活性剤としては,SDSに加え,疎水基の大きさが異なる硫酸テトラドデシルナトリウム(STS)および硫酸ヘキサデシルナトリウム(SHS)を使用し,それぞれについて界面張力の濃度依存性と溶解度を決定した.
3.メタン/水系についての水和物生成実験
4MPaまでの圧力条件下において水和物の生成過程を観察し得る装置を製作し,生成挙動を観察すると共に,生成速度(メタンガスの消費速度によって評価)と最終生成量について一連のデータを取得した.界面活性剤としては,SDS,STS,SHSの3物質を用いた.しかし,その後の検討により,試験容器壁面に沿って成長した水和物層が容器へのメタン供給口を塞いでいた可能性があることがわかったため,装置を改良し現在再実験を継続中である.
4.平板状冷却器の設置による水和物生成促進の試み
冷却された金属板を容器内のゲストガス(メタン)気相中より水溶液相中に懸垂させることで,水和物生成速度を増大させることを意図し,容器内に懸垂させることができる平板状冷却器(その内部に冷却液を流すコールドプレート)を製作した.しかし,第(3)項の再実験を優先させることとしたため,この平板状冷却器を用いた生成実験は未だ実施していない.

クラスレート水和物 / ガスハイドレート / 結晶成長 / 物質移動 / 熱移動 / 伝熱 / 地球温暖化 / エネルギー貯蔵 / 蓄熱

本研究は,クラスレート水和物の生成・成長・分解の過程を熱・物質移動論の視点で調べたものである.得られた主な成果を以下に列記する.
(1)水の液相と非水溶性ゲスト物質の液相との界面に生成する膜状水和物層の厚さをレーザー光干渉法によって測定し,厚さの特異な経時変化挙動を見出した.
(2)二平板間の狭隘水路中に形成させたリング状水和物層の顕微鏡観察により,水和物層の性状に対する水流の顕著な影響を明らかにした.
(3)水の定常流に接する水和物層の定常厚さと,水和物層を介しての熱・物質同時移動とを結び付ける理論モデルを構築した.
(4)水中に静止させた疎水性ゲスト物質液滴の形状を解析することで,水和物層生成前と分解後の液-液界面張力を求め,水和物層形成の履歴が界面張力に対し検知し得るほどの影響を及ぼしていないことを確認した.
(5)平行二平板間を満たすTHF(テトラヒドロフラン)の化学量論的水溶液の相内に温度分布を与え,水和物層の成長あるいは分解の挙動を観察した.また,その挙動を伝熱解析によってシミュレートし得ることを示した..
(6)ゲスト物質気相中のスプレーノズルより対向する冷却壁上に水を噴霧させ,冷却壁上において水和物生成と生成熱の除去を同時に行わせる水和物の急速生成システムを考案し,そのシステム内での水和物生成挙動を観察した.

【研究分担者】
泰岡顕治	慶應義塾大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)
大村亮	慶應義塾大学	理工学部	准教授	(Kakenデータベース)