不飽和岩石中のイオン吸着特性：水膜の役割

• Project/Area Number: 15J09082
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Petrology/Mineralogy/Economic geology
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 西山 直毅 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2016: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 吸着 / 水不飽和 / 電気二重層 / 水膜 / 水飽和率 / 岩石 / 不飽和帯

Outline of Annual Research Achievements

岩石間隙中に水と空気が混在する不飽和状態では，間隙表面に存在する水膜が岩石中の反応（イオンの吸着や，溶解，沈殿）に重要な役割を果たす。鉱物表面へのイオンの吸着量は，電気二重層の構造と密接に関連している。水膜中では，水膜の厚さに応じて電気二重層の重なり合い，イオンの吸着量が変化する可能性がある。しかしながら，イオン吸着量の予測に良く使われるtriple-layerモデルでは，電気二重層が重なっていない状態を想定しており，triple-layerモデルが水膜で覆われた鉱物表面の吸着現象へ適用できるかは明らかではない。そこで，triple-layerモデルを，鉱物/水界面と空気/水界面の二重層の重なりを加味できるように改良し，水膜の厚さの変化によって吸着量がどのように変化するのかを評価した。
改良したtriple-layerモデルを水膜で覆われた石英表面のおけるNa+イオンの吸着へ適用した。水膜で覆われた場合，水で完全に満たされた間隙の表面と比べて，吸着量が減少することが示唆された。pHが中性の条件では，石英表面は>SiOH → >SiO－ + H+で表されるプロトン脱着反応によって>SiO－サイトが形成され，負に帯電する。Na+は静電相互作用によって>SiO－サイトへ吸着する。水膜中の重なった電気二重層では，二重層中のH+濃度が増加するため，H+濃度を減らす方向へ反応：>SiO－ + H+ → >SiOHが起こる。その結果，Na+が吸着できるサイトが減少し，水膜で覆われた鉱物表面ではイオンの吸着量が減少すると解釈できる。以上から，電気二重層の重なりによって表面電荷が変化することが示唆され，不飽和岩石中のイオン吸着量は水膜厚さ（電気二重層の重なり度合い）の影響を受けることが推察される。

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Electrical conductance of a sandstone partially saturated with varying concentrations of NaCl solutions (2017)
  • Author(s): Umezawa R., Nishiyama N., Katsura M. and Nakashima S.
  • Journal Title: Geophysical Journal International Volume: 209 Issue: 2 Pages: 1287-1295
  • DOI: 10.1093/gji/ggx092
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 露頭スケールからナノスケールまでの反応-輸送過程 (2017)
  • Author(s): 横山正，西山直毅
  • Journal Title: 地学雑誌 Volume: 印刷中
  • NAID: 130005893335
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 岩石内部の水の分布-露頭スケールからナノスケールまで- (2017)
  • Author(s): 西山直毅，横山正
  • Journal Title: 地学雑誌 Volume: 印刷中
  • NAID: 130005893334
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transmission IR Micro-Spectroscopy of Interfacial Water between Colloidal Silica Particles (2015)
  • Author(s): Hamamoto, M., Katsura M., Nishiyama N., Tonoue R., and Nakashima S.
  • Journal Title: e-Journal of Surface Science and Nanotechnology Volume: 13 Issue: 0 Pages: 301-306
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2015.301
  • NAID: 130005078462
  • ISSN: 1348-0391
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 石英粒界水における溶存Si拡散特性の評価：岩石の圧力溶解変形への応用 (2017)
  • Author(s): 西山直毅、佐久間博
  • Organizer: 第15回 生命-鉱物-水-大気相互作用研究会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
• [Presentation] 不飽和状態における岩石の溶解挙動－間隙表面の粗さの影響－ (2017)
  • Author(s): 横山正、西山直毅
  • Organizer: 第15回 生命-鉱物-水-大気相互作用研究会
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都・文京区）
• [Presentation] Diffusivity of Si(OH)4 through intergranular fluid: Application to the modeling of pressure solution creep (2016)
  • Author(s): Nishiyama, N. and Sakuma, H.
  • Organizer: AGU Fall Meeting
  • Place of Presentation: San Francisco, California, USA
  • Year and Date: 2016-12-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cs, Fe, Zn含有珪酸塩ガラスの合成とその評価 (2016)
  • Author(s): 小暮 敏博，瀬川 浩代，向井 広樹，市村康治，高橋 嘉夫，西山 直毅
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県・金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-23
• [Presentation] 圧力溶解変形の予測に向けた粒間水中の拡散特性の評価 (2016)
  • Author(s): 西山 直毅，佐久間 博
  • Organizer: 日本鉱物科学会2016年年会
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県・金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-23
• [Presentation] シリカ/水界面における表面電荷：間隙サイズの影響 (2016)
  • Author(s): 西山直毅，福士圭介
  • Organizer: 2016年度日本地球化学会年会
  • Place of Presentation: 大阪市立大学（大阪府・大阪市）
  • Year and Date: 2016-09-14
• [Presentation] 石英粒間水における溶存シリカの拡散特性：圧力溶解変形への応用 (2016)
  • Author(s): 西山 直毅，佐久間 博
  • Organizer: 日本地質学会第123年学術大会
  • Place of Presentation: 日本大学（東京都・千代田区）
  • Year and Date: 2016-09-10
• [Presentation] Effects of pore size, mineral type, and solution composition on water film thickness in rock pores (2016)
  • Author(s): Nishiyama N. and Yokoyama T.
  • Organizer: Goldschmidt conference 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Electrical conductance of pore water in sandstone at low water saturation (2016)
  • Author(s): Umezawa R., Nishiyama N., and Nakashima S.
  • Organizer: Goldschmidt conference 2016
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県・横浜市）
  • Year and Date: 2016-06-26
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Relationship between Reactive Surface Area of Rock and Water Saturation: Importance of Water Film (2015)
  • Author(s): Nishiyama N. and Yokoyama T.
  • Organizer: Goldschmidt conference 2015
  • Place of Presentation: prague
  • Year and Date: 2015-08-16
  • Int'l Joint Research