ナノスケールCO2による次世代安定地中隔離技術の開発

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26420138
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 植村 豪 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (70515163)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: CO2地中隔離

Outline of Annual Research Achievements

大気中への多量のCO2排出を防ぐ二酸化炭素回収隔離（Carbon Capture and Sequestration, CCS）において，CO2地中隔離が実用化に最も近いCO2削減技術として期待されているが，CO2は浮力によって地下帯水層中を上昇するため，地表へのCO2漏洩リスクを低減させる，社会的受容性の高い地中隔離手法の確立が求められている．
本研究ではCO2をそのまま圧入せず，予めナノスケールまで微粒化することでCO2の浮力を分散させ，最終的には帯水層の多孔質構造中で界面張力によってトラップする安定性の高いCO2地中隔離手法を提案する．本年度は実際に高圧水中でナノスケールCO2液滴を生成して帯水層を模擬した多孔質内に圧入し，ナノスケールCO2液滴の浸透現象についてX線透過計測を用いた連続観察を行った．さらにX線CT計測を用い，多孔質内のCO2分布の三次元可視化も行った．
多孔質モデルは粒径100～250 µmの珪砂によって構成し，またX線透過画像とX線CT計測において水とCO2を判別するため，造影剤(ヨウ化ナトリウム)を水に添加した．水とCO2の体積比1:1，界面活性剤水溶液濃度2 vol%の条件でスタティックミキサーを用いてCO2をナノスケールまで微粒化し，多孔質モデルに注入したところ，ナノスケールCO2がノズル注入口から球状に広がりながら，多孔質モデル内に均一に広がる様子が観察された．比較のために液体CO2のみを注入する実験を行ったところ，ノズルからの浸透方向には異方性があり，さらに多孔質モデル内ではCO2 が不均一に分布しているなど，ナノスケールCO2の浸透が特異な現象を呈していることを明らかにした．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画では，多孔質モデルを保持する高圧容器として従来の厚肉チタン容器の改良により，X線透過性に優れたカーボン繊維樹脂（CFRP）を薄肉チタン容器外周に被覆し，X線の透過性と耐圧強度を両立させ，多孔質モデル内で分布するナノスケールCO2をX線CT計測で明瞭に可視化することを想定していた．しかしX線CTによる三次元計測ではなく，X線透過画像による二次元計測に特化させ，ナノスケールCO2浸透過程のリアルタイムの可視化計測を実現した．その結果，ナノスケールCO2と通常の液体CO2では，多孔質モデル内における浸透挙動が大きく異なることを明らかにした．
また浸透したナノスケールCO2は，約4mm/minと非常に遅い速度ながらも浮力によって上昇する様子が観察された．従来の実験では空隙内の浸透挙動に着目していたため，微小な多孔質モデルを用いており，このような浮上挙動は観察されていなかった．しかし，本実験ではスケールの大きな多孔質モデルを用い，マクロスケールでの可視化計測を行った結果，ナノスケールCO2がこれまでの実験結果とは異なる挙動を呈することが明らかになった．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究により，微小な多孔質モデル内に注入したナノスケールCO2は安定してトラップされることが示されている一方，大きな多孔質モデル内ではナノスケールCO2がゆっくりと浮上することが明らかになった．しかし，ナノスケールCO2の粒径が空隙と同程度まで成長すれば，界面張力によってトラップされることが考えられる．このため，多孔質モデルの空隙径や注入するナノスケールCO2の粒径などをパラメータとした実験を行い，CO2浮上挙動の差異を明らかにする．
また，現在は均質な多孔質構造のみを用いているが，実際の帯水層には空隙径や空隙率が局所的に異なる不均質構造や，濡れ性の異なる部分を有するため，これらの影響を含めた実験を推進する．その際，CO2のみを注入した場合とナノスケールCO2を注入した場合でそれぞれの浸透挙動を可視化，比較することで，浸透メカニズムを明らかにすると共に，従来手法のCO2地中隔離に対する本提案手法の有効性を示すことを目指す．

Causes of Carryover

X線透過度を向上させるための高圧容器の改造を実施することなく，多孔質内部のナノスケールCO2のリアルタイム可視化計測を実現した結果，容器製作費用分の繰越額が生じた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

繰越分については，平成２７年度はナノスケールCO2および通常のCO2浸透過程をさらに詳細に可視化するため，透過画像によるリアルタイム計測とX線CTによる三次元計測を両立できる可視化容器の導入に用いる予定である．