| 研究課題/領域番号 |
17K19106
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
田中 秀樹 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (80197459)
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| 研究期間 (年度) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| キーワード | クラスレートハイドレート / 二酸化炭素 / メタン |
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| 研究実績の概要 |
これまでに発展してきたハイドレート熱力学的安定性のための統計力学理論では、与えられた結晶型のハイドレート中の水分子とゲスト分子が入る空洞の数の関係を陽に取り入れて、ゲスト分子の外界との平衡を（従って化学ポテンシャルはハイドレート内と外部で等しい）考慮している（ハイドレートを構成する水分子数と各種のサイズの空洞数の比は、結晶型により一定である）。これまでの理論的取扱いは、ほとんどの場合水－ハイドレート－ゲスト流体の3相平衡の平衡位置などが予測されるのみであった。近年、温度－圧力―組成の空間の中でハイドレートが単独で安定に存在できるある程度広い領域があることが実験的にも確認されてきた。このようなより広い空間でのハイドレートの安定性の理論構築を基盤として、メタンや二酸化炭素ハイドレートの包括的な安定性を議論できるようになることから、組成空間も含めたハイドレートの相挙動の理論的展開を行った。
この組成も含めた安定性の理論は、我々がこれまでに発展させてきた、①圧力を変数とする、②ゲストの存在によるホストの自由エネルギーの変化を取り入れる、③必要に応じて量子論的な自由エネルギーを計算する、に加えて、水－ハイドレートとハイドレート－ゲスト流体の2種類の２相平衡を取り扱うことを可能とした。このようにして、世界で初めて信頼できる力場と統計熱力学的理論で温度-圧力- 組成空間におけるメタンハイドレートの相図を描くことに成功した。その結果、ハイドレートの安定領域は、これまでに考えられていたよりも複雑な形状をしていることが明らかになった。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
世界で初めて信頼できる力場と統計熱力学的理論で温度-圧力- 組成空間におけるメタンハイドレートの相図を描くことに成功した。その結果、ハイドレートの安定領域は、これまでに考えられていたよりも複雑な形状をしていることが明らかになった。
このように、当初計画した、1成分ゲストにおける、全空間での熱力学的安定性の理論構築は完成し、メタンハイドレートに応用されて、極めて良好な結果がえられたことによる。
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| 今後の研究の推進方策 |
二酸化炭素のような球対称からのずれの大きいゲスト分子が空の格子の水分子間水素結合の幾何学的配置と強度を変化、させることを取り入れていないために精度を低下させるという重要な問題が残されている。今後、より実在系に近い条件を理論枠組みに取り入れることにより、この問題を解決する。それにより、二酸化炭素とメタンハイドレートおよびそれらのガスの混合ハイドレートについて、空洞占有の自由エネルギーの計算を実施して正確な占有率と安定性の関係を求める。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
（理由）当初の旅費と人件費は、所属研究所の予算からの支弁が可能となったため。また、計算用のコンピュータについても必要な性能を維持しつつ廉価な機器の購入ができたため。
（使用計画）今年度以降の計算環境の充実に充てる。
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