「燃える氷」ことメタンハイドレートが形成される新たな仕組みが発見される

白い氷のような外観を持ち、火を近づけると着火して燃焼する「燃える氷」ことメタンハイドレートは、低温で高圧な海中で堆積物に固着した状態で眠っています。いったいどのようにしてメタンハイドレートが形成されるのかについては謎の部分が残されていましたが、最新の研究からその詳細な姿が明らかになってきています。

Effect of Electric Field on Gas Hydrate Nucleation Kinetics: Evidence for the Enhanced Kinetics of Hydrate Nucleation by Negatively Charged Clay Surfaces - Environmental Science & Technology (ACS Publications)
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.7b05477

Burning ice in oceanic clay rich sediment -- ScienceDaily
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180409103858.htm

KAIST discloses the formation of burning ice in oceanic clay rich sediment | EurekAlert! Science News
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/tkai-kdt040918.php

この研究を行ったのは韓国の国立大学KAIST(Korea Advanced Institute of Science and Technology)の研究チームです。土木環境工学科のクォン・テヒョク教授と研究チームは、粘土質が豊富な海洋堆積鉱床の中にある粘土鉱物がメタンハイドレートを含む「ガスハイドレート」の形成を促進していることを発見し、その原理を提唱しました。

メタンハイドレートは、水分子による立体網状構造の中にメタンの分子が安定的に固定されているガスハイドレートの一種で、世界各地の海底に存在しています。中でも西日本の南海トラフ周辺に世界有数のメタンハイドレート鉱脈が存在してることがわかっています。メタンと水の含有比率はおよそ15:85で火を付けると燃える特性を持っており、石油や石炭に比べて二酸化炭素排出量が半分であることから、地球温暖化対策の代替燃料として有望視されているエネルギー源です。

By Nathan Harper

これまで、ガスハイドレートの形成は粘土堆積物の中のみと考えられてきました。しかし、海底堆積物中にもガスハイドレートが生成されるという新たな発見がもたらされたことで、その形成の仕組みに新たな問題が提起されることとなりました。

天然の粘土鉱物の表面は負に帯電しているため、粘土と水との間の物理化学的相互作用が不可避的に生じます。このような相互作用は、粘土が豊富な堆積層における天然ガスハイドレートの発生に重要な役割を果たします。

しかしながら、粘土の分子に存在し表面の電荷バランスをとっている陽イオンが存在するために、ガスハイドレートの形成を分析することは実験的に困難な状況がありました。そのため、粘土粒子は水と混合した際に陽イオンを必然的に放出するため、実験結果の解釈が複雑になっていました。

この限界を克服するために、研究チームは水分子を電場で分極させ、ガスハイドレートを形成する水分子の誘導時間をモニタリングしました。すると、特定の環境下では10kV/mの電界がガスハイドレートの核生成を引き起こすことがわかりました。これは、水素が結合した水クラスターの部分的な破壊と熱エネルギーのために生じるもので、従来考えられていた「核生成スピードの低下」とは逆の結果となっていたとのこと。

クォン氏はこの結果について、「この研究を通じて、粘土分の多い海洋堆積物中におけるガスハイドレートの発生についてのより深い洞察を得ました。近い将来、天然ガスハイドレート堆積物からメタンガスを商業的に生産することができるようになるでしょう」と語っています。