Tanaka, H., Matsumoto, M., Yagasaki, T., Takeuchi, M., Mori, Y. & Kono, T. Phase behaviour of liquid CO2 with an impurity of water: influence of CO2 hydrate. Phys. Chem. Chem. Phys. 28, 15002-15014 (2026) doi:10.1039/d6cp01072e
地球温暖化を防ぐために、工場や発電所から排出される二酸化炭素（CO2）を回収し、液体状態でパイプラインや船を使って安全な貯留場所まで運ぶ技術の開発が進められています。しかし、運ぶ液体CO2の中に不純物としてわずかに水が混入していると、低温・高圧の環境下で水とCO2が結合し、「CO2ハイドレート」と呼ばれる氷のような固体の結晶ができてしまうことがあります。これがパイプライン内部に付着・堆積すると、配管を詰まらせる原因（フローアシュアランス上の問題）になってしまいます。
この研究では、熱力学的な理論計算を用いて、液体CO2の中に水がどのくらい溶けることができるか（溶解度）や、どのような温度や圧力のときにハイドレートが生成し始めるかを詳細に解析しました(TMY2024, TMYTMK2025)。その結果、液体CO2中の水の溶解度は温度が下がると小さくなり、さらにハイドレートが一度でき始めると水の溶解度が一段と低下することが明らかになりました。
また、輸送中の温度や圧力が変化したときに、どれくらいの量の水がハイドレートとして固化して出てくるのか（析出量）や、ハイドレート生成に必要なエネルギー変化を正確に見積もることにも成功しました。これらの知見は、ハイドレートによる詰まりを未然に防ぎ、エネルギー消費を最小限に抑えた安全なCO2輸送ネットワークを設計するための重要な基礎データとなります。
Abstract
CO2ハイドレートまたは液体の水と共存する液体CO2中における水の溶解度を評価し、液体CO2の輸送プロセスにおいてCO2ハイドレートの生成を回避するための熱力学的条件を調査した。この目的のために、共存に関与するすべての相における水とCO2の化学ポテンシャルを取得する理論計算を実施した。液体の水と共存する液体CO2中の水の溶解度は、CO2の臨界点近傍を除き、広範な温度および圧力範囲において温度の低下とともに減少する。この溶解度の減少は、ハイドレートの形成によってさらに促進される。我々は、水で飽和した液体CO2の温度または圧力が低下する場合について、CO2の地中隔離等において重要な物性であるハイドレート形成のギブズエネルギーを推定した。また、これらのプロセス中にハイドレートとして析出する水の量を推定した。これはCO2輸送における流動確保（フローアシュアランス）に直接関係するものである。本研究は、大規模なカーボンニュートラルの達成を目指す低エネルギーで安全なCO2輸送ネットワークの開発に貢献するものである。(Geminiによる概要の機械翻訳)
The solubility of water in liquid CO2 coexisting with CO2 hydrate or liquid water is evaluated in order to investigate the thermodynamic conditions to avoid the formation of CO2 hydrate in the transportation processes of liquid CO2. To this end, theoretical calculations have been carried out to obtain the chemical potentials of water and CO2 in all the phases involved in their coexistence. The solubility of water in liquid CO2 coexisting with liquid water decreases with decreasing temperature over a wide range of temperature and pressure, except for in the vicinity of the critical point of CO2. The decrease in the solubility is further enhanced by the formation of hydrate. We estimate the Gibbs energy of hydrate formation, which is an important property for sequestration of CO2, for cases where the temperature or pressure of water-saturated liquid CO2 decreases. We also estimate the amount of water precipitated as hydrate during these processes, which has a direct bearing on flow assurance in CO2 transportation. The present study will contribute to the development of a low-energy, safe CO2 transport network aiming at achieving large-scale carbon neutrality.
research papers paper2026 CO2 clathratehydrate solubility thermodynamics CCS