(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩石と実環境に即した溶液とが貯留される収納容器と、
前記収納容器に収納された岩石の温度を設定する温度制御手段と、
前記収納容器にバルブを介して接続され、二酸化炭素ガスを圧入する二酸化炭素ガスタンクとを備え、
前記岩石は、二酸化炭素を地下に貯留するために調査される場所から採掘されたものであり、
前記温度制御手段は、前記収納容器に収納された岩石の温度を実環境に応じた温度に設定し、
前記収納容器には、前記二酸化炭素ガスタンクから前記バルブを介して圧入された二酸化炭素ガスが溶解した二酸化炭素飽和溶解溶液が貯留され、前記バルブが閉じて前記収納容器外部から遮断された状態で当該二酸化炭素飽和溶解溶液に前記岩石が浸漬される
ことを特徴とする岩石の浸漬反応装置。
【請求項２】
請求項１に記載の岩石の浸漬反応装置において、
前記二酸化炭素ガスタンクには、ピストン及び該ピストンの変位量を測定する歪みゲージ式変換器が設けられ、
前記収納容器には、当該収納容器内の圧力を測定する圧力ゲージが設けられている
ことを特徴とする岩石の浸漬反応装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の岩石の浸漬反応装置において、
前記収納容器内には、磁力により回動する攪拌子が設けられている
ことを特徴とする岩石の浸漬反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多種類の鉱物からなる岩石、あるいは粉末化させた岩石を酸性溶液に浸漬させた際の反応を検証する浸漬反応装置に関し、特に、二酸化炭素溶解溶液を浸漬させた岩石の反応を検証することで二酸化炭素地中貯留における実環境への影響の評価に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を緩和するために様々な取り組みがなされており、例えば省エネ化や、二酸化炭素（以下；ＣＯ２）の排出を抑制することなどが行われている。このような取り組みの一つとして、工場や発電所等から排出されるＣＯ２を地中に貯留して（ＣＯ２地中貯留）ＣＯ２の排出量を削減する技術がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＣＯ２地中貯留の実施の際には、ＣＯ２は地下の帯水層に圧入され、帯水層に含まれる地下水は貯留されたＣＯ２の影響により酸性のＣＯ２飽和溶解溶液へと変化することになる。ＣＯ２飽和溶解溶液はＣＯ２の圧入停止後においても、長期間に亘り地下に貯留され、地下水中に混入して来る。ＣＯ２が地中貯留された岩盤内、周辺の地下水は酸性になり、周辺の帯水層中の地下水を構成する岩石では化学反応が生じ、人間が利用する地下水資源に影響を及ぼし、人間の普段の生活へ影響が及ぶこととなる虞があるため、ＣＯ２との反応によってのみ溶出しやすくなる元素を特定すること・溶出メカニズムを解明することが急務の課題となっている。
【０００４】
このような検討は実際に試験的にＣＯ２を地下に圧入し、圧入を停止してから一定期間経過後、地中貯留されたＣＯ２飽和溶解溶液により変化した地下の岩石を採取し、採取した岩石の態様を観察することで可能である。しかしながら試験的とは云え地下数百メートルにＣＯ２を貯留し、貯留後から長期間地下水、岩石を採取し、ＣＯ２の影響のみを明らかにするには、多大な費用と地下水、岩石を実環境のままで採取する技術が必要となり、多くの問題が発生する。
【０００５】
更に、ＣＯ２地中貯留を行う場所やＣＯ２を貯留する深度によって、地下の温度・圧力が様々であり、同種の岩石にＣＯ２飽和溶解溶液を反応させても、温度環境の異なる場所の岩石の状態を再現することができない。このため、ＣＯ２地中貯留の際に、温度や圧力の条件が異なる種々の実環境に応じて、地下の岩石がどのように変化を正確に把握できないのが現状であった。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２３７１６７号公報（請求項７等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、酸性溶液と岩石とを実環境の状況に応じて反応させる試験を実施できる岩石の浸漬反応装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の岩石の浸漬反応装置は、岩石と実環境に即した溶液とが貯留される収納容器と、前記収納容器に収納された岩石の温度を設定する温度制御手段と、前記収納容器にバルブを介して接続され、二酸化炭素ガスを圧入する二酸化炭素ガスタンクとを備え、前記岩石は、二酸化炭素を地下に貯留するために調査される場所から採掘されたものであり、前記温度制御手段は、前記収納容器に収納された岩石の温度を実環境に応じた温度に設定し、前記収納容器には、前記二酸化炭素ガスタンクから前記バルブを介して圧入された二酸化炭素ガスが溶解した二酸化炭素飽和溶解溶液が貯留され、前記バルブが閉じて前記収納容器外部から遮断された状態で当該二酸化炭素飽和溶解溶液に前記岩石が浸漬されることを特徴とする岩石の浸漬反応装置にある。
【０００９】
請求項１に係る本発明では、収納容器に収納される岩石は、収納容器外部の雰囲気とは遮断された状態でＣＯ２飽和溶解溶液に浸漬される。これにより、収納容器に収納された岩石は、温度、圧力、雰囲気条件を地下の実環境と同等の条件で浸漬させることができるため、ＣＯ２が地下に貯留される地層においてＣＯ２飽和溶解溶液との相互作用によって生じる岩石の変化を実験室内の収納容器内で再現することができる。本明細書、特許請求の範囲に記載の岩石とは、固形状の岩石及び岩石を粉砕した粉末を総称したものである。
また、本発明では、収納容器に収納された岩石は、温度制御手段により、実環境と同じ温度が掛けられる。これにより、実環境において生じる酸性溶液と岩石との反応を収納容器内で高精度に再現することができ、実環境において酸性溶液が岩石へ与える化学的影響を明らかにすることが可能となる。
なお、請求項１に係る岩石の浸漬反応装置において、温度制御手段により設定される「実環境に応じた温度」は、当該温度よりも高い温度、あるいは当該温度よりも低い温度であってもよい。具体的には、実際にＣＯ２地中貯留のために地中に圧入されるＣＯ２によって地中温度が貯留前の温度より上昇すること、あるいは地下水中への溶解に伴い降下することが予想されるため、これに応じた分だけ「実環境に応じた温度」よりも高い温度、あるいは低い温度にする。
このように、温度制御手段が「実環境に応じた温度」よりも高い温度、あるいは低い温度で温度設定すると、収納容器に収納された岩石は、実環境前後の温度で酸性溶液に曝される。これにより、岩石と酸性溶液の間で生ずる相互作用を温度の違いによって引き起こされる傾向として捉らえることができ、実環境において生じる反応を収納容器内で明らかに起こる現象として予測することが可能となる。
二酸化炭素を地下に貯留するために調査される場所としては、ＣＯ２が地下に貯留される地層などがある。
【００１０】
請求項２に係る本発明の岩石の浸漬反応装置は、請求項１に記載の岩石の浸漬反応装置において、前記二酸化炭素ガスタンクには、ピストン及び該ピストンの変位量を測定する歪みゲージ式変換器が設けられ、前記収納容器には、当該収納容器内の圧力を測定する圧力ゲージが設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る本発明では、収納容器内の溶液に溶解した二酸化炭素ガスの溶解量が得られる。
【００１２】
請求項３に係る本発明の岩石の浸漬反応装置は、請求項１又は請求項２に記載の岩石の浸漬反応装置において、前記収納容器内には、磁力により回動する攪拌子が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る本発明では、攪拌子により二酸化炭素飽和溶解溶液が攪拌される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の岩石の浸漬反応装置は、酸性溶液と岩石、あるいは岩石を粉砕し粉末状にした供試体とを実環境の状況に則して反応させることができる岩石の浸漬反応装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
〈実施形態１〉
以下本発明の実施形態例を図面に基づいて説明する。図１には本発明の一実施形態例に係る岩石の浸漬反応装置の全体構成、図２には二酸化炭素が地下に貯留された状態の概略断面、図４には浸漬反応装置内の岩石の変化の態様を示してある。なお、図示の実施形態例は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。
【００１８】
図１に基づいて浸漬反応装置の全体構成を説明する。
【００１９】
図１に示すように、収納容器１０が設置されている。収納容器１０は内部に任意の形状の岩石、あるいは岩石を粉砕した粉（以下；供試体２０）が収納されるように形成された円筒形状の容器である。供試体２０は収納容器１０に収納できる形状に任意に整形され、収納容器１０に収納されている。収納容器１０の開口には、温度２００℃まで耐えることのできるバイトンゴム（登録商標）製のＯリング１３が取付けられ、蓋１１が収納容器１０の開口を塞いだ状態でＯリング１３を介して係止されている。収納容器１０及び収納容器１０に係止された蓋１１の外周にはリング状の固定部材１２が嵌合されている。なお、収納容器１０及び蓋１１は、耐熱・耐酸腐食の合金、例えばニッケルを主成分とするハステロイ（登録商標）で形成されている。
【００２０】
収納容器１０の底部には、攪拌子１５が配置されており、攪拌子１５はマグネティックスターラ（図示せず）の磁力により回動し、収納容器１０に貯留された酸性溶液であるＣＯ２飽和溶解溶液４１を攪拌する。
【００２１】
メッシュ台１６は、供試体２０を支持するものである。具体的には、メッシュ台１６は平板部材である台座部と、台座部に取付けられた複数の脚部とから構成されている。
【００２２】
メッシュ台１６の台座部の上面には、供試体２０が載置され、台座部の下方には、攪拌子１５の回動を阻害しない程度の空間が形成されている。また、台座部には、厚さ方向に貫通する貫通孔が複数個設けられており、攪拌子１５により攪拌されるＣＯ２飽和溶解溶液４１の通り道となっている。この貫通孔は、ＣＯ２飽和溶解溶液４１の攪拌を円滑にするために設けられている。
【００２３】
蓋１１には配管３１が挿通され、収納容器１０には配管３１を介してＣＯ２ガスタンク３０が接続され、ＣＯ２ガスタンク３０にはＣＯ２ガス４０が充填されている。所定の圧力でＣＯ２ガスタンク３０に充填されたＣＯ２ガス４０は配管３１を通って収納容器１０の内部に圧入される。また、配管３１にはバルブ３２が介装されている。
【００２４】
収納容器１０内にあらかじめ用意された実環境に即した溶液が貯留されており、バルブ３２が開放されると、収納容器１０内にＣＯ２ガス４０が圧入され、当該溶液にＣＯ２ガス４０が溶解してＣＯ２飽和溶解溶液４１が作成される。所定のＣＯ２ガスが圧入された後にはバルブ３２は閉止される。これにより収納容器１０内部には、バルブ３２を開放しない限りＣＯ２飽和溶解溶液４１の出入りができない閉鎖環境が構築される。なお、ＣＯ２ガスの溶解量はＣＯ２ガスタンク３０に取り付けられたピストンの直径とピストンの変位量をひずみゲージ式変換器によって計算する。
【００２５】
収納容器１０内の圧力は、ＣＯ２ガスタンク３０に圧入されたＣＯ２ガス４０の圧力で、圧力値は圧力ゲージ１４により測定して表示し、記録する。
【００２６】
さらに収納容器１０には、内部に収容された供試体２０の温度を実環境に応じた温度に設定する温度制御手段としての温度制御装置５１が備えられている。温度の制御は収納容器１０の外周のヒータ５０により行われ、ヒータ５０は温度制御装置５１からの制御信号に基づいて任意の温度に設定され、供試体２０の温度を所定温度に設定する。温度制御装置５１が設定する供試体２０の所定温度は、実環境に応じた温度と実環境前後の任意の温度が用いられる。実環境に応じた温度としては、例えば、供試体２０を採掘した場所における採掘前の供試体２０の温度の実測値であり、温度の影響を明らかにするために、実測値より高い温度と低い温度を用いる。
【００２７】
上記構成の岩石の浸漬反応装置では、供試体２０は蓋１１によって密閉された収納容器１０の内部に収納され、ＣＯ２ガスタンク３０からのＣＯ２ガス４０が貯留された後、バルブ３２が閉止される。これにより、供試体２０は、収納容器１０の外部からの影響を受けることなくＣＯ２飽和溶解溶液４１に浸漬される。
【００２８】
このように、収納容器１０外部から遮断された状態で供試体２０はＣＯ２飽和溶解溶液４１に浸漬されるので、供試体２０とＣＯ２飽和溶解溶液４１との化学反応以外の要因によって、ＣＯ２飽和溶解溶液４１の状態、例えばｐＨや圧力に影響が及ばない。岩石の浸漬反応装置を用いた試験は、ＣＯ２飽和溶解溶液４１による供試体２０の反応と、まったく同じ温度、圧力条件でＣＯ２を含まない溶液による供試体２０の反応とを比較することでＣＯ２飽和溶解溶液４１の供試体２０に与える化学、物理的影響を調査することで成り立つ。ＣＯ２地中貯留を想定した場合、供試体２０がＣＯ２飽和溶解溶液４１に浸漬され続ける状況を収納容器１０の中で再現することで、ＣＯ２地中貯留においてＣＯ２が地中貯留される地下の環境に与える環境影響を検討し、評価、予測することができる。
【００２９】
また、温度制御装置５１の制御によりヒータ５０が所望の温度に調整され、収納容器１０に収納された供試体２０の温度が実環境に応じた温度に維持される。例えば、ＣＯ２地中貯留を想定した場合、貯留される深度の温度環境に応じた温度に供試体２０の温度を維持する。これにより、実環境に則して供試体２０のＣＯ２飽和溶解溶液４１による反応状況を収納容器１０の中で再現できる。さらに、貯留したときの温度の上昇、漏洩した場合の温度の低下なども考慮して、貯留前の所定の深度の温度（実環境での温度）とは異なる、前後の温度も収納容器１０の中で再現できる。
【００３０】
また、収納容器１０のＣＯ２ガス４０の圧力は、ＣＯ２ガスタンク３０により実環境に応じた圧力に維持されている。例えば、供試体２０を採掘した場所における水圧を供試体２０の間隙に掛かる水圧の実測値としてＣＯ２ガス４０により作用させることができる。
【００３１】
図２に基づいてＣＯ２地中貯留の状況を説明する。
【００３２】
図２に示すように、地表から不透水層１０２を貫通して帯水層１００に達する縦穴１０１が掘削され、地上には、ＣＯ２を縦穴１０１に圧送する圧送装置１０３が設置されている。帯水層１００は地下水が存在する地層であり、圧送装置１０３によりＣＯ２飽和溶解溶液が帯水層１００に圧送されて貯留され、不透水層１０２により地上への流出が阻止されている。
【００３３】
例えば、工場や発電所から排出されるＣＯ２が圧送装置１０３により縦穴１０１から帯水層１００に圧送されると、ＣＯ２は超臨界状態となり水と同様な程度の粘性で水に比べて密度が大きい物体となり、その場に留まり地中に貯留される。この状態では反応は生じないが貯留したＣＯ２が移動を始めた場合、ＣＯ２は周辺の地下水に溶け、地下水は酸性溶液であるＣＯ２飽和溶解溶液となる。酸性溶液と岩盤の反応では方解石の溶解、斜長石の溶解などの溶解反応が生じ、岩石の間隙が大きくなり、地下水が移動し易くなる。
【００３４】
ＣＯ２を地下に貯留する場所によっては、岩石１０４の温度は様々であり、また、帯水層１００の深度によっては、岩石１０４に掛かる圧力も様々である。上述した浸漬反応装置は、このように実環境によって異なる温度・圧力を再現して供試体２０（図１参照）にＣＯ２飽和溶解溶液を浸漬するので、岩石１０４で生じる化学反応を実環境に則して精度よく再現できる。
【００３５】
本実施形態に係る岩石の浸漬反応装置により、供試体２０に一定期間ＣＯ２飽和溶解溶液４１を浸漬した後、収納容器１０から取り出した供試体２０は、組成、色、間隙率、密度、比表面積等に関して試験前の供試体の物性との比較のために用いられる。試験前後での組成や物性を比較することで、ＣＯ２により多大な影響を受ける供試体２０であるか否かを判断することができる。他に、ＣＯ２地中貯留のために地中に圧入されるＣＯ２によって地中温度が貯留前の温度より上昇すること、あるいは地下水中への溶解に伴い降下することが予想されるため、実環境の前後の温度を用いた試験を行うことで、任意の温度における元素の溶解速度を見積もることが可能となり、ＣＯ２地中貯留時に起こる多様な温度変化とその後のＣＯ２上昇時に起こる温度の降下現象にも応じたＣＯ２環境影響の測定が可能となる。
【００３６】
また、図２に示す岩石１０４がＣＯ２飽和溶解溶液に浸漬されると、ＣＯ２飽和溶解溶液中のカルシウム（Ｃａ）やマグネシウム（Ｍｇ）等が溶液に対して過飽和となり、地下水に溶解したＣＯ２が減圧により脱ガスをするならば、地下水はアルカリ性となり、あるいはＣＯ２飽和溶解溶液が他のアルカリ地下水と混合するならばＣＯ２飽和溶解溶液のｐHは酸性からアルカリ性へと変化し、次第にＣＯ32-が形成され炭酸塩鉱物が晶出し不透水層１０２の割れ目や間隙を塞ぐと考えられる。
【００３７】
このような場合、図３（ａ）に示す供試体２０の割れ目又は間隙２０ａには、温度低下と圧力低下させることにより、図３（ｂ）に示すように炭酸塩鉱物２０ｂが晶出する。したがって、上述した岩石の浸漬反応装置では、岩石１０４の割れ目や間隙が炭酸塩鉱物により塞がれることを、実環境に則して精度よく再現でき、岩石１０４の割れ目や間隙がどの程度の期間で塞がれるかを評価することができる。
【００３８】
〈他の実施形態〉
実施形態１では、ＣＯ２溶液に岩石を浸漬させるべく一つの収納容器１０を用いたが、本発明ではこのような形態に限定されない。図４は、他の実施形態に係る岩石の浸漬反応装置の全体構成図である。なお、実施形態１と同一のものには同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３９】
図４に示すように、２つの収納容器１０には、それぞれ供試体２０が収納されている。一方の収納容器１０には実施形態１と同様にＣＯ２ガスタンク３０が接続され、他方の収納容器１０Ａには蒸留水タンク３０Ａが接続されている。蒸留水タンク３０Ａには蒸留水が貯留されており、収納容器１０Ａ内に蒸留水４１Ａを供給できるようになっている。
【００４０】
かかる構成の浸漬反応装置では、収納容器１０，１０Ａは共に温度制御装置５１により同一の温度に制御されるようになっており、また、所定の圧力が掛かるようになっている。したがって、収納容器１０に収納された供試体２０は、ＣＯ２飽和溶解溶液４１に浸漬され、収納容器１０Ａに収納された供試体２０Ａは蒸留水４１Ａに浸漬される。すなわち、ＣＯ２を含む溶液による変化と、ＣＯ２を含まない溶液とを比較することができ、ＣＯ２溶液が岩石に与える影響を評価することができる。
【００４１】
このように、本発明の岩石の浸漬反応装置は、複数の収納容器を具備し、そのうち一方の収納容器では二酸化炭素を含む溶液で供試体を浸漬し、他方の収納容器では二酸化炭素を含まない溶液で供試体を浸漬することで、供試体への二酸化炭素の影響をより詳しく調査することもできる。例えば、実環境において酸性溶液に浸漬された供試体と同等の条件、あるいはその前後の条件の下で、酸性溶液に浸漬されて反応を起こした供試体を取り出すことができる。これにより、実環境でＣＯ２飽和溶解溶液の影響だけで地下の岩石がどのように化学、物理的に変化するかの分析ができることになる。
【００４２】
なお、各収納容器１０，１０Ａに異なる温度を設定してもよい。例えば収納容器１０を相対的に低温に、収納容器１０Ａを相対的に高温に設定することができる。これにより、地中の多様な温度環境をより柔軟に模擬することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、酸性溶液を岩石に浸漬させた際の反応を検証する浸漬反応装置の産業分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態例に係る岩石の浸漬反応装置の全体構成図である。
【図２】二酸化炭素が地下に貯留された状態の概略断面図である。
【図３】割れ目が設けられた岩石を収納する浸漬反応装置の概略図である。
【図４】本発明の他の実施形態例に係る岩石の浸漬反応装置の全体構成図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，１０Ａ        収納容器
１１            蓋
１２            固定部材
１３            Ｏリング
１４            圧力ゲージ
１５            攪拌子
１６            メッシュ台
２０，２０Ａ        供試体
３０            二酸化炭素（ＣＯ２）ガスタンク
３１            配管
３２            バルブ
４０            二酸化炭素（ＣＯ２）ガス
４１            ＣＯ２飽和溶解溶液
５０            ヒータ
５１            温度制御装置
１００            帯水層
１０１            縦穴
１０２            不透水層
１０３            圧送装置
１０４            岩石
【図１】
0004993198.tif 000002
【図２】
0004993198.tif 000003
【図３】
0004993198.tif 000004
【図４】
0004993198.tif 000005