分子動力学法によるモンモリロナイト層間中の水とイオンの物性評価; 拡散モデルへの反映

Molecular dynamics simulations of physical properties of water and cations in montmorillonite interlayer; Application to diffusion model

四辻 健治*; 舘 幸男  ; 河村 雄行*; 有馬 立身*; 佐久間 博*

Yotsuji, Kenji*; Tachi, Yukio; Kawamura, Katsuyuki*; Arima, Tatsumi*; Sakuma, Hiroshi*

分子動力学シミュレーションによってモンモリロナイト層間間隙中の水分子やイオンの物性を調査した。膨潤挙動や安定な水和状態に対する層間陽イオンや層電荷による影響が最初に評価された。層間間隙中の水分子や陽イオンの拡散係数はバルク水と比較して小さく、層間間隙が広がるにつれてバルク水に近づくことが確認された。推定された層間間隙水の電粘性効果による粘性係数の変化は、1層あるいは2層水和状態において、また層電荷が高い条件において顕著であった。これらのMD計算によって得られた傾向は、既存の実測データや先行するMD計算事例とも整合することが確認できた。さらに、現状の拡散モデルに用いている電粘性効果を表現するモデルとパラメータは、MD計算結果と実測データの比較を通じて改善できることが示された。これらのMD計算によって得られる分子レベルでの現象理解は、圧縮モンモリロナイト中の拡散モデルの開発と改良に有益な情報を与えるものである。

Molecular dynamics (MD) simulations were conducted to investigate physical properties of water and cations in montmorillonite interlayer nanopores. The swelling behaviors and hydration states were firstly evaluated as functions of interlayer cations and layer charge. The diffusion coefficients of water and cations in interlayer nanopores were decreased in comparison with those in bulk water and came closer to those in bulk water when basal spacing increased. The viscosity coefficients of interlayer water estimated indicated a significant effect of viscoelectricity at 1- and 2-layer hydration states and higher layer charge of montmorillonite. These trends from MD calculations were confirmed to be consistent with existing measured data and previous MD simulation. In addition, model and parameter related to viscoelectric effect used in the diffusion model was refined based on comparative discussion between MD simulations and measurements. The series of MD calculations could provide atomic level understanding for the developments and improvements of the diffusion model for compacted montmorillonite.