[論文レビュー] Investigation of Six Imidazolium-Based Ionic Liquids as Thermo-Kinetic Inhibitors for Methane Hydrate by Molecular Dynamics Simulation

Mohammad Ebrahim Haji Nasrollahebrahim, Bagher Abareshi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Methane Hydrates and Related PhenomenaEnvironmental Science参考文献 25被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、メタンハイドレートの生成に対して、古典的分子動力学シミュレーションを用いて6種のイミダゾリウム骨格を有するイオン液体（IL）の熱力学的・動力学的阻害特性を調査した。[C2OHmim][f2N]および[C3(OH)2mim][f2N]は、水分子と強い水素結合を形成し、ハイドレート表面への拡散が顕著で、水およびホスト分子の吸着を効果的に妨げるため、メタノールやNaClといった従来の阻害剤を上回る優れた阻害性能を示した。

ABSTRACT

The thermo-kinetic inhibition mechanism of six imidazolium-based ionic liquids (ILs) on methane clathrate hydrate formation and growth is studied in this work using classical molecular dynamics (MD) simulation. The ionic liquids investigated include 1-(2,3-dihydroxypropyl)-3-methylimidazoliumbis(fluorosulfonyl)imide ([C3(OH)2mim][f2N]), 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide ([C2OHmim][f2N]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C2mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C4mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([C4mim][OAc]) and 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate ([C2mim][EtSO4]). Simulations showed that [C2OHmim][f2N] and [C3(OH)2mim][f2N] are strongly hydrated compared to other ILs because of hydrogen bonding between OH groups of the cation and water molecules. They also exhibit high diffusion rates towards crystal surface and bond to it through strong intermolecular interactions. As a result, these two ILs are stronger thermo-kinetic inhibitors for formation and growth of methane hydrates compared to other ILs studied in this work as well as conventional inhibitors like methanol and NaCl. The simulations also revealed that cations of [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] show that the presence of ions near the hydrate crystal causes hindrance for water and guest molecules adsorbing on the hydrate surface, which inhibits the growth of hydrate crystals. In addition, it is shown that [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] are more likely to inhibit hydrate formation.

研究の動機と目的

• 6種のイミダゾリウム骨格を有するイオン液体がメタンクラシックハイドレートの生成および成長に与える熱力学的・動力学的阻害性能を評価すること。
• これらのILがハイドレート核生成および結晶成長をどのように分子レベルで阻害するかのメカニズムを理解すること。
• メタノールやNaClといった従来の阻害剤と比較して、ILの阻害効率を評価すること。
• ハイドレート阻害性能を向上させるILの構造的特徴を同定すること。

提案手法

• 6種のイオン液体と水分子の相互作用を、メタンを含む環境下で古典的分子動力学（MD）シミュレーションによりモデル化した。
• ILイオンがハイドレート表面へ向かう拡散を追跡し、その吸着行動を分析した。
• ILカチオンのヒドロキシル基と水分子との間の水素結合相互作用を定量的に評価し、水和強度を測定した。
• ハイドレート表面への水およびメタンホスト分子の吸着度合いをモニタリングし、成長阻害効果を評価した。
• イオンの分布および径方向分布関数を用いて、ハイドレート界面近傍におけるイオンの空間的整列状態を分析した。
• 得られた結果を、メタノールやNaClといった従来の阻害剤と比較して、相対的な性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6種のイミダゾリウム骨格を有するイオン液体は、分子レベルでメタンハイドレートの核生成および成長速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 カチオン側鎖に存在するヒドロキシル基は、水和および阻害効率を向上させる役割を果たすか？
• RQ3 ILイオンがハイドレート表面へ向かう拡散速度と、その阻害性能との相関関係は何か？
• RQ4 これらのILは、ハイドレート表面への水およびメタン分子の吸着をどの程度妨げているか？
• RQ5 これらのILの阻害効果を、定量的にメタノールおよびNaClの阻害効果と比較するとどうなるか？

主な発見

• [C2OHmim][f2N]および[C3(OH)2mim][f2N]は、ヒドロキシル基と水分子との間の水素結合により、顕著に強い水和を示した。
• これらの2つのILは、全研究対象のイオン液体の中で、ハイドレート結晶表面への拡散速度が最も高かった。
• [C2OHmim][f2N]および[C3(OH)2mim][f2N]のカチオンは、ハイドレート表面と強い分子間相互作用を形成し、水およびホスト分子の吸着を効果的に遮断した。
• これらのILがハイドレート表面付近に存在することで、空間的およびエネルギー的障害が生じ、ハイドレート結晶成長速度が低下した。
• これらの2つのILは、メタノールやNaClといった従来の阻害剤よりも、ハイドレート生成をより効果的に阻害した。
• シミュレーション結果から、ヒドロキシル基を有するイミダゾリウムカチオンが、優れた熱力学的・動力学的阻害性能を発揮するための重要な構造的特徴であると示唆された。