水圧破砕法、いわゆるフラッキングによる石油・ガスの増産は、米国のエネルギー需要を満たすための恩恵とみなされている。しかし、この工程の副産物として、地下深くの岩石から塩分が溶け出すため、海水よりはるかに塩分の濃い水が数百万ガロンも発生する。
このたび、マサチューセッツ工科大学（MIT）とサウジアラビアの研究者らが、この水から塩分を除去する経済的な解決策を見いだしたと発表した。今回の分析は今週、学術誌『 Applied Energy』に掲載された。MITのジョン・リエンハード教授、ポスドクのロナン・マクガバーン氏ら4名が共同執筆した論文である。
石油・ガス井の操業全体を通じて発生する「随伴水（produced water）」を処理する方法として研究チームが提案するものは、数十年前から知られてきた手法である。しかし、石油・ガス井から生じるような極めて高塩分の水への適用は、実現可能な候補とは考えられてこなかった。この技術である電気透析は、「少なくとも50年前から存在している」と、MITの水・食料分野のアブドゥル・ラティフ・ジャメル教授であり、MITのクリーン水・クリーンエネルギーセンター所長、そしてキング・ファハド石油鉱物大学（KFUPM）でもあるリエンハード氏は述べている。
研究チームには、MITの大学院生アダム・ワイナー氏、大学院生ライジ・サン氏、学部生チェスター・チェンバース氏、そしてKFUPMのシード・ズバイル教授も参加した。
「電気透析は一般に、比較的低塩分の水に有利な技術だと考えられている」とリエンハード氏は述べる。これは、多くの地域で見られる、塩分濃度が概ね海水の10分の1程度の、汽水や浅層の地下水などを指す。しかし、今回の新たな分析により、電気透析は塩分スペクトルの反対側の端、すなわち極めて高塩分の水においても経済的に成立することが明らかになった。
超高塩分
化石燃料井戸から生じる随伴水は、海水の3倍から6倍の塩分濃度を持つことがある。今回の研究では、この塩分を電気透析の複数段階を連続させることで効果的に除去できることが示された。
研究者らによれば、この構想は水を飲用可能なまでに浄化することを目的とするものではない。むしろ、その後の井戸に注入される水圧破砕用の流体の一部として再利用できる程度まで浄化し、他の水源から取水する必要量を大幅に減らすことを狙いとしている。
リエンハード氏によれば、純水を作ろうとする場合、電気透析は水の塩分が低くなるにつれて効率が急速に低下する。これは電流が水そのものを通って流れる必要があるためだ。塩水は電気をよく通すが、純水は電気をほとんど通さない。
論文の筆頭著者であり、MIT機械工学科のポスドクであるマクガバーン氏は、提案されたシステムのもう一つの利点として、「除去する塩分量の柔軟性。出力される塩分濃度は任意のレベルに設定できる」を挙げている。また、電気透析システムの導入コストは、随伴水の処理に広く使われている他のシステムと比べて有利になると見られるという。
マクガバーン氏によれば、フラッキング用流体にとって最適な塩分濃度が何かは、現時点では明らかではない。「現時点での大きな問題は、どの塩分濃度で水を再利用すべきかだ」と同氏は述べる。「われわれは、その濃度を制御できる方法を提供している」。
まずはろ過から
脱塩段階に入る前に、研究者らは水中の化学的な不純物を通常のろ過によって除去することを想定している。残る不確実性の一つは、油やガスの微量成分を含む水にさらされた後、電気透析に用いられる膜がどの程度耐えられるかという点である。「この反応について、実験室での特性評価が必要だ」とマクガバーン氏は述べる。
この分析が示すとおりにシステムが機能すれば、農業用水、飲料水、その他の用途から転用する必要がある淡水量を大幅に節約できるだけでなく、掘削現場から廃棄しなければならない汚染水の量も大幅に減らすことができる。
「循環を閉じることができれば」とリエンハード氏は述べる。「淡水を必要とする負担を減らすか、なくすことができる」。特に、すでに水不足に直面しているテキサス州などの主要な石油生産地域では、これが極めて重要になり得るという。
電気透析技術は現在でも利用可能であるが、リエンハード氏によれば、今回の用途には一部の新たな設備の開発が必要になるという。
イスラエルのベングリオン大学で海水淡水化と水処理を研究しており、今回の研究には関与していないジャック・ギルロン氏は、研究チームが「随伴水システムにおける[電気透析]の性能分析に対して、体系的なアプローチの印象的な実証を行った」と評価する。ただし同氏は、「著者らは、このシステムに[電気透析]を実際に適用するためには、スケール付着と有機物による汚れの問題に答える必要があると正しく指摘している」と付け加えている。
本研究は、KFUPM、ヒュー・ハンプトン・ヤング記念フェローシップ、およびMITエネルギー・イニシアチブの支援を受けた。
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著者：デイビッド・L・チャンドラー氏は、1975年から科学について執筆しているフリーランスのライター兼著者である。現在、カリフォルニア大学バークレー校のブルース・マハン化学教授を務める。MITで1966年に化学の理学士号（S.B.）を、ハーバード大学で1969年に化学物理学の博士号（Ph.D.）を取得している。
画像：2013年8月15日、英国南部のバルコムにあるカドリラの掘削現場。REUTERS/Gareth Fuller/Pool
