膜の密度を均一にすることで、淡水化の効率が大幅に向上する可能性があることが、研究者らによって明らかになりました。
この技術革新は、個人住宅にも大口利用者にも、きれいな水へのアクセス拡大と水道料金の引き下げにつながる可能性があります。
研究者らは、これまで数十年にわたり科学者を悩ませてきた水の淡水化に関する複雑な問題を、ついに解決しました。
この研究により、きれいな水をより低いコストで生産できる可能性があります。
淡水化膜は、塩分やその他の化学物質を水から取り除きます。これは社会の健康にとって極めて重要なプロセスであり、農業、エネルギー生産、飲料用として、膨大な量の水を浄化しています。塩水を通過させると、反対側からきれいな水が出てくる――考え方自体は単純ですが、その仕組みには複雑な要素が含まれており、科学者たちは今もその解明に取り組んでいます。
この研究チームは、DuPont Water Solutionsと提携し、この謎の重要な側面を解明しました。きれいな水の生産コストを削減する道を開いたのです。研究者らは、淡水化膜は密度や質量分布にばらつきがあり、それが性能の足かせになりうることを明らかにしました。ナノスケールで密度を均一にすることが、これらの膜が生成できるきれいな水の量を増やす鍵となります。
「逆浸透膜はきれいな水を作るために広く使われていますが、まだ分かっていないことが多くあります」と、テキサス大学オースティン校の土木・建築・環境工学学部准教授であるManish Kumar氏は語ります。「水がこれらの膜をどのように通過するのか、実際には説明できませんでした。そのため、過去40年間に行われてきた改良はすべて、いわば暗中模索で進められてきたのです。」
この研究結果は、Scienceに掲載されています。
この論文では、試験した膜の効率が30%～40%向上したことが示されています。これは、エネルギー消費を大幅に抑えながら、より多くの水を浄化できることを意味します。これにより、個人住宅にも大口利用者にも、きれいな水へのアクセス拡大と水道料金の引き下げにつながる可能性があります。
逆浸透膜は、片側に塩分を含む供給溶液に圧力をかけることで機能します。ミネラルはそこに残り、水だけが膜を通過します。非膜式の淡水化プロセスより効率的ではあるものの、依然として多大なエネルギーを必要とし、膜の効率を向上させることで、その負担を軽減できる可能性があると研究者らは述べています。
「淡水管理は、世界中で極めて重要な課題になりつつあります」と、本研究を共同で主導したペンシルベニア州立大学化学工学教授のEnrique Gomez氏は語ります。「水不足や干ばつ――異常気象の激化に伴い、この問題はさらに深刻化すると予想されています。特に資源の乏しい地域では、きれいな水を確保することが極めて重要です。」
この研究は、DuPontの研究者らが、膜の厚みを増すと実際に透過性が高まることを発見したことから始まりました。従来の知見では、膜が厚くなるほど水の透過量は減少するとされていたため、これは驚きでした。
このチームは、2015年にKumar氏が主催した「水サミット」で、現在DuPontの一部となっているDow Water Solutionsと接点を持ち、この謎の解明に意欲的に取り組むことになりました。
研究者らは、ペンシルベニア州立大学の材料特性評価ラボにある最先端の電子顕微鏡を用いて、ナノスケールの膜構造を3D再構築しました。さらに、構造に基づいて水を浄化する効率を予測するため、膜を通過する水の経路をモデル化しました。
アイオワ州立大学、ペンシルベニア州立大学、テキサス先端計算センターの研究者も、この研究に貢献しました。計算の大部分は、TACCのスーパーコンピュータであるStampede2で実行されました。
