逆浸透については今まで誰もが誤解していました | 南寧ピーコックプライド株式会社

マックス・G・レヴィ

メナヘム・エリメレクは逆浸透膜と決して和解しませんでした。イェール大学の環境工学プログラムを創設したエリメレク氏は、海水や廃水をきれいな飲料水に変える濾過システムを開発する人々の間では、ロックスターのような存在だ。逆浸透はフィルター技術の中でもロックスターであり、約四半世紀にわたって世界の海水の淡水化方法を支配してきました。しかし、それがどのように機能するのかを実際に知っていた人は誰もいませんでした。そしてエリメレクはそれを嫌っていました。

それでも、彼は生徒たちにテクノロジーを教えなければなりませんでした。長年にわたり、彼は海水中の水分子をプラスチックのポリアミド膜を越えて押し出す高圧を推定する方法を示し、膜の片面に純水を生成し、もう片面に塩分濃度の高い塩水を残しました。しかし、これらの計算は、水分子が膜を個別に拡散するという、エリメレクと他の技術者を悩ませた仮定に依存していました。「これはいつも私を悩ませていました。意味がありません」と彼は言います。

これは工学的な難解な質問のように思えるかもしれませんが、エリメレクの逆浸透牛肉は現実世界の問題に基づいています。 30億人以上の人が水が不足している地域に住んでいます。 2030 年までに、需要は供給を 40% 上回ると予想されています。

そして、塩辛い海の水を飲料水に変えるのは常にエネルギーを大量に消費します。エネルギーが豊富な湾岸諸国の古い熱淡水化プラントは、海水を沸騰させて蒸気を捕捉して蒸留します。一連のプラスチック膜に水を通す新世代の逆浸透淡水化プラントは、エネルギー需要を若干削減しましたが、それだけでは十分ではありません。高密度のフィルターに水を押し込むには依然として多くの電力が必要であるため、膜設計のわずかな改善でも大きな効果があります。

4月に発表された研究で、エリメレクのチームは、水が膜をどのように移動するかについてかつては不満に思っていた仮定が実際に間違っていることを証明した。彼らはこれを、水分子がポリマー内の小さな一時的な細孔を通ってクラスターを形成して移動し、通過するときに水分子に摩擦がかかるという「溶液摩擦」理論に置き換えます。その摩擦の物理学は重要であり、それを理解すれば、脱塩をより効率的にしたり、望ましくない化学物質をより効果的に排除したりする膜材料や構造を設計するのに役立つ可能性があるからだとエリメレク氏は言う。

より効果的な膜は都市の水道システムを改善し、淡水化の範囲を拡大する可能性もあります。「これは大きな進歩の一つです」とセントラルフロリダ大学の環境工学者スティーブ・デュランソー氏は言う。彼は教授になる前に15年間淡水化プラントの設計に携わった。「これにより、人々がモデリングを開始する方法や、これらのシステムを設計する方法を解釈する方法が変わります。」

ローレン・グッド

ジュリアン・チョッカトゥ

ウィル・ナイト

「彼らは見事に成功した」と、20年前にエリメレクのもとで訓練を受けたものの、この研究には関与していないUCLAの環境技術者エリック・フック氏も同意する。「ついに、誰かが棺に釘を打ち込んだ。」

新しい解決策と摩擦のアイデアのルーツは、実際には古いものです。その背後にある分子数学は 1950 年代と 1960 年代に遡ります。当時、イスラエルの研究者オラケデムとアハロンカツィルカチャルスキー、カリフォルニア大学バークレー校の研究者クルトサミュエルシュピーグラーは、摩擦、つまりプラスチック膜内の水、塩、細孔がどのように変化するかを考慮した脱塩方程式を導き出しました。互いに対話します。

摩擦は抵抗です。この場合、何かが膜を通過するのがどれほど難しいかを示します。水に対する耐性が低く、塩分やその他除去したいものに対する耐性が高い膜を設計すれば、より少ない作業でよりクリーンな製品が得られる可能性があります。

しかし、そのモデルは 1965 年に別のグループがより単純なモデルを導入したため棚上げされました。これは、膜のプラスチックポリマーが緻密で、水が通過できる細孔がないと仮定しました。また、摩擦が何らかの役割を果たしているとは考えられませんでした。その代わりに、塩水溶液中の水分子がプラスチックに溶解し、反対側から拡散すると推測しました。このため、これは「溶液拡散」モデルと呼ばれます。

拡散とは、化学物質がより濃度の高い場所からより濃度の低い場所へ流れることです。コップ一杯の水に一滴の染料が広がることや、キッチンから漂うニンニクの匂いを思い浮かべてください。濃度がどこでも同じになるまで平衡に向かって動き続けます。ストローを通して水を吸い込むような吸引力のような圧力差に依存しません。

モデルはうまくいきませんでしたが、エリメレクはそれが間違っているのではないかと常に疑っていました。彼にとって、水が膜を通って拡散することを受け入れることは、何か奇妙なこと、つまり水が膜を通過するときに個々の分子に散乱することを暗示しました。「どうしてそうなるの？」エリメレクは尋ねます。水の分子のクラスターを破壊するには、大量のエネルギーが必要です。「水を膜に取り込むには、ほぼ蒸発させる必要があります。」

それでも、フック氏は「20年前、それが間違っていると示唆することは忌まわしいものだった」と言う。逆浸透膜について話すとき、フック氏はあえて「細孔」という言葉を使うことさえしませんでした。なぜなら、主流のモデルがそれを認めていなかったからです。「何年もの間、私はそれらを『相互接続された自由体積要素』と呼んできました」と彼は苦笑いした。

過去 20 年間にわたり、最先端の顕微鏡を使用して撮影された画像により、フック氏とエリメレク氏の疑念はさらに強まりました。研究者らは、結局のところ、脱塩膜に使用されるプラスチックポリマーはそれほど緻密で無孔ではないことを発見しました。実際には相互接続されたトンネルが含まれていますが、それらは非常に小さく、最大で直径約 5 オングストローム、つまり 0.5 ナノメートル程度です。それでも、1 つの水分子の長さは約 1.5 オングストロームなので、水分子の小さなクラスターが一度に 1 つずつ進む代わりに、これらの空洞を通り抜けるのに十分な余地があります。

約 2 年前、エリメレク氏は、解決策の普及モデルを廃止する適切な時期が来たと感じました。彼はチームと協力しました。エリメレクの研究室のポスドクであるリー・ワンは、実際の測定を行うために小さな膜を通る流体の流れを調べました。ウィスコンシン大学マディソン校の Jinlong He 氏は、圧力によって塩水が膜を通過するときに何が起こるかを分子スケールでシミュレートするコンピューターモデルをいじりました。

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溶液拡散モデルに基づく予測では、水圧は膜の両側で同じになるはずです。しかし、今回の実験では、膜の入口と出口での圧力が異なることが判明した。これは、単純な拡散ではなく、圧力によって膜を通る水の流れが促進されることを示唆しています。

彼らはまた、水が相互につながった細孔を集団となって移動することも発見した。細孔は小さいとはいえ、十分に大きいため、水が単一の分子に分散して通り抜ける必要はない。これらの細孔は、加えられた圧力と自然な分子運動のおかげで、時間の経過とともに膜全体に現れたり消えたりするように見えました。

膜の材質に応じて、これらの細孔は水、塩、その他の化合物と異なる相互作用をします。 Elimelech 氏は、技術者は、塩分をよりよく除去する (細孔との相互作用を最大化することで)、あるいは水との摩擦を減らす (細孔が塩に引き寄せられにくくすることで、水が滑り落ちていく) ように膜を設計できるのではないかと考えています。 2 つの分離が容易になるということは、使用する圧力が減り、エネルギーコストが削減されることを意味します。

あるいは、技術者がホウ素や塩化物のような環境に有害な物質を濾過するように膜を調整できるかもしれない、と彼は考えている。海水中のホウ素の約 20 パーセントはホウ酸として膜を通過します。その量は人間にとっては安全ですが、廃水を灌漑している作物にとっては潜在的に有毒です。イスラエルでは、農業に使用される水中のホウ素と塩化物を除去するためだけに、浄水場で特別な解毒措置を講じる必要がある。最初のパスでこれらをフィルタリングできれば、「資本コストとエネルギーを節約できる」と Elimelech 氏は言います。

フック氏は、このアイデアはもっともらしいと考えていますが、まだ実現には至っていません。（彼の同僚は最近、ホウ素を除去するための膜の設計を検討しました。）エンジニアは、チャネルのサイズ、局所的なpH、または膜の細孔の電荷をいじくる可能性があると彼は示唆しています。

そしてこれは、ホウ素、塩化物、さらには脱塩を超える可能性があります。地方公共団体の施設では、逆浸透を使用して、飲料水から有害な PFAS の「永久化学物質」を除去しています。現在の膜は依然として最良のアプローチとみなされていますが、多くの研究者は有毒化合物を捕捉するためのより優れた膜を設計しようと決意しています。

デュランソー氏は、衣服と同じくらい柔軟でカスタマイズ可能な膜、つまりユーザーのニーズに合わせて選択できる膜を夢見ています。結局のところ、メンブレンはプラスチックであり、カスタマイズ性の典型です。おそらく技術者らは、この知識が、PFAS や鉛の除去に優れたポリアミド以外の材料で作られた膜につながるだろうと考えている。あるいは、汽水から塩水まで、水の塩分濃度に応じて膜を選択することになるかもしれません。

それには時間がかかるかもしれない。エリメレク氏は、バイオテクノロジー企業が新薬のスクリーニングに機械学習に注目しているのと同じように、ポリアミドに勝てる膜材料を探すアルゴリズムを使うのが最善ではないかとさえ考えている。「しかし、それは非常に難しいことです」と彼は指摘します。過去 40 年以上、これより優れたものを見つけた人は誰もいないからです。しかし、少なくとも現在では、水の流れの科学は明らかになってきています。