塩水をより良く浄化するにはどうすればよいですか? 脱塩ツールを乾燥した状態に保つことにより。

USC の研究者は、グリーンまたは低エネルギー投資を使用して高塩分濃度の流れの脱塩を可能にする膜設計について理解を深める

写真/PEXELS、アンナ・ネクラシェビッチ。

アリソン・マクゴーイはシアトルで育ち、南カリフォルニア大学ビタビ工学部博士号を取得しました。 21年、干ばつという日常的な現実に直面することはなかった。 しかし、ロサンゼルスの暑さと乾燥がますます進む砂漠では、水の不足が明らかになり、代替の水解決策を見つける緊急性が高まっています。

Journal of Membrane Science に掲載された研究で、マクゴーイ博士は、南カリフォルニア大学ビタビ・ガビラン特別教授のエイミー・チルドレス氏と協力して、膜蒸留を使用した水浄化プロセス (たとえば、水処理施設での廃水処理) を設計する最適な方法に関する新たな洞察を明らかにしました。 （医学博士）。 MD は、薄く乾燥した多孔質膜を使用して水から塩を分離するプロセスです。 適度な温度差により、水は一方の側からもう一方の側に移動します。

これをよりよく理解するには、はるかに小さな穴が開いたスパゲッティざるを思い浮かべてください。 ストレーナーを通って注がれた水流は、大きすぎてストレーナーの穴 (膜の細孔など) を通過できない水中の特定の物質を「除去」し、ストレーナーの反対側に「きれいな」水流を残します。 それでも、パスタの茹で汁に溶けた塩など、これらの穴より小さいものは通過する可能性があります。 さらに浄化するには、蒸気、つまり純粋な水蒸気だけを収集できたらどうでしょうか? ここで、液体の水ではなく蒸気のみが穴を通過できるストレーナーを想像してください。 そうなると、溶けた塩分も通過できなくなります。 非常に疎水性の高い (水を嫌う) 膜を使用することで、MD を使用して汚染された川から純粋な脱塩水を抽出できます。

温かい高塩分水の流れが膜の一方の側にあり、冷たい純水の流れがもう一方の側にあります。 温められた水は蒸発して塩を残して蒸気を形成し、膜の反対側で冷たい水流と出会うと蒸留液体の形に変わります。 画像/アリソン・マクゴーギー。

研究者らによると、膜蒸留の成功は、膜内に蓄積する水分を低減または除去できる膜の設計に大きく依存しているという。 研究者らによると、膜が濡れた場合、膜の有効性が失われ、処理水の品質が損なわれる可能性があるという。 この目的を達成するために、現在プリンストン大学の博士研究員であるマクゴーイ氏は、過度に湿らないように膜を設計する最善の方法を研究し、水をうまく処理して塩分や汚染物質を除去し、高品質または純粋な流出を作り出しました。

McGaughey氏によると、重要な発見の一つは、膜の孔径を小さくするか、膜自体の厚さを増やすことで耐水性が高まり、精製水流の汚染を遅らせたり防止したりできるということだという。

膜は通常、0.1 ～ 0.5 マイクロメートルの小さな孔を持つ疎水性または耐水性の合成材料でできています。 マクゴーイー氏は、塩分濃度の高い水流の場合、他のプロセス（たとえば、逆浸透と呼ばれるプロセス）は通常、膜蒸留よりもエネルギー効率が高いが、これらのより一般的なプロセスでは、水分子を膜に押し出すために非常に大きな圧力が必要になると述べた。 。 したがって、非常に塩分の多い川を処理するのにはあまり実用的ではありません。

対照的に、膜蒸留を使用すると、逆浸透よりも塩分濃度の高い水をより効率的に精製でき、科学者は、従来の水処理プロセスでは効率的に浄化できないために通常は廃棄されていた塩分濃度の高い廃水を浄化することができます。

問題は、廃水を濾過する膜が過剰に湿ってしまう可能性があることだとマクゴーイ氏は語った。 「逆浸透では、水分子だけが通過できるように非多孔性の緻密な膜を使用しますが、膜蒸留では膜に穴があり、膜が濡れた場合に汚染を引き起こす可能性があります」と彼女は言いました。

膜蒸留を最適化して膜の耐水性を向上

塩と水の化学的性質により、脱塩は本質的にコストがかかり、エネルギーを大量に消費するプロセスです。 研究者らによると、塩は水に容易に溶け、結合を切るのが非常に困難になるという。

「もし私たちに選択肢があれば、まったく淡水化する必要はないでしょう」とマクゴーイー氏は言いました。「しかし、その水はますます必要になっています。」

膜蒸留では、温められた塩分を含む流れが乾燥した膜の片側に配置され、冷たい純水の流れがもう一方の側に配置される、とマクゴーイ氏は述べた。 2 つの流れの温度差が、水を一方の側からもう一方の側に移動させる原動力となります。 純水を塩やその他の汚染物質から分離するために、塩分を含んだ流れ中の水分子は、熱によって液体から蒸気ガスに変化します。

乾燥した膜の細孔の内側には、蒸気の収集を可能にする小さな空隙があり、塩水が温められて蒸発し、塩を残しながら膜を通過するときに発生します。 空隙が小さいため、塩水を蒸気に変えるのに多くの熱は必要ありません。つまり、太陽エネルギーを利用して塩辛い液体を温めることができます。 蒸気は精製水または蒸留物を表し、膜の反対側で冷水によって冷却され、液体に戻ります。

液体の水に対する膜の耐性、つまり耐湿性は、留出液ストリームが汚染されずに実際に精製されていることを確認するための鍵となります。 膜が濡れると、液体の水が廃水または生理食塩水の流れから精製水の流れに混ざり、出力の品質が低下し、場合によっては飲用基準を満たさない水の出力も生成されます。

研究者らは、膜が基本的なレベルでどのようにして耐湿潤性を失うのか、また膜材料の疎水性や孔径によってこれをどのように防ぐことができるのかを解明することが重要だと述べた。

「現在は機能する膜がありますが、塩分濃度が非常に高くなると、膜表面に塩が析出しますが、それは依然として大きな課題です」とマクゴーイ氏は語った。

給水における新たな課題

「高塩分濃度の廃棄物の流れを管理することは大きな課題です。たとえば、産業廃棄物の流れです」とマクゴーイ氏は語った。

「それ（膜蒸留）は、逆浸透よりもエネルギー効率が高くなるわけではありませんが、太陽熱発電や低品位の「廃」熱を利用できるため、グリーンエネルギーに頼ることができます。これは、電気よりも炭素排出量が少ないことを意味します。私たちは逆浸透を推進するために使用しており、それはより高い塩分濃度の流れにも到達することができます」と彼女は言いました。

単一のプロセスが独立したソリューションになるのではなく、膜蒸留が逆浸透を補完するものになる可能性があり、たとえば逆浸透処理の後、下流（さらに水処理プロセス）で使用できるものになる可能性があるとマクゴーイ氏は述べた。

「利用可能な水を最大限に利用するために、逆浸透膜から出てくる拒否された塩水流に膜蒸留を使用できます」と彼女は言いました。

マクゴーイ氏はまた、膜蒸留は地方や非電化地域でも応用できる可能性があると述べた。

2021年10月26日発行

最終更新日: 2021 年 10 月 26 日