CSU の科学者が浄水技術に関する重要な洞察を明らかに

アン・マニング著

左はオムニフォビックメンブレンを表し、右は水と空気の界面面積が増加した従来の疎水性メンブレン（緑色の線）を表します。クレジット: コタラボ

水不足が世界中で重大な課題となっているため、科学者や技術者は、海水や廃水などの非在来型の水源から精製水を採取する新しい方法を追求しています。

それらの研究者の 1 人は、土木環境工学科の助教授 Tiezheng Tong であり、彼の研究室では膜蒸留と呼ばれる新興技術を研究しています。

膜蒸留には、「供給水」と呼ばれる高温の不純な液体と「透過水」と呼ばれる低温の精製水の間の蒸気圧差を利用する、薄い撥水膜が含まれます。プロセス中に、水蒸気が膜を通過し、塩分や汚れた供給水から分離されます。 Tong 氏によると、膜蒸留は、脱塩水や水圧破砕からの生成水などの極度に塩分濃度の高い水を処理できない逆浸透などの他の技術よりも優れています。

膜蒸留は有望ですが、完全に機能するわけではありません。重要な課題は、きれいな水の汚染をゼロにしながら効率的に水を浄化する膜を設計することです。

Tong 氏と機械工学科の材料科学者 Arun Kota 氏は、その完璧な膜の設計の背後にある基礎科学を解明するために協力しました。 Nature Communications に掲載された新しい実験で、CSU のエンジニアたちは、膜蒸留に使用される特定の膜設計が他の膜よりも優れている理由についての新しい情報を提供しています。

「私たちの論文から得られた基本的な知識は、微多孔質基材内での水蒸気輸送に関する機構の理解を改善し、膜蒸留で使用される膜の将来の設計を導く可能性を秘めています」とTong氏は述べた。

膜蒸留では、供給水を加熱し、揮発性の違いによって純粋な成分と不純な成分を分離します。微多孔質膜は水蒸気は通過させますが、不純な液体全体は通過させないため、セットアップの重要なコンポーネントです。通常、膜は水蒸気のみを通過させ、供給水に対する障壁を維持するために、「疎水性」または撥水性の材料で作られています。

しかし、シェールオイルで生成された水などの供給水は表面張力が低い可能性があるため、これらの疎水性膜は機能しなくなる可能性があります。この低い表面張力により、供給水が膜の細孔を通って漏れ、反対側の純水を汚染します。この現象は膜の湿潤と呼ばれます。

これまでの研究では、「オムニフォビック」膜（水や表面張力の低い液体を含むすべての液体をはじく膜）を使用すると、蒸気と水の分離が損なわれないことが明らかになっていました。しかし、オムニフォビック膜は通常、膜を通過する水蒸気の速度と量を遅くし、プロセス全体の効率を劇的に低下させます。

CSU の研究者らは、疎水性膜とオムニフォビック性膜の間にこのトレードオフが存在する理由を解明することに着手しました。コタ研究室の博士研究員ウェイ・ワン氏とトン氏の大学院生シュエウェイ・ドゥ氏が主導する研究室での体系的な実験を通じて、従来の疎水性膜がより大きな液体と蒸気の界面領域を作り出すことを発見した。これにより、蒸発量が増加します。オムニフォビック膜を使用すると、液体と蒸気の界面がはるかに小さくなることがわかりました。これは、膜の性能の違いを説明します。

実験で使用されたオムニフォビック膜は、余分な粒子を堆積させることなく作成されました。したがって、研究者らは、自分たちの観察が膜の構造変化の結果ではないと判断することができました。

膜蒸留に使用される従来の疎水性膜の断面図。青は水を表します。クレジット: Tong 研究所と Kota 研究所

彼らはトレードオフに対する解決策を提供しませんでしたが、彼らの洞察は膜蒸留を技術として成功させる上での核となる課題を明らかにしました。「問題を徹底的に理解すれば、解決できる余地はあります」とコータ氏は言う。「メカニズムを特定しました。次はトレードオフの問題を解決する必要があります。」

たとえば、優れたオムニフォビシティを備え、同時に液体と蒸気の界面面積が大きいスマート膜は、膜蒸留を堅牢でコスト効率の高い浄水プロセスにすることができます。膜蒸留の効率を高めることを目的として、このようなスマート膜を設計するためにチームによってさらに共同研究が開始されました。

Tong氏は、この研究は表面科学と膜技術という2つの分野の接点で行われたと付け加えた。

「アルンと私は、相互補完的な専門知識を活用して、この作業を体系的に実施しました」とトン氏は語った。「これはキャンパス全体での優れた学際的なコラボレーションの一例です。」

機械工学の大学院生ハメド・バハビ氏と土木環境工学のイーミン・イン氏もこの研究に貢献した。

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