サバクトビムシ：乾燥した地球を助ける

トルンのニコラス・コペルニクス大学

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クレジット: NCU/Anna Jaszczuk

自然の行​​動にインスピレーションを得て研究を行う科学者の数は増え続けています。 蓮の花には自浄能力があるため、文献によく記載されており、その傾向を示す最良の例と言えます。 研究者たちは、なぜ花がこのように振る舞うのか疑問に思い始め、顕微鏡を使用してその構造を研究することにしました。 したがって、彼らは、この構造が高度に疎水性である、つまり表面に水滴を維持するという結論を導くことができました。 そして、水はゴミの粒子を集めて流れ落ちることでゴミを除去します。 これは、花に水を蓄積させる付着力が弱いことを意味しますが、同時に汚れが水滴に付着しやすく、結果として自浄作用が生じます。 この観察に基づいて、塗装面、屋根瓦、織物などの自己洗浄性の表面が開発されました。

しかし、バラの花びらは異なる構造を示します。 表面が疎水性の花びらに落ちた水滴は、付着して流れ落ちません。 花びら効果は、高い接着性を特徴とする疎水性表面の発達と関連しています。

天井の上を歩くことができるカエルは、別の興味深い事例を生み出します。 ここで、なぜ表面がザラザラした天井から落ちないのかという疑問が生じます。 科学者たちはカエルのつま先の構造を調べて再現することにしました。 現在、同様の解決策が粘着封筒に適用されています。 接着剤は紙製のストラップで保護されており、簡単に剥がすことができます。 それでも、糊が他の種類の紙に触れて封筒が閉じられると、切らずに開封することはできません。

自然はさらに複雑なシステムを作り出しました。 それを例示すると、サバクトビムシの鎧の構造は、親水性と疎水性の両方の二重の性質を示しており、したがって、表面から水を吸収する領域と水をはじく領域が存在します。 この現象により、カブトムシは砂漠などの過酷な環境でも生き残ることができます。 彼らの鎧、特に濡れた砂には何も付着せず、水は疎水性の領域に集まり、それによって彼らは水を飲んで生存することができます。

・あるチャンネルを見ていたら、カブトムシが足で立って朝露を受ける番組を放送していました。 ハブ博士によると、昆虫は霧から水分を得ているという。 ジョアンナ・クジャワ NCU 化学部教授。 - 装甲表面の残りの部分はワックスで覆われているため、水が流れ落ち、カブトムシはそのような過酷な気候でも水を飲んで生き残ることができます。

膜蒸留のプロセスではこのような現象が利用されているため、研究者は溶液を自然界から実験室にどのように移送するかを考え始めました。 - この場合、酵素は化学結合ではなく吸収、つまり表面付着によって膜に取り込まれます - ハブ博士は説明します。 NCU化学部のWojciech Kujawski氏。 ・物理的な吸着の場合、作用する力が弱いため、脱離が起こりやすくなります。

化学結合により耐久性を高めた膜を強化することがすべてです。 膜は時間の経過とともに劣化しますが、別の層を適用して開発された膜の場合よりも劣化が遅くなります。 キトサンは地球上に豊富に存在し、簡単に入手できるため、キトサンの使用は良い解決策であることが判明しました。 キトサンに容易に変換できるキチンは、エビの殻などの殻に天然に存在します。 魚介類の貝殻が山ほどあるのですが、どうしたらよいのかわかりません。 トオルの科学者？ カブトムシの装甲構造を模倣し、保存されているキトサンを再利用できると主張していますが、これはこのテーマに対する複雑な態度です。 これは廃棄物ゼロのトレンドとも一致しています。

キトサンのおかげで水はさらに流れ落ちやすくなり、カブトムシの鎧のワックスのように機能します。 化学者たちは、親水性領域にキトサンを結合させることにしました。

- 膜蒸留では膜表面が多孔質で疎水性であることが必要です - クジャワ教授は説明します。 キトサンを膜に使用した例はたくさんありますが、化学結合によってキトサンを結合した例は誰もありません。 それは私たちに新しい視点をもたらしました。 キトサンを結合すると、キトサンはそのまま残ります。 したがって、接続は安定します。

科学者らはまずキトサンを改変し、それを化学的に膜に結合させた。 現在の研究では、まず膜を改変し、次にキトサンを付着させた。 したがって、膜の親水性が高まり、より多くの水を通過させることができます。

- 同様のテーマに関する論文が発表されていないため、私たちの結果を他の著者の結果と比較するのは困難です - クジャワ教授は言います。 - 修飾された膜にキトサンを物理的に適用した研究者も改善を観察しましたが、私たちの研究ほどの程度ではありませんでした。 これにより、選択したプロセスに合わせて材料を調整することができます。

物理的修飾を行って開発された膜は、キトサンが後で洗い流される（溶出される）ため、使い捨てです。 - 知識を得るために、水の淡水化に使用される化学的に修飾された膜の安定性試験を実施しました。 テストはそれぞれ数日かけて 10 サイクルで実行されました - クジャワ教授は明らかにします。 - わずかな変化には気づきましたが、何も崩れませんでした。

トールの化学者？ また、膜の汚れに対する耐性もテストしました。 研究はフルーツジュースを使用して行われました。 果肉と膜の相互作用により、表面に残留物が集まり、細孔が詰まり、膜は再利用できなくなりました。 しかし、さらに殺菌特性を示すキトサンを含む表面では、まったく異なる相互作用が起こります。 果肉がこびりつかない、あるいはついても薬品を使わずに水流で簡単に洗い流せます。 このソリューションにはさまざまな実用的な用途が考えられます。

NCU の化学者たちは、このテーマに関していくつかの論文を書いています。 最初のものは膜への修飾キトサンの導入に関するもので、Desalination 誌に掲載されました。 修飾膜へのキトサンの導入に関する次の記事は、ACS Applied Materials and Interfaces に掲載されました。

研究は外国のパートナーである教授と協力して実施されます。 アンマン（ヨルダン）のドイツ・ヨルダン大学製薬化学工学部のサマール・アル・ガラブリ氏。 - この協力の一環として、私たちは、幅広い用途向けに制御された特性を備えたインテリジェントな分離材料である、いわゆる「スマートマテリアル」の設計と形成に焦点を当てた共同研究を実施しています - クジャワ教授は言います。

- 彼らの発見により、科学者たちは水を輸送し、塩やその他の不純物をより効率的に保持する膜を開発したいと考えています。 それは明らかに地球上の水不足と関係しているとクヤウスキー教授は説明する。 - ポーランドでは、最大の悲観論者が予想するよりも早く問題に直面するでしょう。 数年前、私はヨルダンでのセミナーに参加しましたが、その中で、水不足は州から見るのではなく、最小の行政単位から見る必要があるという発言を聞きました。 国を小さな正方形に分割すると、水制限の影響を受ける人口の割合が急速に増加していることが突然わかります。 ポーランドでは川沿いに水が利用できますが、20年前にザコパネを訪れたとき、人々が「水を節約してください、川が枯れてきています」という声が聞こえました。 井戸は不純化され、真水源がないため、枯渇と地上水位低下の問題が深刻化しています。

そこで科学者たちは、飲料水を生産するさまざまな方法を模索しています。 現在、膜技術、特に逆浸透技術が主流となっています。

非多孔質膜を使用する逆圧プロセスです。 - 60 barの圧力を加えて水を押し込みます - Kujawski教授は説明します。 このプロセスは逆浸透と呼ばれます。典型的な浸透現象では、水が希釈溶液から濃縮溶液に引き出されるからです。 ここでは、水が濃縮溶液から膜を通して押し出されます。

現在、水保護規制に従って、逆浸透を使用して水を生産する装置は、残留物または濃縮食塩水を処分する必要があります。 かつて、施設は海辺に設置されており、残留物はすぐに水に戻っていました。 現在、生理食塩水を再利用するための他の解決策を見つける必要があります。 たとえば、さらに濃縮して結晶化を開始することもできます。 このようにして生成された塩は、さまざまな工業プロセス、すなわち塩素または水酸化ナトリウムの生成に使用できます。 Toru? 周辺では、W?oc?awek と Inowroc?aw にある 2 つの大きな工場で生理食塩水から塩素が製造されています。

- 食塩水を処理するために、逆蒸留を使用することもできます。これは甲虫への対処の一例である、と Kujawski 教授は言います。 当社では、液体を供給相から受容相に輸送する疎水性の多孔質膜を適用します。また、塩自体は不揮発性であるため、膜の孔を通して蒸発できる成分のみを運びます。

逆浸透は現在適用されている膜技術の中で主流ですが、問題がないわけではありません。 このプロセスの効果として、非常に高い浸透圧が現れることがあります。 逆浸透を適用するには、圧力値が浸透圧よりも高くなければなりません。 これは、最初に浸透圧よりも高い圧力を適用する必要があり、これがプロセスの代償であることを意味します。 しかし、膜蒸留では、プロセス全体がわずかに異なる物理化学的特性に基づいているため、エネルギー的労力は大幅に少なくなります。 蒸留は、太陽電池パネルを効果的に使用できるイタリア、スペイン、ギリシャなどの暑い気候地域に特に適用できます。 人里離れたホテルに水を供給する必要がある場合、屋根にソーラー パネルを取り付けることができます。 パネルは膜蒸留のために水を加熱します。 その結果、一方ではその場所に分配される温水が供給され、他方では冷水が凝縮されます。 したがって、飲料水は安価に生産できますが、生産できる量は限られています。 逆浸透に関する限り、私たちは毎日数百万リットルについて話しています。

さらに、安価なエネルギー源へのアクセスが比較的容易な国では、いわゆる電気透析を使用できます。 このプロセスには、水ではなくイオンの輸送を可能にする特別な種類の膜の使用が含まれます。 カチオンはカソードに向かって移動し、アニオンはアノードに向かって移動し、水が残ります。

廃水の浄化や水のリサイクルに適用できる、いわゆる自然浸透もあります。 水は、希薄溶液から濃縮溶液まで膜を透過します。 次に、プロセス中に希釈される濃縮溶液から何らかの方法で水を回収する必要があります。 この目的のために、追加の方法が使用されます。

プロセスとしては、膜蒸留が 50 年前から知られています。 1970 年代初頭に科学者の注目を集めましたが、商業的に応用されてから 20 年も経たず、戸建て住宅やホテルでの飲料水を製造するための小規模で効率の低い設備でのみ使用されています。 ヨーロッパでは、膜蒸留はアルメリア (スペイン) で最も広く研究されています。 - スペインでは、このプロセスは太陽エネルギーによって動かされています - クヤウスキー教授は言います。 - スペイン人は太陽光線を集め、水だけでなく金属も加熱する巨大な鏡を持っています。 加熱には熱が使用され、さらにさまざまな構成の効率が検査されます。 数年前にその場所を訪れる機会がありましたが、印象的だったことは認めざるを得ません。

化学者たちは、必ずしもポーランドではなく、例えばイスラエルでも人々がすでに海水を飲んでいることを確信させてくれます。 そこでは飲料水を製造するための逆浸透プロセスが実施されました。 モルディブのホテルには膜蒸留システムが装備されています。 「アメリカには、遊牧生活を営む部族が今も存在している」とクヤウスキー教授は言う。 - ある大学の科学者は、スクールバスの屋根にソーラーパネルを搭載し、内部には膜蒸留システムを装備しました。 彼らは移動して、利用可能な水がヒ素などの元素で汚染されている地域を移動する遊牧民のために水を生産します。

膜蒸留によって得られた水は蒸留されており、消費する前に鉱化が必要であることを強調する必要があります。 科学者たちが冗談を言っているように、それは裸であり、服を着なければなりません。

海水からの飲料水の製造に費用がかかるかどうかを見積もるのは困難です。 それはすべて、生産したい量と、どのテクノロジーを選択するかによって決まります。 ペルシャ湾に位置する国々は、海水から飲料水を製造するために最初に開発された、海水を蒸発と凝縮を繰り返す熱法を適用しました。 このプロセスは非常にエネルギーを消費しますが、これらの国における暖房の可能性は膨大です。 その後、1960 年代初頭に最初の膜が開発され、その後すぐに濾過に使用されるようになりました。 「お酒が足りないときは、値段に関係なくそれを手に入れようとすることを覚えておく必要がある」とクヤウスキー教授は要約しています。

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