清潔に保つ: 脱塩膜のスケール維持に取り組むエンジニア

アン・マニング著

Tiezheng Tong 助教授の研究室は、脱塩プロセス中の膜スケールに関連する問題の解決に取り組んでいます。左から：大学院生のイン・イーミンさん、トン; 学部研究者のロニー・ミンジャレス。研究室の逆浸透システムを使用する大学院生の Yiqun Yao さん。

水を沸騰させると、かつては輝いていたアルミニウム製のやかんの内面に黒い鉱物の堆積物が残ることがあります。少量の酢と重曹でこすり落とせないものはありません。

しかし、別の状況では、これらの見苦しい鉱物の汚れは単に迷惑なだけではなく、さらに数十億ガロンの水を何十億人も利用できるようにする私たちの能力にとって大きな障害となっています。

海水、内陸の汽水、廃水などの塩分を含んだ汚れた水源からきれいな水を抽出する技術である淡水化は、世界中で人気が高まっており、世界中で 18,000 を超えるプラントが稼働しています。これは、逆浸透と呼ばれる物理原理を採用しており、汚れた水が非常に高い圧力で、髪の毛の幅よりも何倍も小さい、目に見えないほど小さな孔を備えた膜に押し込まれます。きれいな水が塩分副産物から分離され、プロセスが再び始まります。

ケトルに形成されるのと同じミネラルスケールがこれらの特殊な膜にも大量に形成され、膜の細孔が詰まり、プロセス全体の効率が大幅に低下します。膜は頻繁に交換または洗浄する必要があるため、コストが増加し、世界中の水不足の課題と戦う上で脱塩技術が主導的な役割を果たすことが妨げられています。

淡水化用途における膜表面の鉱物スケールは高度な技術的な問題であり、コロラド州立大学土木環境工学部助教授 Tiezheng Tong 氏は、過去数年間をかけて解決に努めてきました。

彼と彼の学生たちは、スコット生物工学棟内の研究室で苦労して実験を行い、なぜこのような鉱物のスケールが脱塩中に起こるのか、またさまざまな種類の鉱物のスケールの形成はどのようなメカニズムで引き起こされるのかについての基本的な洞察を明らかにしています。そしてエンジニアたちは解決策に注力する一方で、さまざまな膜を発明したり、水質を犠牲にすることなく膜のスケールに対する耐性を高める新しい添加剤ソリューションをテストしたりするなど、問題に取り組む新しい方法の開発にも忙しい。

「私たちは水インフラが気候変動に強いものであってほしいと思っています」とトン氏は語った。彼はエール大学で環境工学分野の著名な学者であるメナヘム・エリメレク氏の下で博士研究員の職に就いた後、2017年にCSUの学部に着任した。「地表水が枯渇した場合、社会に十分な水を供給するためのバックアップが必要です…これを達成したい場合、鉱物スケールの問題を含む多くの課題に直面します。それは私たちのニッチのようなものであり、私たちがいる場所です」「これらの非常に高い塩分濃度の塩水の処理プロセスに取り組んでいます。これはおそらく、非在来型の資源から水を抽出する中で最も困難な部分の 1 つです。」

Tong 氏は、淡水化と膜科学に関する彼の研究室の専門知識を、国家水イノベーション同盟 (NAWI) に提供しています。NAWI は、エネルギー省主導の 1 億 1,000 万ドルの取り組みで、現在の淡水化技術に関連するさまざまな問題に取り組むために数百人の科学者が結集しています。彼らの目標は、湖、川、帯水層などの干ばつに見舞われた従来の水源から淡水を抽出するのと同等、あるいはそれよりも安価な淡水化技術を実現することです。

CSUの研究者が主導的な役割を果たしてきたNAWIパートナーシップを通じて、トン氏の研究室は最近、ヴァンダービルト大学の研究者らとともに、電気透析に基づく超塩分脱塩ブラインの処理方法の開発を支援する資金提供を受けた。

地方自治体や国にとって、淡水化を実行可能な選択肢にするための課題は重層的です。大規模な逆浸透膜淡水化プラントの建設と維持という点では経済面、そして水処理プロセスで残留する高塩分塩水は重大な影響をもたらすという環境面です。そして水生生態系に悪影響を与える汚染。

Tong 氏は、鉱物スケールという非常に特殊な問題を解決することで、淡水化の全体的なコストが下がり、より多くのプラントが稼動できるようになり、有害な塩水副産物が環境に及ぼす影響などの関連問題の解決に新たなエネルギーをもたらすプラスの波及効果がもたらされる可能性があると考えています。

鉱物スケールの問題は工学的な問題ですが、純粋な化学も関係しており、どの無機分子が表面に形成されるのか、またその理由を正確に理解する必要があります。このようにして、この主題はトンの多面的な研究室にアピールします。

「膜のスケーリングには、理解すべき基本的な問題がたくさんあります」とトン氏は言う。「化学反応、反応速度論、熱力学があります。大学という環境では、私たちは科学の限界を押し広げようとしています。これが、この文脈で働くことへの興奮の一部です。答えを探す前に、解決すべきことがたくさんあります。」淡水化技術が直面している本当の問題を解決します。」

Tong 氏は、膜ベースの水の淡水化を改善するための 3 つの戦略に焦点を当てた研究室を運営しています。まず、技術者らは工業用膜の表面を改変して、さまざまな化学反応を引き起こし、鉱物スケールに対する耐性を高めようとしている。

第二に、彼らはスケール防止剤と呼ばれる特殊な化学物質の使用を検討している。これは未処理の水に少量添加される可能性があり、スケールの形成を妨げる可能性がある。

3 つ目はプロセス革新、つまり最先端の膜脱塩を担う産業システム全体を再考または改善するというアイデアです。

最近、Tong 研究室は、スラスト 2、つまりきれいな水を生成する膜を保護するスケール防止剤を完成させるというアイデアにますます注目を集めています。最上位の『Environment Science and Technology』誌に掲載された彼らの最新の洞察の 1 つは、分子レベルでの 2 つの主要なスケール剤、石膏とシリカの異なる挙動を概説しています。石膏は結晶化プロセスを通じて形成されますが、シリカは重合によって形成されます。これらの異なるメカニズムには、負に帯電しているか正に帯電しているかにかかわらず、異なる化学官能基を持つ 2 種類のスケール防止剤が必要です。

博士課程4年スケール防止研究を主導してきた学生のイーミン・イン氏は、これらのミネラルが膜表面でどのように形成されるかの違いを解明することは、さまざまな塩分や汽水の処理の解決策を達成することが複雑であることを示していると述べた。

「現時点で、我々は石膏とシリカがどのように挙動するかについて基本的な理解を達成しました」とイン氏は語った。「次に話を進めて、それらを軽減するためにどのような戦略を使用できるでしょうか?」

Tong の学生たちは、特に石膏の化学的挙動について新たに得た知識も活用しています。代表的なスケール剤として石膏を使用し、高濃度の石膏が存在しても熱を加えて純水の回収を達成する別のタイプの脱塩技術である逆浸透と膜蒸留の技術を組み合わせる実験を行っています。

逆浸透は業界標準の手法であり、最も確立された脱塩技術ですが、処理できる水の塩分濃度に関しては厳しい制限があります。言い換えれば、少し汚れていて塩分が含まれている水は問題ありませんが、塩辛い汽水濃縮物が塩分 1 リットルあたり 70,000 ミリグラムに達すると、その水を膜に押し込むのが非常に困難になり、システムが故障します。。このとき、膜蒸留がその仕事を完了するために登場することができます。だからこそ、トン氏のチームは、両方の技術を組み合わせた処理トレインが、より多くのプラントを稼働させ、コストを削減する鍵を握るのではないかと考えています。 Tong のチームは最近、スケール防止剤を適用することにより、石膏を含む塩水からの優れた水回収を達成し、その成果は Journal of Membrane Science に発表されました。

この研究室で働く学部3年生のロニー・ミンジャレス氏は、スケール除去問題に関する2冊の出版物の共著者であり、地球の将来にとって非常に重要な意味を持つ技術に取り組む機会に興奮していると語った。

「水源はますます逼迫しており、淡水化は将来に大きな関連性を持つだろう」とミンジャレス氏は語った。「したがって、これらのテクノロジーはさらに重要になるでしょう。」

このストーリーに付けられたタグ