ハイブリッドデスで水不足に備える

KIST は、水熱エネルギーと太陽エネルギーを利用した膜蒸留法を開発しています。 目標は、地域の気候特性に合わせてカスタマイズされた膜蒸留技術を通じてシステム効率を最大化することです。

国家科学技術研究評議会

画像: 膜蒸留組成の違いによる生産量と効率の比較もっと見る

クレジット: 韓国科学技術研究院 (KIST)

きれいな水は人間が生きていくために不可欠です。 しかし、飲料水として利用できるのは淡水のうち3％未満です。 世界気象機関が発行した報告書によると、世界中で約10億人分の飲料水が不足しており、2050年までに14億人に増加すると予想されています。

海水から真水を作り出す海水淡水化技術は、水不足の問題を解決する可能性がある。 韓国科学技術院（KIST、理事長：ユン・ソクジン）では、水循環研究センターのキョン・グエン・ソン博士率いる研究チームが、太陽エネルギーと水熱エネルギーを組み合わせたハイブリッド膜蒸留モジュールを開発した。ヒートポンプを使用して、淡水化プロセス中の熱エネルギー消費を削減します。

逆浸透法と蒸発法は比較的一般的な海水淡水化プロセスです。 ただし、これらの方法は高圧および高温でのみ機能します。 これに対し、膜蒸留法は、膜で隔てられた原水と処理水との温度差により生じる蒸気圧を利用して淡水を製造します。 この手法は、大気圧よりも低い0.2～0.8 barの圧力と50～60℃の温度で真水を生成できるため、エネルギー消費量が少ないという利点があります。 ただし、大規模な運転にはより多くの熱エネルギーが必要です。 したがって、商業運転における熱エネルギーの使用を削減するには、調査研究が必要です。

膜蒸留には、物質の移動と熱 (エネルギー) の移動が同時に含まれます。 駆動力となる蒸気圧差を膜の処理水側に適用する方式により、直接接触膜蒸留（DCMD）とエアギャップ膜蒸留（AGMD）に分けられます。 高エネルギー供給には、高温の原水と低温の処理水を膜表面に直接接触させて水を製造する方式（ＤＣＭＤ）が有利である。 対照的に、低エネルギー供給の場合、原水と処理水が直接接触するよりも、エアギャップによって熱の伝達（熱損失）が低減された方が効率は高くなります（図1を参照）。 したがって、冷たい表面上で凝縮することによって水を生成し、膜と凝縮表面との間に空隙を維持するモード（すなわち、ＡＧＭＤ）が好ましい。

KIST研究チームは、太陽エネルギーと水熱ヒートポンプを利用したシステムの性能と経済性を比較するために1か月間現場で試験を実施し、ハイブリッド淡水化技術を開発した。 このシステムを太陽エネルギーと並行して運転すると、水熱ヒートポンプのみを使用する膜蒸留法と比較して、生産量が 9.6% 増加し (図 2 を参照)、エネルギー使用量が 30% 削減されました (図 3 を参照)。 さらに、太陽エネルギーの有無に応じた熱エネルギー消費量の比較では、太陽エネルギーを追加の熱源として使用すると、膜蒸留プラントのプロセスの効率が最大 17.5% 向上することがわかりました。

ソン博士は、「私たちが開発したハイブリッド淡水化技術は、真水を生成するために必要なエネルギー消費を削減できるため、水不足に直面している一部の工業団地や島嶼地域に水を供給する方法と考えられます。私たちはこの技術が期待されています」と述べています。年間日射量が韓国の1.5倍である中東や東南アジアの重要な水道施設に適用される。」 また、「膜蒸留は原水の水質に大きく影響されないため、水質汚濁により原水の水質汚染が深刻な地域や重金属検出率が高い地域への飲料水の供給が可能になる」と述べた。

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KISTは、科学技術を基盤とした国家発展戦略を策定し、主要産業の発展を促進するためにさまざまな産業技術を普及させることを目的として、韓国初の政府出資の研究機関として1966年に設立されました。 KIST は現在、世界をリードする革新的な研究開発の追求を通じて、韓国の科学技術の地位を向上させています。 詳細については、KIST のウェブサイト https://eng.kist.re.kr/ をご覧ください。

本研究は、科学情報通信部（イ・ジョンホ大臣）の支援を受け、STEAM研究プロジェクトの一環であるBRIDGE融合研究開発プログラムとして実施されました。 成果は力学分野の国際誌「Energy Conversion and Management」に掲載された。

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10.1016/j.enconman.2022.115991

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