淡水化システムは水道水よりも安価な淡水を生産できる
Desalination System Could Produce Freshwater That Is Cheaper Than Tap Water
By Jennifer Chu
https://news.mit.edu/ 2023.09.27
MITのエンジニアと協力者は、他の設計で問題となる塩分による詰まりを回避できる太陽光発電装置を開発した。
MITと中国のエンジニア達は、海にヒントを得て太陽の力で働く完全に受動的な装置を使って海水を飲料水に変えることを目指している。本日、Joule誌に掲載された論文で、チームは海水を取り込んで自然光で加熱する新しい太陽熱淡水化システムの設計を概説している。
この装置の構成により、水は渦を巻く渦の中で循環する。これは、海洋のはるかに大規模な「熱塩循環」に似ている。この循環は太陽熱と相まって水を蒸発させ、塩を残す。その結果生じた水蒸気は凝縮され、純粋な飲料水として収集される。その間、残った塩は蓄積してシステムを詰まらせるのではなく、装置内外の循環を続ける。
この新しいシステムは、現在テストされている他のすべてのパッシブ・ソーラー淡水化コンセプトよりも高い水生成率と高い塩除去率を備えている。研究者達はこのシステムを小型スーツケース・サイズに拡大すれば、1時間当り約4～6リットルの飲料水を生産でき、部品交換が必要になるまで数年間は持ちこたえられると見積っている。この規模と性能であれば、このシステムは水道水よりも安い速度と価格で飲料水を生産できる。
「太陽光で生産した水が水道水よりもさらに安くなるのは初めてである。」とMITデバイス研究室の研究科学者Lenan Zhangは言う。研究チームは規模を拡大した装置が、小さな家族の毎日の必要量を満たすのに十分な飲料水を受動的に生産できると想定している。このシステムは、海水が容易に入手できるオフグリッドの沿岸地域にも供給できる。
張の研究の共著者には、MITの大学院生Yang ZhongとFord
工学教授のEvelyn Wang、中国の上海交通大学のJintong Gao、Jinfang You、Zhanyu Ye,
Ruzhu Wang、Zhenyuan Xuなどがいる。
強力な対流
チームの新たなシステムは、ステージと呼ばれる複数の層という同様のコンセプトの以前の設計を改良したものである。各ステージには、太陽熱を利用して流入する水から塩を受動的に分離する蒸発器と凝縮器が組み込まれていた。チームがMITビルの屋上でテストしたこの設計では、太陽エネルギーを効率的に変換して水を蒸発させ、それを凝縮して飲料水にしていた。しかし、残った塩はすぐに結晶として蓄積し、数日後にはシステムを詰まらせた。実際の環境では、ユーザーはステージを頻繁に設置する必要があり、システム全体のコストが大幅に増加する。
その後の取り組みで、彼等は同様の層状構造の解決策を考案したが、今回は流入する水と残留塩を循環させる機能が追加された。この設計により、塩が装置に沈殿して蓄積するのを防いだが、水の淡水化速度は比較的低速であった。
最新の反復では、チームは高い造水率と高い塩除去率の両方を実現する設計に到達したと考えている。つまり、システムは長期間にわたって迅速かつ確実に飲料水を生産できると言うことである。新しい設計の鍵は、以前の2つのコンセプトの組み合わせである。つまり、各ステージ内で水と塩の循環を促進するように構成された、蒸発器と凝縮器の多段システムである。
「我々は海で通常見られるものと同様の、さらに強力な対流を数キロメーターのスケールで導入した。」とXuは言う。
チームの新たなシステムで生成される小さな循環は、海中の「熱塩対流」に似ている。これは、海水の温度(「熱」)と塩分濃度(「塩分」)の違い基づいて、世界中の水の動きを引き起こす現象である。
「海水が空気にさらされると、太陽光によって水が蒸発する。水が表面から離れると、塩分が残る。塩分濃度が高いほど液体の密度が高くなり、重い水は下方向に流れようとする。」とZhangは説明する。「個別の1 km幅の現象を小さな箱で模倣することで、この特性を利用して塩分を分離することができる。」
飲料水の取出し
チームの新しい設計の核となるのは、薄い箱のような単一のステージで、その上には太陽の熱を効率的に吸収する暗い素材が載っている。箱の内部は上部と下部に分かれている。水は上部を流れ、天井には蒸発層が張られており、太陽の熱を利用して直接接触した水を温めて蒸発させる。その後、水蒸気は箱の下部に送られ、そこで凝縮層が蒸気を空冷して塩分を含まない飲料可能な液体にする。研究者は箱全体を大きな空の容器内に傾けて設置し、箱の上部から容器の底までチューブを取り付けて、容器を塩水に浮かべた。
この構成では、水は自然にチューブを通って箱の中に押し上げられ、箱の傾きと太陽の熱エネルギーが組合わさって、水が流れるときに渦を巻く、小さな渦は、塩が沈殿して詰まることなく循環し続けながら、水を上部の蒸発層に接触させるのに役立つ。
チームは1段、3段、10段のプロトタイプをいくつか作成し、天然海水や7倍の塩分を含むさまざまな塩分濃度の水でその性能をテストした。
これらのテストから、研究者達は各ステージを1平方メートルに拡大した場合、1時間当り最大5リットルの飲料水を生産でき、システムは数年間塩を蓄積することなく水を淡水化できると計算した。この長い寿命と、システムが完全に受動的で稼働に電気を必要としないという事実を考慮すると、チームは、システムの全体的な稼働コストは、アメリカで水道水を製造するコストよりも安くなると見積っている。
「この装置は長寿命を実現できることが分った。」とZhongは言う。「これは太陽光で製造した飲料水が水道水よりも安価になる初めての可能性を意味する。これらにより、太陽光淡水化が現実の問題に対処できる可能性が開かれた。」
「これは非常に革新的なアプローチで、淡水化分野における主要な課題を効果的に緩和する。」と、テキサス大学オースチン校で持続可能な水・エネルギー貯蔵システムを開発し、この研究に関わっていないGuihua Yuは語る。「この設計は、塩分濃度の高い水に悩まされている地域にとって特に有益である。モジュール設計のため、家庭用水生産に非常に適しており、個々のニーズに合わせて拡張性と適応性を持たせることができる。」
