淡水化研究
Desalination Research
By Isadora Rivera-Janer
https://psci.princeton.edu/ 2022.07.08
２枚の図があるが、容量不足になる可能性があるのですべて省略した。
淡水化とは何か？どのように行なわれるか？
淡水化は、世界で最も古い水処理方法の1つである。名前が示すように、淡水化では塩水を淡水に変換する。淡水は、ほとんどの生物にとって飲料可能な形態である。淡水はほとんどの生物にとって飲料可能な形態である。塩水とは、海水のように塩分濃度が高い水を指す。塩分濃度はppm(「百万分の１」)で測定される。現在、水の種類は次のように分類される。
● 淡水 － 1,000 ppm未満
● わずかに塩を含む水 － 1,000 ppmから3,000 ppm
● 中程度の塩を含む水 ― 3,000 ppmから10,000 ppm
● 高塩分水 － 10,000 ppmから35,000 ppm
数十年にわたって淡水源が不足するにつれて、多くの国で淡水化が採用されるようになった。淡水化は、水を沸騰させてから凝縮液を捕集することで水から塩分を取り除くというかなり単純な方法に思えるが、人口に十分な供給をするために必要な大規模でそれを行なうには、かなり費用がかかり、困難である。今日では、より大規模な淡水化プラントを作るために、多くのプロセスが使用されている。
最も使用されている淡水化システムは逆浸透である。塩水溶液に圧力をかけ、それを半透膜に通すことで成り立っている。これにより、水(溶媒)は通過できるが、塩(溶質)は通過できない。水は塩分の多い所から少ない所へと勾配を描いて膜を通過する。淡水が優先されるため、塩分の多い溶液は最小限に抑えられる。
もう1つの方法は蒸留である。蒸留では水を蒸発するまで加熱し、その後凝縮して淡水にする。
淡水化にはあまり一般的でない方法がある。凍結では、海水を低圧の冷凍庫に入れ、塩水の上に氷の結晶を形成して分離する。フラッシュ蒸発では、細かい水滴の形で飽和圧力以下のチャンバーに入れる。これらの水滴の一部はすぐに蒸気に変換され、後で凝縮して淡水化水になる。残りの水は、前者よりも低い圧力のチャンバーに入り、このプロセスを繰り返す。水和物形成では、塩水に炭化水素を加えて複雑な結晶水和物を形成し、後で分離して淡水化水を得る。電気透析では、電流をイオン溶液に流す。陽イオンは陰極に向かって移動し、陰イオンは陽極に向かう。両電極の間に半透膜を配置し、Na+またはCl-のみが通過できるようにすることで、電解セルの中央に含まれる水が徐々に脱塩され、淡水が生成される。
その影響は？
中国、インド、アメリカ西部など、水不足の地域で人口が増加しているため、淡水化はより普及している。また、気候変動の影響が加速するにつれて、干ばつがより頻繁に発生するため、淡水化の必要性も高まっている。技術の進歩に伴い、淡水化のコストは低下している。国際淡水化協会によると、これにより、世界中で3億人以上が淡水化プラントから水を得るようになった。現在、世界の人口のわずか1％が%水を淡水化に依存しているが、2025年までに14％になると予測されている。おもしろいことに、クウェートは水の使用の100％を淡水化に依存しており、淡水化プラントの使用は1951年に溯る
しかし、淡水化は環境に深刻な問題を引き起こす可能性がある。主要な淡水化の専門家は、このプロセスを成長させるためには、化石燃料を含む大量のエネルギー使用などの問題を解決する必要があると考えている。化石燃料を使用するフィードバック・ループが発生する可能性がある。淡水化に関連する化石燃料の使用により、大気中の温室効果ガスが増加し、地球が温暖化し、淡水化の必要性が高まる。淡水化は、過剰に塩分を含んだ廃水によって海洋生態系に損害を与える可能性もある。廃棄が適切に行なわれない場合、塩分を含んだ水が海の酸素を枯渇させ、海洋生物に害を及ぼす可能性がある。また、植物による水の摂取にも問題があり、海の小さな生物も吸い込まれ、魚の幼生、卵、プランクトンなどが死んでしまう可能性がある。
淡水化はどのような方向に向かっているのか？
この問題に対する解決策の1つは、塩水を資源として再利用することである。スタンフォード大学の研究では、研究者達は電気化学的水塩分解と呼ばれる方法で塩水の成分を分解する装置を設計し、テストした。この方法では、ナトリウムと塩素が他の要素と結合して、水酸化ナトリウム、水素、塩酸などの新しい化学物質が生成される。これらの3つの製品は、それぞれ消臭剤、石鹸、皮革加工の成分など、家庭でよく使われる多くの器具の原料である。これらの製品はいずれも商業利用できないが、この利点は、塩水処理費用の最大3分の１を占める塩水処理費用を削減し、環境への悪影響を回避する方法を視覚化できる点である。
太陽熱蒸発アレイ(SEA)・パネルによる淡水化は、太陽光発電技術の最新開発の1つである。SEAパネルは、数分で設置できる自己完結型の浄水装置で、小規模用途では従来の淡水化方法よりも安価である。2020年、マサチューセッツ工科大学と上海交通大学の研究者は、パッシブ･ソーラー淡水化の方法を発表した。このシステムは、太陽光収集エリア1平方メートルあたり1時間当り1.5ガロン以上の新鮮な飲料水を供給し、水不足地域での水の安全性を保証する。これには、一連の蒸発および凝縮コンポーネントに依存する多層太陽熱蒸留装置が含まれる。平らなパネルを使用して熱を吸収し、その熱を水の層に伝達して蒸発を開始する。次に、蒸発は次のパネルで凝縮する。その水は集められ、蒸気の凝縮による熱は次の層に伝わる。多層蒸発器は、放出された熱が次の蒸発層に流れるようにし、太陽熱をリサイクルしてデバイスの全体的な効率を高める。
風力のような他の再生可能エネルギーも解決策になり得る。オーストラリアでは、風力発電の淡水化プラントがパース市に12年間にわたって毎日約4,000万ガロンの飲用水を供給している。このプラントと他のプラントは地元の風力発電所に電力網に接続されており、全体的なエネルギー・コストを下げると同時に炭素排出量を削減している。
科学者達はまた、藻類を淡水化剤として実験し始めている。アメリカ環境保護庁によると、耐塩性藻類の特定の種(塩生藻類と呼ばれる)は、海水や汽水から大量の塩分を吸収することができ、その後、使用済の藻類はバイオ燃料のベースとして使用できる。藻類の吸収だけでは海水や汽水を完全に淡水化することはできないが、藻類処理と逆浸透を組み合わせると、かなりのエネルギーを節約できることが分っている。
もちろん、これらはいずれも小規模であるが、生産コストの着実な削減と、規制要件の厳格化に伴う水処理コストの上昇により、水源として海洋への依存が高まる現在の傾向が加速すると予想される。これにより、世界中の多くの沿岸地域にとって、海水淡水化は信頼性が高く、干ばつに強い代替手段としてさらに確立されるであろう。
技術の進歩により、今後は5年間で淡水化コストが20％、今後20年間で最大60％削減されると予想される。
