水道水より安い淡水を作れる太陽光淡水化システム

 (news.mit.edu)
2 ポイント 投稿者 GN⁺ 2023-09-29 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • MITと中国の研究チームは、太陽光駆動のパッシブ淡水化装置で海水を飲料水に変えつつ、従来設計で繰り返し発生していた塩による詰まりを避けようとしている
  • 新しい装置は、海の熱塩循環に似た渦流を小型装置の中に作り、太陽熱で水を蒸発・凝縮させて淡水を得る
  • 残った塩は内部に蓄積せず、循環し続けて排出されるため、試験中の他のパッシブ太陽光淡水化コンセプトよりも水の生産率と塩分除去率が高い
  • 小型スーツケースほどのサイズに拡大すれば、1時間あたり約4〜6リットルの飲料水を作れ、交換部品なしで数年間稼働できると見込まれている
  • 電気を使わない完全パッシブシステムであるため、送電網のない沿岸地域や小規模家庭の日々の飲料水需要を狙える

太陽光だけで動作するパッシブ淡水化装置

  • MITと中国の研究チームは、海水を飲料水に変える完全パッシブ装置を開発した
  • 装置は自然の太陽光で塩水を温め、水を蒸発させた後、水蒸気を凝縮して飲める水を集める
  • 研究成果は Joule の論文 Extreme salt-resisting multistage solar distillation with thermohaline convection に掲載された
  • システムを小型スーツケースほどのサイズに拡張すると、1時間あたり約4〜6リットルの飲料水を生産できると推定されている
  • この規模と性能では、太陽光で作った水が水道水より安くなる可能性がある

小さな箱の中に実装した熱塩循環

  • 新システムは海の熱塩循環から着想を得ている
    • 海では温度と塩分濃度の差によって水の密度が変わり、この差が地球規模の水の流れを生み出す
    • 海水が空気にさらされると、日光が水を蒸発させ、残った塩が塩分濃度を高めて、より重い水を下へ流れさせる
  • 研究チームはこの現象を小さな装置内で模倣し、塩の排出に活用した
  • 太陽熱と装置の傾きが水に渦流を生み、この流れが水を蒸発層に接触させる一方、塩は沈殿せず循環し続ける

以前の設計の限界と今回の改善

  • 研究チームの以前の設計は、複数段で構成される蒸発器と凝縮器を使っていた
    • MITの建物の屋上で試験した設計は、太陽エネルギーを水の蒸発に効率よく利用した
    • しかし、残った塩が数日で結晶として蓄積し、システムを詰まらせた
    • 実環境では利用者が各段を頻繁に交換する必要があり、総コストが大きく増える可能性があった
  • 後続の設計では、水と残った塩を循環させる機能を追加し、塩の沈殿を防いだ
    • ただし、水の淡水化速度は比較的低かった
  • 最新設計は2つのアプローチを組み合わせている
    • 複数段の蒸発器・凝縮器構造を維持する
    • 各段の中で水と塩の循環を強化する
    • 高い水の生産率と高い塩分除去率の両立を目指す

装置の構造と動作方式

  • 中核となる単位は、薄い箱状の単一段である
  • 上部には太陽熱を効率よく吸収する暗色の材料が置かれている
  • 内部は上側と下側の区画に分かれている
    • 上側区画の蒸発層は、太陽熱で直接接触した水を温めて蒸発させる
    • 下側区画の凝縮層は、水蒸気を空冷で凝縮し、塩を含まない飲料水にする
  • 研究チームは箱全体を大きな空の容器の中に傾けて配置し、箱の上側から容器の下側へつながるチューブを取り付けたうえで、容器を塩水の上に浮かべた
  • この構成では、水が自然にチューブを通って箱の中へ上がり、傾きと太陽熱が組み合わさって内部に小さな渦を作る

試験結果とコスト推定

  • 研究チームは1段、3段、10段のプロトタイプを作り、さまざまな塩分濃度の水で性能を試験した
    • 試験対象には自然の海水と、海水より7倍塩辛い水が含まれていた
  • 試験結果をもとに、各段を1平方メートルに拡大すれば、1時間あたり最大5リットルの飲料水を生産できると計算した
  • システムは塩を蓄積せず、数年間にわたって水を淡水化できると計算されている
  • 電気を使わない完全パッシブシステムで寿命も長いため、米国で水道水を生産するコストより低い運用コストが可能だと推定されている

適用可能性と外部評価

  • 拡張された装置は、小規模な家族の日々の飲料水需要を満たせる量の飲料水をパッシブに作れる
  • 海水にアクセスしやすい送電網のない沿岸地域の水供給源として活用できる
  • University of Texas at AustinのGuihua Yuは、このアプローチが淡水化分野の主要課題を緩和し、高塩分の水の問題を抱える地域に特に有利だと評価した
  • モジュール式設計は家庭用の水生産に適しており、個別の需要に合わせた拡張性と適応性を提供できる

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1件のコメント

 
GN⁺ 2023-09-29
Hacker Newsのコメント

  • この革新そのものをけなすつもりはありませんが、淡水化における大きな難題の一つは、たいてい高塩分の濃縮水である排水をどう処理するかだと理解しています。
    海に戻して捨てると、地域の生態系を乱す可能性があります。関連するScientific Americanの記事もあります: https://www.scientificamerican.com/article/slaking-the-world...
    「過剰な塩分は水中の溶存酸素を減らし、海底の動物を窒息させる」「海洋生物に害を及ぼすだけでなく、極端な塩分濃度は水を淡水化すること自体をより難しく、より高価にする」

    • 通常、塩分濃度は4倍程度に増えるだけです。排出比率を25%と仮定すれば、という意味です。なので濃縮水の排出は非常に局所的な環境問題であり、遠くまで広がるものではない点は考慮すべきです。
      必ずしも未解決問題とは呼びません。駐車場を造るほうが、より大きく生態系を乱すこともあります。
    • Western Australiaにあるこの淡水化プラントの濃縮水排出ディフューザーの写真を見るとよいです: https://www.watercorporation.com.au/Our-water/Desalination/P...
    • 実際には、水が浅く、あまり動かない場所でだけ難しい課題です。もう少し沖合へポンプで送り出せば、文字どおり塩分を希釈するための海全体があります。
      例えばCalifornia沿岸は、クリーンな太陽光・風力エネルギーも豊富で、淡水化できる太平洋全体にアクセスできる州なので、本来なら水不足がないはずの場所ですが、海岸から数マイル出るだけで水深が急に深くなります。そこでは、望んだとしても測定可能な形で海水の塩分濃度を変えるのは難しいでしょう。
      だから解決策は配管とポンプです。コストは増えますが、それ以外は完全に解決可能な問題です。地下水や帯水層のような自然の水源を枯渇させることも影響が大きいです。適切な淡水化は、ストレスを受けている生態系の一部に回復の機会を与える可能性もあります。
    • 議論を呼ぶかもしれませんが、人々の飲料水問題を解決することには、一部地域の海洋生物の環境を悪化させることより価値がある、と受け入れるのが最善の解決策かもしれません。
    • 私たちのすることはすべて環境に影響します。水だけを取り除き、塩は取り除かないことで海の一部を少しだけ塩辛くするというのは、かなり些細な問題に聞こえます。

  • このプロセスで作られる水が、飲用水に必要なミネラルを欠いた蒸留水に近いとしても、十分に安く拡張可能なら、India、アラブ圏の国々、北アフリカ諸国は、こうしたきれいな水を地下に注入し、自国に残る少ない淡水と混ぜられるのではないかと思います。
    1日1億リットルの生産規模でシステムを構成し、内陸の地下へポンプで送れば、地球が必要なミネラルを加えてくれる間に、地下水位を十分に補充できるはずです。
    こうした水で、本来なら不可能だった場所に木を植えることもできるでしょう。

    • その通りです。希望的観測に見えるかもしれませんが、砂漠化の問題はあまりに巨大なので、考えられる処方は何であれ、第一原理からアプローチして実現可能性を検討すべきです。
      受動的な淡水化は、乾燥環境で地域生態系を自立可能な水準までブートストラップする方法になり得るのでしょうか？

  • 「水道水より安い」という表現は紛らわしいです。淡水化を使っている島で育ちましたが、それこそが私たちの水道水でした。

    • その通りで、カテゴリーミスのように見えます。淡水化は生産方式で、水道は供給方式です。
    • 水道水の圧倒的大多数がそのカテゴリに属さないことは、理解しているのだと思います。
    • そろそろインターネットは、2つ目のタイトルやサブタイトルを導入すべき時期です。昔のように、その記事が何についてのものか説明できるようにすべきです。
      1つ目のタイトルはクリックを釣ってもいいです。より良いクリックベイトも欲しいですが、いったい何が起きているのかも知りたいのです。「無制限の無料飲料水を生産！」=>「太陽熱蒸留装置から塩分残留物を除去」

  • なぜ3〜4年ごとに、新しくてより安い淡水化の発明がニュースに出てくるのでしょうか？

    • 水と食料は生存に絶対不可欠な要素です。Metaが新製品を出しても無視できますが、水不足は無視できません。
      ほとんどの国が深刻な水ストレスの問題に取り組み始めています。特に、季節がもはや以前のパターンに正確には従わなくなっているため、なおさらです。突発的な干ばつはほぼすべての給水を麻痺させ得ますし、過度な地下水の汲み上げは地盤を沈下させます。Chinaで地盤沈下のためにランダムなシンクホールが発生している問題を見ればわかります。
      現代的な水の淡水化はかなり新しい部類なので、技術的に成長の余地があります。より良いシステムに関する特許という面でも魅力的で、市場も常に存在します。
    • 水は重要です。
    • こういうニュースをそのくらいの周期で目にする感じはありますが、実際に商業的に可能になったり、大規模に使われたりしている例も見ていますか？
    • 乾燥した国や地域にとっては重要なニュースです。

  • Nestle Strawman Inc.が今その特許を買いました。知的財産権侵害を認める国がもっと増えて、技術発展が栄えてほしいです。

    • Chinaはそういう面ではかなりうまくやっています。
    • ああ、本当ですか？ 楽観が消えていきます :|

  • たまった塩を洗い流すって？ 天日塩は1ポンドあたり3ドルくらいで売られています。

    • Amazonでざっと確認したところ、精製・結晶化・ブランド化された食品グレードの塩を玄関先まで配送してもらう価格が、1ポンドあたり約3ドルです。
      その需要はかなり限られています。1ポンド1.50ドルで買えるからといって、塩をどれほど多く使うでしょうか？
      一方で、この装置が作るのは「濃縮海水」です。もともと海水に含まれていた藻類、魚の排泄物、プラスチック汚染物などがすべてそのまま入っています。
    • その規模でやると、市場に供給があふれて価格を下げそうです。実際に需要のある地域と取引することはできるでしょうが、古代の海底堆積層からブルドーザーでただ掘り出している人たちと競争しなければなりません。
    • その塩を乾かして販売用に準備するにはエネルギーが多く必要です。
    • 塩の沈殿物は装置を詰まらせ、塩を収穫するには労働力が必要です。塩を排出すれば、装置は何年も受動的に作動できます。

  • これを「ブラックボックス」として見ると、太陽という熱源がすべての水を温めることになります。水の10%が蒸発して貯蔵区画で凝縮するとすれば、残りは従来の3.5%の塩分濃度に0.35%分だけさらに塩辛くなり、熱は保持します。
    10%を排出して冷たい3.5%塩分濃度の海水で置き換え、排出が向流熱交換器を通れば、蓄えられた熱は保持され、追加された0.35%の塩分は些細な排出物として拡散するでしょう。
    最大の問題は、藻類や浮遊性の海洋生物がすぐに増殖し、すべての表面を塞ぐことです。海水・淡水の水槽をやったことがある人なら、これが問題になるとわかるはずです。このシステムは藻類の問題、さらには海水でよく見られる貝・ムール貝・フジツボの幼生の問題が出るまでは動くでしょう。

  • 元論文や設計をどこで見つけられるか知っている人はいますか？

  • このシステムが特許出願されているかどうかから調べてみます。今すぐ検索はできませんが、現実世界で成功する可能性を少しでも信じるには、特許と関連スタートアップへのライセンス供与が最低限のステップとして必要です。