新しい手法は廃棄物を出さずに海水を飲料水に変える

 (rochester.edu)
1 ポイント 投稿者 GN⁺ 4 시간 전 | 1件のコメント | WhatsAppで共有
  • 太陽熱淡水化システム は、黒色金属パネルで薄い水層を引き上げて太陽放射を吸収し、水を蒸留して、化学添加物や塩水副産物なしに淡水を作る方式
  • 既存の逆浸透膜法と熱蒸留はエネルギー集約的で前処理・後処理が必要であり、海に戻された ブライン が塩分濃度を高め、酸素を低下させて海洋生物に被害を与える構造
  • University of Rochesterの研究チームは、フェムト秒レーザーで刻んだ 超吸液性（superwicking）黒色金属 表面で、活性領域は淡水化を継続し、未処理の側面は残った塩やミネラルを受ける設計を実現
  • 実際の太平洋・大西洋・インド洋の水試料テストでは、コーヒーリング効果 により塩やミネラルを受動領域へ送り、表面を自己洗浄しつつ、パネル効率の低下なく回収可能
  • 同じパネルは塩をほぼ100%固体の形で抽出し、Great Salt Lakeの水試料では淡水化後に残った塩から リチウム約50% を抽出した結果

エネルギー効率の高い淡水化システムは、化学添加物なしに淡水を作り、残った塩を有用物質へ変換

  • UN の推計では、安全に管理された飲料水を利用できない人口は22億人にのぼり、カリフォルニアから中東まで多くの地域社会が海水を淡水に変えるため淡水化施設に依存している状況
  • 逆浸透膜法や熱蒸留のような一般的な淡水化技術はエネルギー集約的で、水の前処理・後処理が必要であり、濃縮された塩水副産物である ブライン（brine） を残す方式
    • ブラインが海に再排出されると、水の塩分濃度を高め、酸素を低下させて海洋生物に被害を与える構造
  • University of Rochester の Institute of Optics 研究チームは、ブラインを残さず、前処理用の化学添加物も必要としない新しい太陽熱淡水化プロセスを開発
  • 技術の中核は、フェムト秒レーザーでエッチングした黒色金属パネルであり、表面は光を非常によく吸収し、水を強く引き寄せる 超吸液性 の特性を持つ
    • レーザー処理された活性領域は、表面上へ薄い水層を引き上げ、ほぼすべての太陽放射を吸収して水を蒸留
    • 残った塩やミネラルは、パネルの未処理の側面、つまり受動領域へ移動し、活性領域を塞がない構造
    • この構造は、塩が活性領域を塞いで連続淡水化を妨げる問題を避けるための設計
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「コーヒーリング」効果の活用と廃棄物の資源化

  • 「コーヒーリング」効果の活用

    • 既存の太陽熱淡水化研究では、水と塩化ナトリウムだけで作った模擬海水という実験室条件でうまく動作した事例がある
    • 水が蒸発すると塩化ナトリウムは粒子状・多孔質の形で結晶化し、水が通過する際に塩を溶かせるため、太陽光パネルも容易に清掃可能
    • 実際の海水は組成がはるかに複雑で、現場テストでは問題が発生しやすい傾向がある
    • マグネシウム・カルシウム系物質のような海水成分は、太陽光パネル表面で硬く非多孔質の殻のように結晶化し、表面を塞ぐ構造
    • これは時間が経つとシャワーヘッドが詰まったり、やかんに水垢が付いたりする現象と同じだが、海水には水道水より数百倍多くの塩が含まれる
    • 研究チームは、黒色金属の溝を精密にエッチングし、海水中のさまざまな塩やミネラルが表面から離れるよう設計
    • コーヒーリング効果 とは、コーヒーの一滴が表面で乾いた後、縁に濃縮したコーヒー粒子の輪が残る現象
    • 同じ原理を使って塩を受動領域へ移動させる方式
    • 太平洋・大西洋・インド洋の水試料テストで、表面が自己洗浄される結果を確認
    • 淡水を抽出しながら、残った塩は受動領域へ送られ、後で回収可能
    • この過程でパネル効率の低下はない

  • 廃棄物を資源へ変換

    • 新しい淡水化手法の明確な利点は、処理または廃棄しなければならないブラインを残す代わりに、塩をほぼ100%固体の形で抽出する点
    • 食卓塩の豊富な供給源になり得るほか、電気自動車や電子機器に使われるリチウムイオン電池の リチウム のような、より価値の高い鉱物の抽出にも活用可能
    • 関連する Journal of Materials Chemistry A 論文 では、同じ超吸液性太陽光パネルを用いて、淡水化の過程でリチウムを他の塩と分離する方法を提示
    • 黒色金属表面の微細な溝に水素チタン酸塩ナノ粒子を入れ、リチウムを他の塩やミネラルから分離する方式
    • Guoは、地表でリチウムを採掘する方法はエネルギーと環境の面で非常に負担が大きいため、塩水から直接リチウムを得る方法が重要な将来の経路になり得るとの考え
    • Great Salt Lakeの水試料を用いた実験では、淡水化後に残った塩からリチウム約50%を抽出
    • 超吸液性淡水化技術は小規模装置の概念実証で示されており、Guoはこの技術が拡張可能で、世界の飲料水アクセスと貴重鉱物サプライチェーンの持続可能性を改善できる技術だと見ている

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1件のコメント

 
GN⁺ 4 시간 전
Hacker Newsの反応

  • 淡水化には根本的な最小エネルギーが必要
    これは、淡水化された水が残った塩水側への浸透圧を受けてピストンを押すときに回収できるエネルギーより少ないエネルギーでは不可能という意味で、この値は大きい
    この論文は熱ベースの方式なので電気入力はないが、効率を主張するなら同じ面積を太陽光パネルに使って既存設備を動かした場合と比較すべき
    限定的な理解では、既存の逆浸透はエネルギーの観点で理論最適にかなり近く、主な難しさは膜の目詰まりを解消しなければならない運用上の問題にある。もちろん逆浸透も雨よりは高価
    ただ、結晶塩を直接作り出す点は興味深く、塩水より体積が小さいため処理しやすく、ひょっとすると価値もあるかもしれない

    • 熱方式にもエネルギーは必要で、この基板は塩を引き寄せる材料よりも太陽熱吸収特性をうまく維持するのに効果があるように見える
      「太平洋、大西洋、インド洋の水サンプルで太陽熱淡水化手法を試験した結果、Guoチームは表面を自己洗浄にできた。つまり、淡水を抽出し、残った塩を受動領域へ送り、後で回収できるようにしながら、パネル効率を低下させなかった」という内容
      これは「大きな」改善というより中程度の改善で、アルベド変化もおそらく限定的であり、面積当たりの太陽エネルギー入力は同じ
      このプロセスのコスト次第では、正味現在価値ベースではほぼ同程度になる可能性が高い
    • これを鉱山排水に適用できるなら、「ひょっとすると価値がある」ではなく、ほぼ確実に価値がある
      硫酸性の廃水湖は地下からあらゆる貴金属を溶かし出すため
    • 純粋なエネルギー効率だけを見ると経済効率を見落としかねない
      逆浸透の淡水化プラントはポンプを回す電力が必要で、その電力は効率15〜20%のパネルで作ることができる
      安価な熱式淡水化パネルを作れるなら、エネルギー効率が6倍低くても優位に立てる可能性があり、高価で壊れやすい淡水化プラントを避けつつ、低技能・分散型の構成が可能になる
    • 塩水はもともとあった場所に再びポンプで戻せるので、処理は非常に容易
      逆に固体の結晶塩のほうが厄介
    • 逆浸透は、どれだけの排水を許容するかによって理論的最小値の2〜4倍程度

  • 論文はこちら: https://www.nature.com/articles/s41377-026-02315-4
    まだガラス容器内での実験室規模で、小さなものですら実際に使えるシステムを作った段階ではない
    大きな主張は目詰まりしない点で、毛細管現象が塩を活性領域の外にある別の領域へ運び、まだ開発されていない何らかのメカニズムがそこで除去するということ。この部分は実証が必要
    数年間、目詰まりせず活性材料の交換なしで動くものを作れれば、本当の進展
    レーザー表面処理はすでに知られた技術: https://www.youtube.com/watch?v=BKYOglHYo_Y
    塗装準備の際に、滑らかな表面を非常に構造化された形で粗くし、最終塗装面を滑らかにするのに有用
    サンドブラストで粗くすると最初の塗装層がやや不規則になり、再度研磨して塗る必要がある
    自動車塗装ではレーザー粗面化が試みられたが主流にはならず、ここでのよい疑問は、市販のレーザー表面処理装置でこの新プロセスの材料を作れるのかという点

    • Panama運河建設を思い出す
      最初の大規模な試みは失敗して放棄されたが、2回目の試みで学ばれたのは、掘ることが最も難しい問題ではなく、土を運ぶことだったという点。本当に途方もない量の土だった
      これに関連して Path Between the Seas は本当に良い本で、手放しがたかった
    • 興味深い技術だが、疑いも大きい
      写真を見ると表面が少し塩で覆われていて、この種のシステムではその少しでさえ多すぎるように見える
      それでもうまく動作し、拡張できることを願う

  • 4日前にコメント20件が付いていた同じUniversity of Rochesterの記事のようだ
    https://news.ycombinator.com/item?id=48349507

  • 「海水を飲み水に変える」最も効率的な方法は雨だと思う
    実質的には、世界最大の太陽光淡水化装置が作った産出物を、もっと上手く集めて運ぶだけでいい

    • 地域によるだろうが、水をゆっくり流すことは淡水を確保する最良の方法の1つ
      斜面に沿って流れ下る速度を遅くすれば植生が増え、その植生も水を保持し、水が地中に浸透する時間が増えて地域の井戸にも役立つ
      砂漠地帯も完全に「テラフォーミング」できる: https://youtube.com/shorts/cfhbtgon4Nk?is=oAExB5UeMAsShBux
    • それでも雨が降らない時はあり、とくに沿岸地域では淡水化能力が非常に重要になることがある

  • Rochester発の研究を見るのはうれしい。RITでもUofRでも近隣の学校でも、学術的には本当に過小評価されている地域

    • UofRの物理学卒業生でLLEでも働いていたが、Rochesterの学校が過小評価されているという点には同意する。もちろん少し偏っているかもしれない
      少なくとも科学分野では、もっと有名な学校では得がたい多くの機会にアクセスできた
      他の場所では難しかったであろう形で人生の基盤を築けた
    • 同じ大学は常温超伝導体も出していたところ
    • RIT同窓生として、だいたい同意する
    • Laboratory for Laser Energeticsにも賛辞を送りたい
    • RITは良い学校としてかなりよく知られていると思う

  • 変な質問かもしれないけれど、除湿機に太陽光パネルを付けて、砂漠以外のどこでも農業灌漑用の非飲用水を大規模に作ることは可能だろうか？ できないなら理由は何だろう？

    • 拡張するにはエネルギーを使いすぎるうえ、水を作る速度が遅すぎる
      一般に、空気中の水分が十分あってこの方式を検討できるような地域は、すでに雨や地下水へより容易にアクセスできることが多い
    • 手短に言えば、そうした問題はすでに解決済み
      Israelは飲料水の75〜85%を淡水化しており、問題は政治的・経済的な機能不全にある
      たとえばCaliforniaは1970年代の技術と原子力で広範な淡水化を行えたし、貯水池や水路も大きく拡張できたが、そうしなかった
      400年代のRomeが、過去の文明が作った水道橋を使いながらも新たに建設する能力を失っていたのと非常によく似ている
    • 「動く」という意味なら、市販の空気から水を得る詐欺の99%がまさにその方式
      実際にうまくいかない理由は、極端に非効率だから。水を凝縮するには莫大な熱をどこかへ捨てなければならず、これは物理的な根本制約
      しかも、除湿機がかなり有効に働く場所は湿潤で、たいてい水不足もそれほど深刻ではない。砂漠は湿度が非常に低いため、除湿機ではほとんど水を作れない
      湿った環境向けの優秀な除湿機でさえ、1日あたりせいぜい10リットル程度の水を作るのにkW級の電力を消費する
      地球上には実質的には砂漠だが、早朝に湿った霧が規則的に入り込む場所があり、そうした地域では冷凍サイクルが発明されるずっと前から空気中の水を集める方法が知られていた
      文字どおり淡水化のほうが安い
      海水で満たした巨大な温室を作り、太陽で蒸発させてから除湿機で集めることも不可能ではないが、それでもなお途方もなく非効率。水は比熱が非常に大きいため、熱で分離する経路はどれも莫大なエネルギーを使う
    • うまく機能しそうな湿潤地域は、すでに水が豊富である可能性が高い
    • どの意味で「動く」のかによる
      市販のどんな除湿機でも十分な量の水は作れないので、結局8万ドル使うことになり、単に給水を頼んだほうがよかったはず

  • 光分子効果を組み合わせれば、エネルギー効率をさらに高められるのではないかと気になる
    https://news.mit.edu/2024/how-light-can-vaporize-water-witho...

  • 以前から、Red Sea沿岸に海水を満たした水路を作り、その水がガラスの天井の下で蒸発して淡水を作り、残った塩は採掘するような仕組みが、なぜ広く存在しないのか不思議だった
    砂 → ガラス → 加熱された海水 → 淡水 + 鉱物 → ??? → 収益化、という構図が成り立ちそうに見える
    ここにマングローブ農園まで組み合わせれば、砂漠の海岸でもより多くの生命を支えられるのではないかと思う
    この技術に拡張性があるのか、水をどれほど速く処理できるのかも気になる。透明な太陽光パネルと組み合わせれば、かなりすごい技術になるかもしれない

    • 少し違うアイデアとして、Red Seaの水を持ってきて濃縮したうえでDead Seaに流し込み、水位の安定化に使おうという構想があった。Dead Seaの水位は大きな問題
      約10億ドルが投じられたが、財政・政治・環境問題が複雑に絡み合い、プロジェクトは保留状態になっている
      https://en.wikipedia.org/wiki/Red_Sea%E2%80%93Dead_Sea_Water...
    • 海辺に行ったことがあれば、塩気のある空気や腐った海藻のにおいがして、鳥の声も聞こえるはず
      それらすべてがガラスの上下に付着し、やがて残った塩も蓄積していく
      残留塩分は、それを移送する構造物や機械にとって非常に過酷で、大きなガラス構造物の修理も面倒になる
      ここまでして得られる水がせいぜい細い流れ程度なら、たいていは見合わない