太陽光を閉じ込め海水を淡水に変える新素材

化学技術者たちは、単純な蒸発と結露、そして植物の根から葉への水の輸送という2つの自然プロセスを模倣し、新しい携帯装置を作りました。

文:Anthropocene Team
2024年9月26日

人間は生きていくために水を必要とします。しかし、世界人口の急増と気候変動によって、この貴重な資源の供給が危機に瀕しています。海から塩分を除去することは、世界の乾燥地帯に住む何百万人もの人々の渇きを癒す一つの方法です。しかし、今日の海水淡水化技術は大量のエネルギーを必要としています。

ウォータールー大学の研究者たちは、太陽エネルギーを利用することで塩水から効率的に飲料水を生成する装置を作りました。この装置は、蒸発と結露という自然の水循環と、植物の根から葉への水の輸送という2つの自然プロセスを模倣しています。

Nature Communications』誌で報告されたこの装置は、太陽光の93%を利用可能なエネルギーに変換し、1平方メートルあたり毎日20リットルの真水を生成することができます。これは世界保健機関(WHO)が推奨する、1日当たりの基本的な飲料と衛生に必要な一人分の水の量です。

国連の『世界水開発報告書2024』によれば、世界で約22億人が清潔な水を利用できていません。従来の海水淡水化システムは、海水を特殊な膜に通して塩分を抑え、真水を通すように作られています。しかし、このプロセスはエネルギーを大量に消費します。また、高価な膜には時間とともに塩分が蓄積し、メンテナンスや交換が必要になります。

そこで化学エンジニアのチームは、自浄作用がありメンテナンスの必要がない太陽熱蒸発を利用した淡水化装置を開発しました。まず、ニッケルフォームの多孔質部分をポリドーパミン(PDA)と呼ばれる導電性ポリマーの層でコーティングすることから始めました。

次に、フォームの下半分をスポロポレニンと呼ばれる熱に強いポリマーの層でコーティングしました。スポロポレニンは、花粉粒や植物の胞子の外壁に含まれる機械的に強靭かつ化学的に安定したバイオポリマーです。

研究者たちは、コーティングされたフォームの下部だけが水に浸かるように海水に入れ、プラスチック製のドーム型コンデンサーで覆います。日中、上部のPDA層は太陽光を吸収し、熱に変換します。この高温により、薄い海水層がフォームのPDA表面に沿って上昇し、塩を残して蒸発します。水蒸気はプラスチック製ドームの上で結露となり、側面に沿って滴下して回収されます。

夜間、気温が下がると、スポロポレニンでコーティングされたフォームの下半分が、ニッケル製の発泡体の溝を通して水を吸い上げ、蓄積した塩分を洗い流します。このように、この自浄作用のある装置は、蒸発と結露によって水を継続的に上昇させることができるのです。

「この新しい装置は効率的なだけでなく、持ち運びも可能なので、真水へのアクセスが制限されている遠隔地での使用に最適だ」と、共著者のYuning Li氏はプレスリリースで述べています。

出典:Yi Wang et al. Thermo-adaptive interfacial solar evaporation enhanced by dynamic water gating. Nature Communications, 2024.
画像:Rawpixel