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Jan 25, 2024

新しい装置は標準的な産業用装置よりも 1000 倍以上の速さで塩水を浄化します

10 giugno 2022 Nuova ricerca pubblicata su May Science dall'Università di Tokyo

東京大学2022年6月10日

2022年5月12日にサイエンス誌に掲載された新しい研究では、実験用のカーボンナノチューブベースの脱塩装置よりも2400倍速い水を浄化する新しい方法が発見された。

水不足は世界中で深刻な問題となっています。 アフリカだけでも、2025年までに約2億3,000万人が水不足に直面し、最大4億6,000万人が水不足地域に住むと推定されています。

水は地球の 70% を覆っているため、水は常に豊富であると容易に想定できます。 しかし、淡水は非常に不足しています。 より多くの淡水を生成できるように設計された技術の 1 つが、淡水化プラントです。 淡水化は、海水から塩を除去して、さらに処理して安全に使用できる淡水を生成するプロセスです。 淡水化プラントは、受け取った水の約半分を飲料水に変換します。

海水淡水化は飲料水を製造する確立された方法ですが、高いエネルギーコストがかかります。 研究者らは、フッ素ベースのナノ構造を使用して水から塩をろ過することに初めて成功した。 これらのフッ素ナノチャネルは、より迅速に動作し、より少ない圧力で動作し、より効果的なフィルターとなり、使用するエネルギーも少ないため、従来の脱塩技術よりも効果的です。

You’ve probably seen how effortlessly wet ingredients slide across a nonstick Teflon-coated frying pan if you’ve ever used one. Fluorine, a lightweight ingredient that is inherently water-repellent, or hydrophobic, is a crucial component of Teflon. Teflon can also be used to enhance the flow of water by lining pipes with it. Associate Professor Yoshimitsu Itoh of the University of Tokyo's Department of Chemistry and Biotechnology, as well as his colleagues, were intrigued by this behavior. Thus, they were inspired to investigate how fluorine pipelines or channels may work on a different scale, the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケール。

エネルギーと経済的コストを削減し、水の淡水化の簡素化を改善することで、安全な飲料水へのアクセスが困難な世界中の地域社会を助けることができます。 クレジット: 2022 Itoh et al.

「私たちは、フッ素ナノチャネルがさまざまな化合物、特に水と塩を選択的に濾過するのにどれほど効果的であるかを知りたいと思っていました。そして、いくつかの複雑なコンピューターシミュレーションを実行した後、時間と労力をかけて実用的なサンプルを作成する価値があると判断しました。 」と伊藤氏は語った。 「現在、水を脱塩する主な方法は 2 つあります。1 つは熱を使用して海水を蒸発させ、純水として凝縮する熱による方法、もう 1 つは圧力を使用して塩を遮断する膜に水を強制的に通過させる逆浸透による方法です。どちらの方法も多量のエネルギーを必要とします。」しかし、私たちのテストでは、フッ素ナノチャネルはほとんどエネルギーを必要とせず、他の利点もあることが示唆されています。」

研究者らは、細胞壁に見られる有機分子と同様に、ナノスケールのフッ素リングを化学的に製造し、他の方法では透過できない脂質層に積み重ねて埋め込むことにより、テスト濾過膜を開発した。 彼らは、サイズが 1 ～ 2 ナノメートルの範囲のナノリングを備えた複数のテストサンプルを開発しました。 比較すると、人間の髪の毛の幅は約 100,000 ナノメートルです。 Itohらは、膜の有効性を判定するために、試験膜の両側にある塩の主要成分の1つ（もう1つはナトリウム）である塩素イオンの存在を評価した。

「結果を直接見ることができて非常に興奮しました。私たちのテストチャネルの小さい方は入ってくる塩の分子を完全に拒否しましたが、大きいチャネルでも他の脱塩技術や最先端の​​カーボンナノチューブフィルターよりもまだ改善されていました」と伊藤氏は語った。 「私にとって本当に驚いたのは、そのプロセスがどれほど速く起こったかということでした。私たちのサンプルは、一般的な産業用デバイスよりも約数千倍、実験用のカーボンナノチューブベースの脱塩装置よりも約2,400倍速く機能しました。」

フッ素は電気的にマイナスであるため、塩に含まれる塩素などのマイナスイオンをはじきます。 しかし、この否定的な性質のさらなる利点は、基本的に緩く結合した水分子のグループであるいわゆる水クラスターも分解し、水路をより早く通過できることです。 このチームのフッ素ベースの脱塩膜は、より効果的で高速で、動作に必要なエネルギーが少なくて済み、さらに使い方も非常に簡単に作られています。

「現時点では、材料の合成方法自体が比較的エネルギーを大量に消費しますが、これは今後の研究で改善したいと考えています。また、膜の寿命が長く、運用コストが低いことを考慮すると、全体のエネルギーコストは現在の方法よりもはるかに低い値になります」と伊藤氏は語った。 「もちろん、私たちが講じたい他のステップは、これをスケールアップすることです。私たちのテストサンプルは単一のナノチャネルでしたが、他の専門家の助けを借りて、数年以内に直径約1メートルの膜を作成したいと考えています。これらの製造上の懸念と並行して、また、同様の膜を使用して、産業界から排出される二酸化炭素やその他の望ましくない廃棄物を削減できるかどうかも検討しています。」

Reference: "Ultrafast water permeation through nanochannels with a densely fluorous interior surface" by Yoshimitsu Itoh, Shuo Chen, Ryota Hirahara, Takeshi Konda, Tsubasa Aoki, Takumi Ueda, Ichio Shimada, James J. Cannon, Cheng Shao, Junichiro Shiomi, Kazuhito V. Tabata, Hiroyuki Noji, Kohei Sato and Takuzo Aida, 12 May 2022, Science.DOI: 10.1126/science.abd0966