サステナビリティ
乾燥地域において大気水収集の効率化が鍵となる
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空気中の水分から水を得る
世界の多くの地域では、淡水の確保が難しくなっています。海水淡水化は一つの方法ですが、大量のエネルギーが必要です。ただし、 太陽光技術の進歩によって実用性が高まってきました。一方、中央アジア、モンゴル、チリの山岳地帯、サハラ砂漠の大部分など、内陸の乾燥地域では海水へのアクセスが難しいという制約があります。
もう一つの方法は、空気中の水分を回収することです。乾燥地域でも、気象条件によっては大気中に利用できる水蒸気があります。以前の記事では、 受動冷却とシリコン被覆を組み合わせ、重力を利用した水回収の効率を高める方法について解説しました。
研究者らは、新しい高分子材料による効率の向上を検討しています。大阪公立大学の研究チームは、その成果をACS ES&T Waterに「親水性の違いを利用した水移動によって常温付近で動作する液体ポリエーテル系水回収材料1」という論文として発表しました。
水の吸着
大気中の水分を回収する方法の一つは、水を吸着する高分子を使うことです。 吸着 とは、物質が接触する気体や溶液中の分子を表面に引き付ける現象です。ここでは空気中の水分を取り込む仕組みが重要になります。
身近な吸着材には、包装に使われるシリカゲルなどがあります。こうした材料は周囲の空気から水分を取り込むことができます。
出典: 大阪公立大学
課題は、取り込んだ水を高分子から放出させることです。従来の材料では約100°Cの加熱が必要になり、エネルギー消費や費用が増えます。大阪公立大学の研究は、この放出過程の改善を目指したものです。
低温脱着
水をよく取り込む性質は、水を強く保持する性質でもあるため、回収して材料を再利用するには加熱が必要になりがちです。
研究チームは以前、ポリエチレングリコール（PEG）とオリゴマー状のポリプロピレングリコール（PPG）を組み合わせ、「親水性差による水移動（HWT）」という仕組みを検討しました。
簡単に言えば、二つの高分子の水とのなじみやすさの違いを利用して、取り込んだ水を放出しやすくする方法です。この液体状の吸湿材は、約35°C（95°F）で水を放出できます。
ただし、従来の組み合わせでは水の取り込み量が限られ、省エネルギー化が可能でも回収能力に課題が残りました。
PEG-PPG 共重合体
今回の実験では、PEGとPPGのランダム共重合体をPEGと組み合わせました。
出典: ACS Publication
この組み合わせはHWTの効果を高め、次の結果につながりました。
- 水を放出させる温度を低く保てた。
- 水回収速度は、水をよく取り込むPEG単体を上回った。
PEG-PPGランダム共重合体は、PEGを上回る最高の水回収速度を示しました。改善された水回収は、HWTの相乗効果と水クラスターの崩壊によるものです。
応用例
低い温度で水を回収し、高分子を再利用できれば、この技術の利用可能性が広がります。高温加熱への依存を減らすことで、省エネルギー化も期待できます。
「この技術の改善は、温室効果ガスの削減と水資源のより効率的な利用につながると期待されています。今後は、液体状吸湿材を改良し、システム全体の効率を高め、実用化を目指します。」
Masahide Takahashi — 大阪公立大学 教授
約35°Cは比較的得やすい温度であるため、昼夜の温度差を利用できる可能性があります。特にサハラ、中東、インド、メキシコ、米国南西部など、日中に気温が上がる地域での利用が考えられます。
モンゴルのような寒冷地域では難しい場合もありますが、日射を反射鏡などで集めて加熱する方法が考えられます。外部エネルギーへの依存を減らしたシステムにつながる可能性はあるものの、実用化にはさらなる検討が必要です。
この技術は、災害時など清潔な水を緊急に必要とする地域への応用も期待されています。
「この技術は、乾燥地域やエネルギー資源が限られた場所への水供給だけでなく、災害や緊急時における水へのアクセス確保にも応用できる可能性があります。」
Arisa Fukatsu — 大阪公立大学 助教
今回の組み合わせが最適であるとは限らず、さらに改善できる可能性があります。
理論上は、親水性の高い高分子と、それより親水性の低い高分子のほかの組み合わせも考えられます。新しい吸湿材料を系統的に調べれば、回収量を増やし、実用化に近づけられるかもしれません。
水不足を解決する企業
Xylem Inc.
Xylemは、欧州のVeoliaと並ぶ水処理分野の大手企業です。記事の時点では、6,000人以上の技術者を含む23,000人以上を雇用し、150か国で事業を展開していると紹介されています。米国を中心に、35,000社以上の産業顧客を直接支援しています。
XYL 価格チャート
主な市場は自治体の上水道と下水処理ですが、 医療、電力、食品・飲料、石油・ガス、マイクロエレクトロニクスなどの分野にも専用ソリューションを提供しています。
出典: Xylem
Xylemは、オゾン発生器、UVランプ、淡水化膜、超純水製造装置など、水処理に必要な機器を提供しています。タービン、ポンプ、配管、注入装置、ソフトウェアなどの基礎的な設備に加え、保守・修理・設置サービスも手掛けています。
出典: Xylem
水関連市場は多くの企業に分かれています。Xylemは大手の一社ですが、記事では、同社が対象とする800億ドルの市場におけるシェアは約10%と説明されています。
同社は売上高の約4%を研究開発に充てているとされています。また、 PFAS（有機フッ素化合物群、 いわゆる「永遠の化学物質」）に関する規制強化に伴い、6,000を超える水道施設で対策が必要になるとの見通しが、事業機会として挙げられています。
記事では、Xylemの純利益は2012年の2億9,700万ドルから2023年の6億900万ドルに増加したと紹介されています。
このような顧客基盤から、同社の投資特性は景気循環の影響を強く受ける一般的な産業企業よりも、経済全体の成長に沿って比較的安定して伸びる公益事業に近いと、記事は評価しています。
研究参考文献：
1. Ikegawa, D., Fukatsu, A., Okada, K., & Takahashi, M. (2024). 親水性の違いを利用した水移動によって常温付近で動作する液体ポリエーテル系水回収材料. ACS ES&T Water. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00775
