太陽光発電による脱塩 – 22億人の水不足を解決

水不足の問題は想像以上に深刻です。 United Nations Environment Programme、地球人口の約50％、つまり約40億人が、少なくとも一年のうち1か月は水不足に直面しています。

来年、2025年までに、食糧農業機関（FAO）が「絶対的な水不足」と呼ぶ状況に、18億人が直面する可能性があります。

このように巨大で遍在する問題に取り組むには、未開拓または十分に活用されていない資源を利用した革新的な解決策が必要です。

例えば、水不足の問題に対処するために海水を淡水に変えることは、海水の供給が豊富であることから最も効果的な解決策の一つです。実施できれば使用して renewable energy、太陽光エネルギーのように。

海水から飲料水を生成するエネルギー効率の高い装置

海水を淡水の飲料水に変えるには脱塩が必要です。しかし、現在の脱塩システムは海水を膜を通して塩分と水を分離させるために大量のエネルギーを消費し、さらに装置表面に塩が蓄積するという問題があります。その結果、水流が阻害され、効率が低下します。このような塩の堆積により、機械は連続運転に適さず、コストが高く、頻繁なメンテナンスが必要となります。

ウォータールー大学の研究チームは現在、考案しました新たに自然の水循環に触発されたソリューション、樹木が根から葉へ水を輸送する方法に大きくヒントを得ています。

ウォータールー大学化学工学部のマイケル・タム博士によると:

「私たちのインスピレーションは、自然が自らを維持する様子と、環境中で水が蒸発し凝縮する方法を観察することから得られます。」

このメカニズムは自然の水循環にインスピレーションを得ているため、ほとんど大規模なメンテナンスは必要ありません。

このプロセスは、エンジニアリングされたソリューションで水を蒸発させ、表面へ輸送し、閉じたサイクルで凝縮させます。その結果、塩の蓄積を効果的に防止し、効率を損なうことなく装置の寿命が延びます。

装置の利点をさらに高めるのは、再生可能エネルギーを使用し、装置はエネルギー効率が高くなります。太陽光で動作し、太陽エネルギーの約93％を変換できます。

この効率は、市場にある現在の脱塩システムの5倍で、平方メートルあたり約20リットルの淡水を生成します。

興味深いことに、それは同じ水量で、WHOが基本的な飲料と衛生のために各人に毎日推奨する量です。 

装置が太陽エネルギーを効率的に利用できるように、研究者は基材としてニッケル（Ni）を使用しました。 ニッケルフォームの基盤は導電性ポリマーコーティングと熱応答性花粉粒子で覆われました。この組成により、材料は太陽放射スペクトル全体で日光を吸収しやすくなります。 

水を上向きに移動させるために、薄い塩水層を加熱して輸送しました。これは自然の樹木の毛細管を通る水の流れに似ています。 水の蒸発により、残りの塩分が装置の底部へ移動します。 

このソリューションのシンプルさが、より広い採用を可能にします。その携帯性により、使用でき遠隔地域、特に沿岸や島国で。

ソリューションの総合的な利点を要約すると、ウォータールー大学化学工学部の李雲英博士は次のように述べました:

「この新しい装置は効率的であるだけでなく、携帯性もあり、淡水へのアクセスが限られた遠隔地域での使用に最適です。」 

潜在的な利点をさらに詳しく説明すると、マイケル・タム博士は次のように述べました:

「テストが成功すれば、この技術は沿岸コミュニティに持続的に淡水を供給し、国連の持続可能な開発目標3、6、10、12を推進できます。」

上記の研究は科学界や持続可能な淡水ソリューションに取り組む人々に大きな期待をもたらしましたが、他の研究者も同様に取り組んでいます。

次のセクションでは、MITの研究者が2022年に提案した携帯型脱塩装置の開発について議論します。

太陽エネルギー時代が人類に明るい未来をもたらす方法についてはこちらをご覧ください。

透明で清潔な飲料水を生成する携帯型脱塩装置

2022年4月、MITの研究者は携帯型脱塩装置を開発しましたは、重量が10キログラム未満で、スーツケースほどのサイズです。携帯電話の充電器の電力よりも少ない電力で動作できます。価格は50米ドルで、前セクションで紹介した装置と同様に、フィルターを通す必要がなく、代わりに電力で飲料水から粒子を除去します。

イオン濃度分極技術によるフィルターフリー装置

このプロセスは、研究者が10年にわたって取り組んだ結果で、水チャンネルの上下に配置された膜に電場をかけることを含みます。 膜は正または負に帯電した粒子、塩分子、細菌ウイルスを、そして水が通過する際に。このプロセスは、溶解した固体と懸濁固体の両方を除去するのに役立ちます。 

研究者はソリューションを考案する際、賢く活用しました利用可能な最良の技術、機械学習を含む。機械学習は、全体で6つのモジュールが関与するプロセスにおいて、ICPと電気透析モジュールの理想的な組み合わせを見つけるのに効果的であることが証明されました。 

研究者はまた、このような装置は多くの採用者がいなければ効果を発揮しないため、使いやすくシンプルである必要があることを念頭に置きました。したがって、発売できましたワンボタンで自動脱塩と浄化が可能な形で。

また、ユーザーに塩分濃度と粒子数が特定の許容閾値以下になると通知できます。データの読み取りをシンプルで直感的にするため、研究者はユニットをワイヤレスで制御し、電力消費と水の塩分濃度に関するすべてのデータをリアルタイムで報告できるスマートフォンアプリを提供しました。 

一部はDEVCOMソルジャーセンター、Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS)、ノースイースタン大学のExperimental AI Postdoc Fellowship Program、Roux AI Instituteから資金提供を受け、研究は満足のいく結果を提供しました。 

研究者はラボからソリューションを持ち出し、ボストンのカーソンビーチでテストしました。その結果得られた水は、懸濁固体の数を少なくとも10倍に減少させ、World Health Organization（WHO）の品質ガイドラインを上回りました。また、プロトタイプは1時間あたり0.3リットルの飲料水を生成し、リットルあたり20ワット時しか必要としませんでした。

実験の画期的な性質を詳述すると、電気工学・コンピュータサイエンスの教授であり、生物工学の教授でもあり、Research Laboratory of Electronics (RLE)のメンバーであるJongyoon Han上級著者は次のように述べました:

「これは、私と私のチームが10年間取り組んできた旅の集大成です。個々の脱塩プロセスの背後にある物理学に何年も取り組んできましたが、すべての進歩を箱に詰め、システムを構築し、海で実証したことは、私にとって本当に意義深くやりがいのある経験でした。」 

大学の研究者がこの高貴な取り組みに熱心に取り組んでいる一方で、水の脱塩という仕事を引き受けた企業がいくつかあります。大規模な採用には商業規模で機能するスケールアップされたソリューションが必要なため、彼らの貢献も同様に重要です。以下のセクションでは、そうした企業のいくつかを取り上げます。 

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

同社はエンジニアリングサービスを顧客に海水逆浸透脱塩システムの設計・建設を完全に支援しますSea Water Reverse Osmosis desalination systems。同社は設置、拡張、または改修を含む全サービスサイクルに対応しています。 

同社はNasdaqに上場・取引されており、DesalCoを通じて脱塩の管理、エンジニアリング、建設サービスを提供し、サプライヤーから逆浸透海水脱塩プラントのOriginal Equipment Manufacturer（OEM）として認識されていますの同社。

技術的に、同社は脱塩の主要な2つの方法を認識しています:

(i) 熱蒸留
(ii) 膜分離

同社は後者を好みますエネルギーコストが低いため、同社は淡水と海水の脱塩に逆浸透膜分離を採用しています。 これは流体分離プロセスで、塩水が加圧され、半透膜を通過させて塩分を除去し、淡水が分離されます。

Consolidated Waterの海水逆浸透プラントはバハマ連邦ニュープロビデンス州ナッソーに拠点を置き、2006年7月に稼働開始し、このプラントは1日あたり12 million US gallons of water per dayの処理能力を有しています。 

2023年、同社はPERC Water Corporation（「PERC」）の残り39％の所有権取得を完了し、米国南西部で水インフラ施設の設計、建設、運営、管理を行うこの子会社の100％所有者となりました。

同年、PERCは授与されました $204 million contract to design, construct, and operate a new desalination facilityハワイ州ホノルルで。

同社のケイマン諸島における小売事業は、グランドケイマンのAbel Castillo Water Works（「ACWW」）とWest Bay拠点にある海水逆浸透脱塩プラントで飲料水を生産しています。 

ACWWにある2つのプラントの現在の総生産能力は1日あたり300万ガロンです。 West Bayプラントの生産能力は1日あたり100万ガロンです。 

2023年、同社は1億8020万米ドルの収益を上げ、2022年の9410万米ドルから大幅に増加しました。2023年には、同社は継続事業からの純利益30.7百万米ドル、1株当たり利益1.93米ドルという記録的な数値を記録しました。株価は2023年11月に史上最高の38.29米ドルに達しました。 

#2. Veolia 

同社は脱塩を重要な解決策として戦う水不足。同社は世界中に数百の脱塩プラントとシステムを建設したと主張しており、自治体と産業の両方の需要に対して淡水を供給しています。同