より安価な水ろ過を実現する淡水化技術のブレイクスルー

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(Desalination Breakthrough Could Lead to Cheaper Water Filtration)

2021/12/31 アメリカ合衆国・テキサス大学オースチン(UTA ustin)

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・ UT Austin、ペンシルベニア州立大学、アイオワ州立大学および DuPont Water Solutions による研究チームが、逆浸透膜(RO 膜)の性能を抑制する原因を解明。クリーンな水の生産コストの低減につながる可能性が期待できる。
・ RO 膜による塩分や化学物質の除去は、農業、エネルギー生産や飲料用の水を大量に生産する、社会の健康にとって不可欠なもの。そのフィルタリングプロセスは単純に見えるが、理解されていない複雑な問題があった。
・ 今回、RO 膜における密度と質量分布の不整合性がその性能を抑制していることを発見。ナノスケールでの均一な密度が、クリーンな水の大量生産の鍵となる。
・ 塩類や不純物を捕獲する RO 膜は、膜を使用しない淡水化プロセスに比べれば効率的だが、エネルギーを大量に消費する。さらなる高効率化効率により、この課題に対処できる。
・ 本研究結果では、RO 膜の効率性の 30~40%向上を確認。より少ないエネルギー消費量でより多量のクリーンな水の生産が可能となる。クリーンな水へのアクセス向上や水使用料金の軽減が見込める。
・ より厚い膜の方が浸透性に優れるという従来の見識を覆す DuPont の研究者らによる発見が、本研究の端緒となった。最先端の電子顕微鏡によりナノスケールの膜構造を 3D 再構成し、水の通過経路をモデル化して同膜構造での浄水の効率性を予測。Texas Advanced Computing Center(TACC)がこれらのシミュレーションの可視化を支援した。計算の大部分は TACC のスーパーコンピューター「Stampede2」で実施。
・ 本研究には、米国立科学財団(NSF)および DuPont が資金を提供した。
URL: https://news.utexas.edu/2020/12/31/desalination-breakthrough-could-lead-to-cheaper-water-filtration/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Science 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes
URL: https://science.sciencemag.org/content/371/6524/72

Abstract

Biological membranes can achieve remarkably high permeabilities, while maintaining ideal selectivities, by relying on well-defined internal nanoscale structures in the form of membrane proteins. Here, we apply such design strategies to desalination membranes. A series of polyamide desalination membranes—which were synthesized in an industrial-scale manufacturing line and varied in processing conditions but retained similar chemical compositions—show increasing water permeability and active layer thickness with constant sodium chloride selectivity. Transmission electron microscopy measurements enabled us to determine nanoscale three-dimensional polyamide density maps and predict water permeability with zero adjustable parameters. Density fluctuations are detrimental to water transport, which makes systematic control over nanoscale polyamide inhomogeneity a key route to maximizing water permeability without sacrificing salt selectivity in desalination membranes.

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