A more efficient way to turn saltwater into drinking water

Water scarcity is major problem across the world. 「すべての大陸に影響を与えています」と、機械工学の助教授であるアミール・バラティ・ファリマニ（Amir Barati Farimani）は言います。 「40億人の人々が、1年のうち少なくとも1カ月は深刻な水不足という状況下で暮らしています。 5億人は1年中深刻な水不足で暮らしているのです。

しかし、人々が安全な飲料水へのアクセスなしで苦労しているときでさえ、彼らのドアのすぐ外には、飲めない水の海があるのです。 「世界の表面の71%は海水で覆われています」とバラティ・ファリマニ氏は言います。 「この問題に対処するため、バラティ・ファリマニは水の脱塩に着目して研究を進めてきました。 これは、塩分を含んだ海水を真水に変えるプロセスである。

海水を淡水化する方法はたくさんありますが、最も効果的な方法の1つが膜法海水淡水化です。 この方法では、小さな穴の開いた薄い膜に水を押し通す。 水は孔を通り抜けますが、塩イオンは通り抜けられず、反対側には真水だけが残ります。

最新の研究において、Barati Farimani氏は金属-有機フレームワーク (MOF) という新しいタイプの膜の可能性を探っています。 「これらの膜は、金属中心と有機化合物の両方から構成されています」とBarati Farimani氏は言います。 有機化合物と金属は五角形のパターンでつながっており、中央には孔の役割を果たす穴が開いています。 「と、Barati Farimaniは付け加えます。

このフレームワークがより効果的である理由はいくつかあります。 まず、信じられないほど薄いことです。 数原子の厚さなので、水分子が孔を通過する際の摩擦が非常に少ないのです。

さらに、孔の配置が浸透を助けるのです。 「隣接する孔がない場合、分子には壁から大きな圧力がかかります」とバラティ・ファリマニ氏は言います。 これでは、脱塩プロセスの効率が悪くなります。 その理由を知るには、漏斗に水を注いでいるところを想像してみればよい。 水は壁に押されて小さな空間を通るため、端の穴からゆっくりと移動します。

一方、MOFには複数の隣接した孔があります。 「壁側からの圧力はありません」と、バラティ・ファリマニ氏は言います。 “そして、それは、細孔をより容易に通過する機会を与えてくれるのです。” 今度は、ストレーナーを通して水を注ぐことを想像してみてください-それは、逃げられる複数の出口があるので、ずっと速く動くのです。

最後に、MOFは他の材料よりも構造的な完全性を持っています。 ほとんどの材料では、必要な孔を開けるために小さな穴を開けなければならず、表面積当たりの孔の数が限られています。 「たくさんの孔を開けようとすると、グラフェンやMoS2では無理なんです」とバラティ・ファリマニは言う。 「構造的に圧力を保持することができないのです。

しかし、ハニカム構造のおかげで、MOFは本質的に多孔質なのです。 そのため、表面積に対する細孔の比率を高くすることができる。 また、孔を開ける必要も、大きさを調整する必要もないので、時間とエネルギーの節約にもなります。

MOFと他の一般的な膜との違いは、水の通過速度とイオンの除去量の両方において顕著に表れています。 しかも、これは数個の孔のシミュレーションを見ただけの話です。 海水淡水化プラントは数十億個の孔を持つことができ、その効率は指数関数的に上昇する。 「大規模な海水淡水化プラントでは、孔の数は数十億個にもなり、その効率は飛躍的に高まります。 「わずかな効率の向上でも、大きな飛躍を意味するのです」。

私たちは、多くの恵まれない人々に新鮮な水を提供する必要があります。 それが私たちの使命で、エネルギー効率を高めて、どこでも淡水化できるようにします」

Amir Barati Farimani（機械工学科助教授）

Barati Farimani氏の研究論文は、アメリカ化学会が毎月発行する査読付き科学雑誌「Nano Letters」に掲載されました。 この論文は、水の脱塩に関する議論の高まりに加え、この分野での重要な一歩となるものです。

学問の世界に加えて、バラティ・ファリマニ氏は、自分の研究が人々の生活に影響を与えることを望んでいます。 「アフリカなど、多くの恵まれない人々に新鮮な水を提供する必要があるのです」と彼は言います。 「基本的には、エネルギー効率を高めて、どこでも淡水化できるようにすることが、私たちの使命です」

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