水の性質、水の不平等

2020年3月

著者 Philip Davies、バーミンガム大学工学部水テクノロジー教授、英国

現在、年間を通じて約5億人が深刻な水不足に苦しんでいます。年に数か月間、この問題に直面している人口は18億人から29億人に上ります。2025年までには、世界人口の半分が水ストレスを抱える地域で暮らすことになります。

2025年までに世界人口の半分が水ストレスを抱える地域で暮らすことになります。(写真:Max2611 / iStock / Getty Images Plus)

品質の点において、世界の水資源は不都合に分配されています。ほとんどの水(97.5 パーセント)は海にあり、塩分が強すぎて飲むことができません。世界の水資源のうち、良質な地表水が占める割合は、半分足らずです。これら両極端の間に、他の水源があります。例えば、地下水は、多くの地域において、塩分が強すぎるため、加工処理しなければ飲むことはできません。また、産業廃棄物の経路には、自然由来や人工由来の様々な汚染物質が含まれている可能性があります。

水ストレスに最も弱い地域は、飲料水と灌漑の需要が降雨による自然補給を超えている地域です。これらには、特に北半球の砂漠地域(およそ15 〜 45 度の緯度の間)が含まれます。このような地域に位置する国々には、ダム、パイプライン、海水淡水化プラントなどのインフラを構築するために必要な様々な機能があります。

非常に多くの水が、飲料水としてよりも農業のために必要とされていることから、食料品を輸入する経済能力も重要な要素です。現在、クウェートやカタールのように、再生可能な天然水の供給が事実上ない国は、飲料水のために水を淡水化したり、食料品を輸入したりすることでこの問題を回避しています。一方、ソマリアやイエメンのような経済が弱く、政治情勢が厳しい国は、深刻な水不足に直面しており、壊滅的な水不足問題に苦しんでいます。水不足が悪化している地域として、エジプト、パキスタン、インド、中国北部および中国北西部が予測されています。

海水の淡水化は、水ストレスを抱える世界人口の大部分に対する水の供給を増やすための魅力的な選択肢です。革新的な開発のおかげで、淡水を生産する海水淡水化プラントの能力は大幅に向上し、過去20年間で海水淡水化のエネルギー消費量はほぼ半分になり、はるかに手頃な価格になりました。 (写真: PhotoStock-Israel / Alamy Stock Photo)

沿岸部の海水淡水化プラント

文明は海岸線に沿って発展する傾向にありました。これは、海水の淡水化が、水ストレスを抱える世界人口の大部分に対する水の供給を増やすための魅力的な選択肢であることを意味しています。しかし、海水淡水化プラントの建設には高額な費用がかかり、最近までは、従来の水の処理プロセスの最大3 倍ものエネルギーが使用されていました。つまり、実際には、海水淡水化の最大のユーザーは、裕福で豊かな化石燃料に富んだ湾岸地域の国でした。

これらのプラントは、逆浸透と呼ばれるプロセスを使用して、塩水から塩を除去します。このプロセスでは、水分子とイオンは通過させるが、それよりもさらに大きな塩の分子は通過させない半透膜に圧力を使用して水を押し通します。革新的な開発のおかげで、これらの膜の質は徐々に改善され、淡水の生産量が増加しています。その結果、海水淡水化プラントの能力は個々のプラントで増加し、現在では1 日あたり 100 万㎥近くの淡水を生産しています。

海水淡水化プラントで使用されているこれらの技術の改良により、過去20 年間で海水淡水化のエネルギー消費量がほぼ半分になり、はるかに手頃な価格になりました。この傾向はある程度続くと考えられますが、海水淡水化が消費するエネルギー量には下限があり、それ以上は改善できません。せいぜい現在のエネルギー消費量を半分にできるぐらいです。

内陸部の人々にとってのソリューションとは?

例えば中国、インド、米国などで大半を占める内陸部の居住者にとって、淡水化された海水の輸送は実用的な価格でも、手頃な価格でもありません。これらの地域の人々は、多くの場合、質の悪い地下水に依存しています。

インド北西部における私自身の研究を通じて、この苦境を痛感しました。国連食糧農業機関によれば、農業の64 パーセントが地下水に依存しています。また、地下水調査では、インドの陸地面積の約半分は、塩分が強すぎて通常の飲料水基準を満たすことができない帯水層の上にあることが示されています。

しかし、この地下水は通常、海水よりも塩分が非常に少ないため、理論的には、淡水化で使用されるエネルギーを削減できます。これにより、地下水の淡水化をより安価にすることができ、これにより経済的に恵まれていない人々がより利用しやすくするための発明的な解決策となる可能性の余地があります。

バーミンガム大学の研究室におけるテクノロジー

バーミンガム大学では、主に地下水処理を目的とした技術を開発しました。地下水を処理する際の特有の課題は、残留塩水の処分です。私たちの技術は「高度回収」です。つまり、地下水の最大部分を最低限の残留塩水しか含まない淡水に変えることです。回収を増やすことはエネルギー使用量の削減に反するため、これを達成することは困難です。

まず、既存の逆浸透システムのエネルギー使用量をモデル化し、特にエネルギー節約を目的としたシステムを設計しました。そして、「オフグリッド」で機能し、再生可能エネルギーを利用する海水淡水化ソリューションを実現しました。

逆浸透(RO )システムの「エネルギー収支」は、熱力学の法則によって定義されます。給水の圧力が上昇すると、(標準温度で)体積が減少します。この方程式の重要な部分は、塩水を圧力下に保つために使用されるエネルギーです。このエネルギーは、海水淡水化システムのエネルギーを大量に消費する部分である高圧ポンプによって供給される必要があります。私たちのシステムは、熱力学で定義されたものよりわずかに高い圧力のみを使用する一方で、従来のシステムは数倍のエネルギーを使用します。

品質の点において、世界の水資源は不都合に分配されています。ほとんどの水(97.5パーセント)は海にあり、塩分が強すぎて飲むことができません。世界の水資源のうち、良質な地表水が占める割合は、半分足らずです。(写真:Tom Hanley / Alamy Stock Photo)

私たちは当初から、既存の部品から完全に構築が可能なシステムの設計に挑戦してきました。圧力を最小限に保つために濃縮塩水のリサイクルを行う「密閉ループ」設計を選択しました。注目すべき点として、私たちの設計では、リサイクルされた濃縮液が給水と混合して、効率が低下し、エネルギー消費が増加することを防ぐバルブの配置が採用されています。

また、この新しいバルブの配置により、独立したパージと補充ステージを、システムを高速でフラッシュし、膜から堆積物を取り除く「パージ補充」というパージと補充が一つに組み合わさったステージに置き換えることができました。これにより、ダウンタイムを最小限に抑え、システムの出力を向上します。

これまでの逆浸透システムと区別するために、このシステムを「密閉ループRO 」と呼んでいます。既存のシステムと比較すると、このアプローチは 80 パーセントの回収率で、 33 パーセントから 66 パーセントのエネルギー節約を可能にすることが期待されています。

しかし、私たちの密閉ループの逆浸透システムの利点はこれだけではありません。この設計により、より低いポンプ圧で機能する低圧膜を使用することが可能になりました。これらの膜の耐用年数が長くなることで、メンテナンス費用が削減されると期待しています。また、それがフラッシング操作であることは、システムが自動クリーニング式であることを意味します。つまり、非技術者による遠隔地での操作が可能になるということです。

なぜ特許なのか?

このシステムは、すぐに利用できる既製の部品で構成されています。しかし、私たちは社会的企業を含むあらゆる商業化のモデルを受け入れており、選択肢を広げるために、特許取得への道を進むことにしました。私たちは、特許協力条約Patent Cooperation Treaty、PCT )を通じて複数の市場で私たちの技術を保護することを目指しています。

イギリスのバーミンガム大学の研究者たちによって開発された密閉ループ逆浸透システムは、エネルギーを節約し、「オフグリッド」ソリューションを実現し、再生可能エネルギーを利用します。そのため、経済的に恵まれていない人々が使用するのに最適です。(写真:Photo: ABHISHEK KUMAR SAH / iStock /Getty Images Plus)

私たちのテクノロジーを試行するのに適しているヨルダン渓谷で、あるプロジェクトが進行しています。ヨルダン渓谷では、水が行き止まりとなるため、当然のことながら塩分が蓄積します。そのため、ヨルダン川流域は農業用水の管理に関する多くの問題を抱えています。

この地域における地下水の枯渇は、国境を越えた問題です。国際協定により、ヨルダン川西岸地区に住むパレスチナ人が地下水へアクセスすることは制限されています。また、管理が不十分なために過剰な汲み上げが行われ、水の塩分濃度が記録的に高くなったため、作付様式に変化が起きました。塩分に耐性のない商品作物は、大量の水を必要とし、5 年以内に地下水供給の枯渇を引き起こす可能性のあるマジュールナツメヤシに切り替えられました。

このプロジェクトは、技術プロトタイプの作成を支援してくれたイスラエルのArava Institute の学生たちとこれまで行ってきた研究の続きです。現在、この地域に戻り、システムの拡大版を組み立て、試験運転をしています。現在、部品は私たちのパートナーである Ramallah から得ており、建設は今年の後半に開始される予定です。

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