低コストで高効率な「飲料水から鉛を除去する方法」

重金属で汚染された水から鉛を除去する新しい方法が考案されました。
低コストで高効率な方法で、産業用に適用するには時間がかかるようですが、家庭用にはすぐ適用できるだろうとエンジニアは語っています。

Ultimately, it might be used to treat lead-contaminated water supplies at the home level, or to treat contaminated water from some chemical or industrial processes.

参照元：https://news.mit.edu/2021/removing-lead-water-electrodialysis-0922
– マサチューセッツ工科大学 Massachusetts Institute of Technology. September 22, 2021 –

マサチューセッツ工科大学（MIT）のエンジニアたちは、水から鉛などの重金属汚染物質を除去するための新しいアプローチを開発しました。

最終的には、家庭レベルでの鉛汚染水の処理や、化学・工業プロセスで発生する汚染水の処理に使用される可能性があります。

今回のシステムは、6年前に同じ研究チームのメンバーが発見し、海水や汽水の脱塩のために開発され、その後、原子力発電所の冷却水から放射性化合物を除去するために応用された一連のアプリケーションの最新版です。

今回開発された方法は、このような方法としては初めてのもので、工業用だけでなく家庭用の水道水の処理にも適用できる可能性があります。

本研究成果は、MITの大学院生であるHuanhuan Tian氏、Mohammad Alkhadra氏、Kameron Conforti氏、および化学工学の教授であるMartin Bazant氏の論文として、『Environmental Science and Technology — Water』誌に掲載されました。

Alkhadra氏は話します。

「さまざまな水源に存在する難分解性の有害重金属を除去することは、非常に困難なこととして知られています。現在、この機能を持つ競合する方法があるのは明らかで、どの方法がより低コストでより確実にできるかが問題です。」

鉛を除去する際の最大の課題は、鉛が他の元素や化合物に比べて圧倒的に少ない濃度で存在していることです。

例えば、飲料水に含まれるナトリウムの濃度は数十ppmであるのに対し、鉛は10億分の1程度でも強い毒性を示します。

逆浸透膜や蒸留などの既存のプロセスでは、すべてを一度に除去してしまいます。

この方法では、選択的な除去に必要なエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを必要とするだけでなく、ナトリウムやマグネシウムなどの少量の元素が健康な飲料水には不可欠であるため、逆効果になってしまいます。

新しいアプローチでは、衝撃電気透析と呼ばれるプロセスを使用します。

このプロセスでは、電界を利用して、汚染された水を運ぶ帯電した多孔質材料内に衝撃波を発生させます。

この衝撃波は、電圧の上昇に伴って一方から他方へと伝播し、金属イオンが枯渇したゾーンを残して、供給ストリームを塩水と新鮮なストリームに分離します。

このプロセスでは、排出される新鮮な流れから鉛を95％削減することができます。

Bazant教授は話します。

「原理的には、このプロセスは非常に安価になります。ナトリウムを除去するために多くのエネルギーを無駄にすることはありません。鉛は非常に低い濃度で存在するため、これらのイオンを除去するのに必要な電流はそれほど多くないので、これは非常にコスト効率の良い方法です。」

「このプロセスにはまだ限界があり、実験室規模の小規模なもので、しかもかなり遅い流量でしか実証されていないません。家庭用に実用化するためのスケールアップにはさらなる研究が必要で、より大規模な工業用にはさらに時間がかかります。しかし、家庭用のシステムであれば、数年以内に実用化できるでしょう。」

例えば、水道が鉛でひどく汚染されている家庭では、地下室にシステムを設置して、水流をゆっくりと処理し、鉛を含まない水をタンクに入れて飲料や料理に使う一方で、トイレの洗浄や芝生への散水など、ほとんどの水は処理せずに残しておくことができます。

ミシガン州フリントのように、水のほとんどが配水管によって汚染され、配水管の交換による修復に何年もかかるような場所では、このような使用方法が暫定的な手段として適切かもしれません。

また、このプロセスは、鉱山や掘削作業で発生する水の浄化など、一部の産業用途にも適用でき、処理した水を安全に廃棄したり再利用したりすることができます。

また、場合によっては、水を汚染しているが、分離すれば実際に価値のある製品となる金属を回収する方法にもなるそうです。

例えば、そのような鉱物は、半導体や医薬品などのハイテク製品の加工に使用できる可能性があるそうです。

Bazant今日は、このようなシステムと既存の方法の経済性を直接比較することは難しいと言います。

例えば、ろ過システムでは、すぐに目詰まりして使えなくなるろ過材の交換が主なコストとなりますが、このシステムでは、継続的に投入されるエネルギーが主なコストとなり、その量は非常に少ないからです。

現時点では、ショック電気透析システムは数週間稼働していますが、このようなシステムの実際の寿命を見積もるには時期尚早だと言います。

Bazant教授は話します。

「このプロセスをスケーラブルな商用製品に発展させるには時間がかかるでしょうが、技術的な観点から、どのようにすれば実現できるかを示しました。主な問題は経済的な面です。」

「そのためには、どのような用途に最も適しているかを考え、その用途を満たすための具体的な構成を開発することが必要です。スケールアップの方法については、それなりのアイデアを持っています。これはアカデミックな研究所ではなく、新興企業の役割かもしれません。」

「飲料水から鉛を除去するという重要な用途に、私たちが本当に取り組めることを示しているのですから。例えば、現在、逆浸透膜を使って海水を淡水化しているところがありますが、この高価なプロセスは、まず塩分を除去し、次に鉛のような低濃度だが毒性の高い汚染物質を除去するために、2回連続して実行しなければなりません。この新しいプロセスは、2回目の逆浸透の代わりに、はるかに少ないエネルギー消費で使用できるかもしれません。」

この研究は、MathWorks Engineering Fellowshipと、Xylem, Inc.が出資するMITのAbdul Latif Jameel Water and Food Systems Labが授与するフェローシップの支援を受けています。