韓国発、超高効率のソーラー蒸留装置
韓国の蔚山科学技術院（UNIST）の研究チームは、太陽光だけで駆動する海水淡水化装置を開発した。太陽光強度が標準条件の「1サン」の下で、蒸発速度は1平方メートル当たり毎時3.4リットルに達したという。試作機は外部電力を使わず、太陽光と「La0.7Sr0.3MnO3」と呼ばれる先進的な光熱変換材料で海水を飲料水に変える。また、太陽熱淡水化の難題の一つである、蒸発器表面に塩が蓄積して光を遮り、性能を低下させる問題も解決した。溶けた塩を高温の中心部から周縁へ導くことで、装置は長時間にわたって稼働し、凝縮して液体にできる清浄な水蒸気を生成する。
UNISTエネルギー・化学工学部のチ・ヒョン・チャン教授が率いたこの研究は、学術誌「Advanced Energy Materials」に掲載された。シンプルな紙製の吸水構造と高効率の光熱変換表面を組み合わせている。耐久試験では、塩分濃度20％の濃い塩水で2週間安定して稼働した。一般的な海水の塩分濃度は3.5％で、これを大きく上回る。研究チームによると、同じ設計は資源回収にも活用できる。濃縮塩水を海に戻す代わりに、周縁部で塩を結晶化させて回収できるという。
水不足に直面する地域が増えるなか、太陽光を利用した受動的な淡水化への関心が高まっている。安全に管理された飲料水を安定して利用できない人は世界に数十億人いる。沿岸地域では、運転費が高く大量の濃縮塩水を排出するディーゼル発電式の逆浸透膜プラントに頼るケースも多い。太陽光だけで真水をつくり、保守の手間もほとんどなく、電力網にも接続せずに使えるモジュール式システムは、離島や遠隔地の村、農場、災害救援活動で重要な役割を果たす可能性がある。UNISTの装置は、複雑な大規模プラントの代わりに、簡素な材料と工夫を凝らした形状、そして太陽光を活用し、こうした需要に応えようとしている。
装置の仕組み
UNISTの装置では、水を吸収する紙を使った独特の逆L字型蒸発器を採用している。紙はリトマス試験紙のように機能し、毛細管現象で海水を上方へ引き上げる。縦部分の上端には、La0.7Sr0.3MnO3からなる光熱変換層がある。これはペロブスカイト酸化物の一種で、入射した太陽光を高効率で熱に変える。海水がこの高温の表面に達すると、すぐに蒸発して塩が残る。水蒸気はその後、より低温の表面へ移動して凝縮し、液体の真水として回収される。
重要な特徴は、流れの向きにある。研究チームは、高温の表面上で流体が一方向に移動するよう設計し、塩分濃度の勾配を生み出した。溶けたイオンは水分活性の低い周縁部へ移動し、光を遮らない場所で固体の塩として結晶化する。この自己洗浄効果により、中央の光熱変換領域は太陽光にさらされた状態を保ち、周縁部では塩を回収や再利用のために集められる。形状と流路が主要な役割を担い、ポンプや膜、頻繁な手作業での清掃が不要になる。
材料La0.7Sr0.3MnO3の特長
装置の中核を担うのが、一般にLSMOと略されるLa0.7Sr0.3MnO3だ。光学特性や電気特性を調整できる材料として知られる、ペロブスカイト酸化物の一種である。太陽電池で一般的な鉛系ハロゲン化物ペロブスカイトとは異なり、LSMOはランタン、ストロンチウム、マンガンで構成され、揮発性または有毒な鉛に依存しない。そのため、安定性と環境安全性が欠かせない水関連用途に適している。
LSMOが光熱変換材料として優れているのは、太陽光を受けたときの励起電荷キャリアの振る舞いによる。簡単に言えば、この材料の電子構造にはトラップ準位が形成される。光によって電子が高いエネルギー状態に励起されると、その多くは光を放出せずに再結合し、エネルギーを熱として直接放出する。この非放射過程は熱緩和と呼ばれ、入射した太陽エネルギーの多くを表面の局所的な熱に変える。効率よく熱が放出されることで温度が速やかに上がり、同じ太陽光量でも蒸発が促進される。
塩の問題を解決
塩による汚れは、長年にわたり太陽熱淡水化の妨げとなってきた。水が蒸発すると、溶けていた塩が濃縮され、やがて高温の表面で結晶化する。結晶は光を散乱させ、熱伝達を妨げるため、蒸発速度が大幅に落ちる。従来のシステムの多くは数時間は順調に稼働するものの、その後は清掃が必要になったり、塩を洗い流すために稼働を止めたりしていた。UNISTのチームは、複雑なコーティングや可動部品ではなく、形状と制御された流れによってこの課題に取り組んでいる。
逆L字型の形状と一方向の流れによって安定した塩分濃度勾配が生まれ、イオンは最も明るく熱い領域から遠ざけられる。結晶は周縁部で核を形成して成長するため、容易に回収できる。実験室での試験では、溶解塩分の総濃度が20％に達する非常に塩分の濃い溶液でも、装置は2週間にわたり性能を維持した。この濃度は工業プロセスから排出される濃縮塩水で一般的で、外洋の海水をはるかに上回る。実際の海水で稼働させる際の余裕が大きく、塩水の濃縮や資源回収にも利用できる可能性を示している。
性能を数字で見る
公表された蒸発速度は、太陽光強度が標準条件の「1サン」の下で1平方メートル当たり毎時3.40キログラム。1サンとは、1平方メートル当たり約1キロワットの標準試験用太陽光を指す。同様の試験で、多くの受動式ソーラー蒸留装置の蒸発量は1平方メートル当たり毎時約0.3～0.4キログラムであり、UNISTの試作機はその8～10倍の速度で稼働する。実際の一日当たりの水の生産量は、一日を通した現地の日照量と、水蒸気を液体に戻す凝縮器の効率によって変わる。数時間にわたって強い日差しが続けば、報告された速度で稼働する1平方メートルのモジュールから、1日に数十リットル規模の水を得られる可能性がある。複数のモジュールを並べれば、さらに生産量を増やせる。
蒸発速度と、実際に供給される飲料水の量は区別する必要がある。実験室での数値は、毎時どれだけの質量が高温の表面から水蒸気として離れるかを測ったものだ。実用システムでは、熱損失を抑えながら水蒸気のほぼすべてを回収し、凝縮させて清潔な貯水槽に集めなければならない。優れた凝縮器の設計や断熱、潜熱の再利用により、システム全体の生産量を蒸発器の能力に近づけられる。UNISTのチームは、装置の防汚性能も安定した出力に大きく寄与すると指摘している。光熱変換表面が清浄に保たれれば、長期間にわたり光吸収と発熱の両方を維持できるためだ。
従来の淡水化技術との比較
現代の淡水化では逆浸透法が主流だ。高圧で海水を微細な膜に通し、都市や産業向けに大量の真水をつくる。一方で、代償も伴う。逆浸透法では水1立方メートルの生産に数キロワット時の電力を消費し、膜を保護する前処理が必要で、適切な管理を要する濃縮塩水を排出する。プラントの建設には多額の資本が必要で、通常は電力網か専用電源に接続される。
UNISTの設計のような受動式太陽熱蒸発器は、加圧やポンプ、大量の電力を必要としない。単位時間・面積当たりの生産量は少ないものの、電力網につながずに静かに稼働でき、保守も比較的簡単だ。塩を周縁部で結晶化させることで、塩水の量も減らせる。気候条件が適した地域では、モジュール式蒸発器を並べ、家庭や診療所、農場に飲料水を供給できる。より大規模な設置なら、地域社会の需要にも対応できるだろう。都市部では、太陽熱蒸発は大規模プラントに取って代わるより、強靱なバックアップや、電力網の末端にある遠隔地域向けの解決策として補完する可能性が高い。
用途と導入の道筋
この装置は、電力網の利用が限られ、保守要員も不足している場所を想定している。島のコミュニティーや漁村、沿岸部の農場がその例だ。嵐や地震、紛争で水道インフラが機能しなくなった後の人道支援活動にも適している。構想はモジュール式で、小規模な需要には単体パネルを、大きな需要には複数台をまとめて設置できる。騒音が小さく、高圧機器も使わないため、信頼性と安全性が重要な学校や診療所にも適している。
塩を周縁部へ導く設計のため、このシステムは資源回収にも活用できる。濃縮した液体の塩水を排出する代わりに、乾燥した塩や結晶化したほかの鉱物を回収できる。環境負荷を減らし、小規模な収益源を生み出すことにもつながる可能性がある。研究チームは将来、複数の逆L字型蒸発器を大型モジュールに組み込む案を示しており、現場への導入や保守をより簡単にする道筋となり得る。
大規模化に向けた課題
実験室の試作機を現場で使える装置に移行するには、材料や製造、熱管理に細心の注意が必要だ。蒸発器の紙製吸水材は、何カ月も続く乾湿の繰り返しや海洋生物による汚れ、紫外線に耐えなければならない。光熱変換表面は、劣化を最小限に抑えながら光吸収と熱変換の性能を維持する必要がある。LSMOは熱安定性に優れたペロブスカイト酸化物であり、この点で有利だ。コストは製造方法にも左右される。低温で広い面積に均一な膜を形成できる技術なら、費用を抑え、再現性を高められる。
凝縮と熱回収は、システム効率の要となる。水蒸気1キログラムには大量の潜熱が含まれている。流入する海水と熱を共有する表面で水蒸気を凝縮させる設計なら、そのエネルギーを再利用して総出力を高められる。装置の囲いは熱損失と水蒸気の漏れを抑えると同時に、清掃しやすくする必要がある。ほこりやしぶき、塩の結晶にも、簡単な清掃で対処できなければならない。非常に高い塩分濃度での耐久試験は有望な結果を示したが、長期的な耐久性や保守の必要性を実証するには、沿岸環境で数カ月にわたる試験が必要だ。支援団体や地域の公益事業者との連携は、こうした試験を進め、気候に応じた設計を検討するうえで役立つ。
気候と持続可能性
太陽熱淡水化は、電力網のない場所で明確な気候面の利点をもたらす。電力を太陽光に置き換え、ディーゼル発電機の燃料消費と排出を避けられる。一方、ランタンやストロンチウムの調達から、吸収材や筐体の製造まで、ライフサイクル全体の環境負荷も考慮しなければならない。耐久性の高い材料と簡単な組み立てを採用すれば、稼働期間を延ばし、製造時に生じる炭素排出を長年の使用に分散できる。高圧ポンプが不要なため、エネルギー消費と騒音も抑えられ、沿岸地域の住民や野生生物にとって利点となる。
排出される廃棄物も従来のプラントとは異なる。UNISTの方式では周縁部で塩を結晶化できるため、沿岸近くの海域に濃縮塩水を放出する量を減らせる。可能であれば、回収した塩を工業プロセスで再利用したり、安全な形で塩田に戻したりできる。これは、淡水化を海洋生態系とより両立させる取り組みや、世界的な開発目標に掲げられた安全な水と衛生の実現にも沿う。気候変動によって干ばつや熱波が激しさを増すなか、豊富な海水を最小限のエネルギーで安全な飲料水に変える実用的な技術は、各地の気候適応計画で重要性を増すだろう。
要点
- UNISTの研究者は、電力を使わず、太陽光強度が標準条件の「1サン」の下で1平方メートル当たり毎時3.40キログラムの蒸発量を報告した太陽熱淡水化装置を開発した。
- 紙製の吸水材と逆L字型の形状を使い、海水を光熱変換表面へ導く。
- 光熱変換層はLa0.7Sr0.3MnO3というペロブスカイト酸化物で、非放射再結合によって太陽光を熱に変える。
- 一方向の流れで塩を周縁部へ導き、高温の中心部での汚れや遮光を抑える。
- 耐久試験では、通常の海水より塩分濃度が高い20％の溶液で2週間安定して稼働した。
- 一般的な受動式ソーラー蒸留装置の蒸発量は1平方メートル当たり毎時0.3～0.4キログラムで、今回の報告値は約8～10倍に当たる。
- 塩の回収に対応し、多くの従来方式と比べて液体の濃縮塩水の排出を減らせる。
- モジュールを複数並べれば、電力網のない村や診療所、島、災害救援活動に水を供給できる可能性がある。
- 研究成果は「Advanced Energy Materials」に掲載された。チ・ヒョン・チャン教授が率い、主著者はソーラブ・チャウレ博士。
- 実用時の生産量とコストは、現地試験や凝縮器の設計、量産可能な製造方法によって左右される。
