革命的メンブレン技術で廃水浄化とエネルギー効率を大幅改善

標準メンブレンよりはるかに低圧力で水から浮遊粒子をろ過できる新タイプのメンブレン
従来のトランスメンブレンより3倍長持ちし、エネルギーを2倍節約

水浄化技術は、バクテリア、菌類、ウイルス、藻類、寄生虫、浮遊粒子などの特定物質の濃度を低下させます。物理的、生物学的、化学的プロセスがいくつかあり、過去数十年間、UV光のような電磁放射を用いて水を浄化してきました。

飲料水、化学、産業用途向けの水ろ過と処理プロセスは、米国の総電力消費量のほぼ13%を占め、年間2億9,000万トンの二酸化炭素を大気中に放出しています。文脈で言えば、これは世界中の全人類の体重の合計に相当します。

水を浄化するには、通常、微細な孔を持つメンブレンを通過させます。これらの孔のサイズは水分子より大きい不純物や粒子をろ過するのに十分小さいです。これらのメンブレンは目詰まりにより「摩耗」する傾向があるため、水分子を押し出すにより高い電圧が必要となり、目詰まりしたメンブレンは頻繁に交換が必要で、水処理コストを増大させます。

今、ハーバード大学の研究者たちが、従来のメンブレンよりはるかに低圧力で水から浮遊粒子をろ過できる新タイプのメンブレンを開発しました。これを液体ゲートメンブレン（LGM）と呼んでいます。既存メンブレンよりエネルギー消費の面で2倍効率的で、3倍長持ちします。

LGMは幅広い水処理設定で使用でき、ガス・石油掘削を含む大規模産業プロセスの電力消費とコストを削減します。

仕組み

すべての液体ゲートメンブレンは、特殊な液体でコーティングされており、それが「閉」相で孔を充填・密封し、可逆的なゲートとして機能します。圧力をかけると（水をろ過するため）、メンブレン孔内の液体が端に向かって引き寄せられ、開いた孔が形成され、特定のガスや液体を通過させるように設定できます。

参照: AIP | doi:10.1063/1.5047480 | ハーバード大学

液体の滑りやすい表面により、メンブレンの「摩耗」を防止します。また、LGMは対象物質を異なる液体混合物から分離できるため、産業用液体処理に使用可能です。

標準メンブレンとゲートメンブレンの膜圧（TMP） | 研究者提供

LGMを作成するため、研究者たちは従来のフィルターメンブレンの微小ディスク（25ミリメートル）に、特殊な液体潤滑剤であるパーフルオロポリエーテルを浸透させました。これは30年以上にわたり航空業界で使用されてきました。

テストと応用

研究者たちはベントナイト粘土を水に混ぜ、適切な圧力をかけてLGMの孔を通過させました。その後、結果を従来メンブレンと比較しました。

液体ゲートメンブレンは、従来のものよりはるかに遅く摩耗の兆候を示しました：未処理メンブレンより3倍長く効果的に水をろ過し、メンブレン上に堆積した物質を手動で除去するプロセスが必要になるまで続きました。また、ろ過中にメンブレン上に集まったナノクレイが60%少なかったです。

ろ過を開始するため、LGMは16%少ない圧力で済み、より多くのエネルギーを節約できます。これは、繊維、石油化学、バイオ医薬品製造、食品・飲料加工など、さまざまな産業で使用される水処理メカニズムのろ過速度を向上させる可能性があります。

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