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淡水化は、塩水からミネラル成分を取り除くプロセスです。より一般的には、淡水化は物質から塩とミネラルを取り除くことです。[1]一例として、土壌の淡水化があります。これは農業にとって重要です。塩水、特に海水を淡水化して、人間の消費や灌漑用の水を生成することができます。淡水化プロセスの副産物は塩水です。[2]多くの遠洋船舶や潜水艦は淡水化を使用しています。現代の淡水化への関心は、主に人間の使用のための費用対効果の高い真水の提供に焦点を当てています。リサイクルされた廃水とともに、それは降雨に依存しない数少ない水資源の1つです。 [3]
海水の淡水化は、エネルギー消費量が多いため、一般に表層水や地下水からの淡水化、水のリサイクル、節水よりもコストがかかります。しかし、これらの代替手段は常に利用できるとは限らず、水資源の枯渇は世界中で重大な問題となっています。[4] [5] [6]淡水化プロセスでは、熱処理（蒸留の場合）または膜ベースの方法（逆浸透の場合など）が使用されます。[7] [8] : 24
2018年の推計では、「150か国以上で18,426の淡水化プラントが稼働しており、毎日8,700万立方メートルのきれいな水を生産し、3億人以上に供給している」とされている。[8] : 24 エネルギー強度は改善しており、現在は約3 kWh/m 3 （2018年）で、 1970年の20～30 kWh/m 3から10分の1に減少している。 [ 8] : 24 それでも、 2016年には淡水化が水部門で消費されたエネルギーの約25％を占めていた。 [8] : 24
歴史
古代ギリシャの哲学者アリストテレスは著書『気象学』の中で、「塩水は蒸気になると甘くなり、蒸気が凝縮しても再び塩水になることはない」と述べ、上質な蝋の容器は海水に十分長く浸すと塩を濾過する膜として機能し、飲料水として使えるようになると述べている。[9]
同じ頃、中国では海水の淡水化が記録されている。『戦国山水経』と『東漢同年論』には、米を蒸すときに使う竹製のマットが長期間使用すると薄い外層を形成することが発見されたと記されている。形成された薄い膜には吸着機能とイオン交換機能があり、塩を吸着することができる。[10]
淡水化の実験例は古代から中世にかけて数多く見られましたが[ 11]、淡水化が大規模に実行可能になったのは近代になってからでした。[12]この実験の良い例はレオナルド・ダ・ヴィンチ（フィレンツェ、1452年）のもので、彼は蒸留器を調理用ストーブに改造することで蒸留水を安価に大量に作れることに気づきました。[13]中世の間、中央ヨーロッパの他の地域では蒸留の改良に関する研究が続けられましたが、必ずしも淡水化に向けられたものではありませんでした。[14]
最初の大規模な陸上淡水化プラントは、1560年にチュニジア沖の島に緊急事態下で設置されたと考えられています。 [14] [15] 700人のスペイン兵の駐屯地がトルコ軍に包囲され、包囲中に指揮官が1日あたり40バレルの真水を生産できる蒸留器を製作したと考えられていますが、その装置の詳細は報告されていません。[15]
産業革命以前は、淡水化は主に外洋船の関心事であった。そうでなければ船内に真水を備蓄する必要があったからである。南洋を広範囲に航海したリチャード・ホーキンス卿（1562-1622）は、船上で蒸留することで船員に真水を供給できたと報告している。[16]さらに、1600年代初頭には、フランシス・ベーコンやウォルター・ローリーなど、当時の著名人が淡水化に関する報告書を発表した。[15] [17]これらの報告書やその他の報告書[18]が、淡水化装置に関する最初の特許紛争のきっかけとなった。水の淡水化に関する最初の2つの特許は、1675年と1683年に承認された（それぞれウィリアム・ウォルコットとロバート・フィッツジェラルド（およびその他）が発行した特許第184号[19]と特許第226号[20] ）。しかし、スケールアップが困難であったため、どちらの発明も実用化には至らなかった。[14] 1600年代半ばから1800年までの150年間、基本的な海水蒸留プロセスに大きな改善は行われなかった。
1780年代にフリゲート艦プロテクターがデンマークに売却されたとき（フサレン号として）、その蒸留器は非常に詳細に研究され記録された。[21]米国では、トーマス・ジェファーソンが1500年代に遡る熱を利用した方法をカタログ化し、実用的なアドバイスを策定し、航行許可証の裏側にすべての米国船に公表した。[22] [23]
1800年頃から、蒸気機関の登場といわゆる蒸気の時代により、状況は変化し始めました。[14]蒸気プロセスの熱力学に関する知識[24]と、ボイラーで使用するための純水源の必要性[25] は、蒸留システムに関してプラスの効果を生み出しました。さらに、ヨーロッパの植民地主義の拡大により、世界の遠隔地で淡水の必要性が生じ、水の淡水化に適した気候が生まれました。[14]
蒸気を使用するシステム（多重効用蒸発器）の開発と改良と並行して、これらのタイプの装置はすぐに淡水化の可能性を実証しました。[14] 1852年、アルフォンス・ルネ・ル・ミール・ド・ノルマンディーは、垂直管式海水蒸留装置の英国特許を取得しました。この装置は、設計の単純さと建設の容易さにより、船上での使用で人気を博しました。[14]陸上の装置は、19世紀後半まで目立った登場をしませんでした。[26] 1860年代に、米国陸軍は、それぞれ定格7000ガロン/日のノルマンディー蒸発器を3台購入し、キーウェスト島とドライ・トートゥガス島に設置しました。[14] [26] [27] 1880年代には、スアキンに別の陸上プラントが設置され、そこの英国軍に真水を供給しました。[14] [26]
第二次世界大戦後、多重効果フラッシュ淡水化（MEF）や多段フラッシュ淡水化（MSF）など多くの技術が開発または改良されました。もう一つの注目すべき技術は凍結融解淡水化です。[28]凍結融解淡水化（クライオ脱塩またはFD）は、結晶化によって塩水から溶解したミネラルを取り除きます。[29]
塩水局は、1952年の塩水転換法に基づいて、1955年に米国内務省内に設立されました。 [5] [30]この法律は、カリフォルニア州と米国内陸西部の水不足をきっかけに制定されました。内務省は、さらなる進歩のために、研究助成金、専門家、特許データ、実験用の土地などのリソースを割り当てました。[31]
これらの努力の結果、世界中で200以上の電気透析および蒸留プラントの建設、逆浸透（RO）研究、国際協力（例えば、1965年の第1回国際淡水化シンポジウムおよび博覧会）が行われました。[32]塩水局は1974年に水資源研究局に統合されました。[30]
アメリカ初の工業用淡水化プラントは、10年にわたる地域的な干ばつの後、1961年にテキサス州フリーポートに開設されました。 [5]
1960年代後半から1970年代前半にかけて、ROは従来の熱淡水化装置に代わる有望な結果を示し始めました。研究はカリフォルニア州立大学、ダウ・ケミカル社、デュポン社で行われました。[33]多くの研究は、淡水化システムを最適化する方法に焦点を当てています。[34] [35]最初の商用ROプラントであるコーリンガ淡水化プラントは、1965年にカリフォルニア州で汽水用に開設されました。[36] シドニー・ローブ博士は、 UCLAのスタッフと共同で、ROに関するデータを収集するための大規模なパイロットプラントを設計しましたが、コーリンガの住民に真水を提供できるほど成功しました。これは、ROの実現可能性と、既存の技術と比較したその利点（効率、相変化が不要、常温での動作、スケーラビリティ、標準化の容易さ）を証明したため、淡水化技術におけるマイルストーンでした。[37]数年後の1975年に、最初の海水逆浸透淡水化プラントが稼働しました。
2000年時点では2000以上のプラントが稼働している。最大のものはサウジアラビア、イスラエル、UAEにあり、最大のプラントはサウジアラビア（ラス・アル・ハイル）にあり、その生産量は1,401,000 m3/日である。[38]
2021年現在、22,000基のプラントが稼働している[38]。2024年にカタルーニャ政府は、深刻な干ばつに対処するために、バルセロナ港の近くに浮体式洋上プラントを設置し、コスタブラバ北部地域向けに12基の移動式淡水化ユニットを購入した。[39]
2012年の平均コストは1立方メートルあたり0.75ドルでした。2022年までに（インフレ前）0.41ドルに下がりました。淡水化供給は10％以上の複利で増加しており、7年ごとに2倍になっています。[40]
アプリケーション
| 外部オーディオ | |
|---|---|
 「砂漠に花を咲かせる：自然を利用して干ばつから救う」、蒸留ポッドキャストとトランスクリプト、エピソード 239、2019 年 3 月 19 日、科学歴史研究所 |
A – 蒸気流入 B – 海水流入 C – 飲料水流出
D – 塩水流出（廃棄物） E –凝縮水流出 F – 熱交換 G – 凝縮水収集（淡水化水）
H – 塩水ヒーター
圧力容器は、向流熱交換器として機能します。真空ポンプが容器内の圧力を下げ、右側から容器に入る加熱された海水（塩水）の蒸発を促進します（暗い色は温度が低いことを示します）。蒸気は、真海水が左から右に移動する容器上部のパイプで凝縮します。
現在、世界中で約21,000の淡水化プラントが稼働しています。最大のものはアラブ首長国連邦、サウジアラビア、イスラエルにあります。世界最大の淡水化プラントはサウジアラビア（ラス・アル＝ハイル発電・淡水化プラント）にあり、1日あたり1,401,000立方メートルの能力があります。[41]
淡水化は現在、ほとんどの代替水源に比べて高価であり、淡水化によって満たされる水は人類の総使用量のごく一部に過ぎない。[42]通常、乾燥地域での高付加価値用途（家庭用や工業用など）でのみ経済的に実用的である。しかし、農業用途やシンガポール[43]やカリフォルニア[44 ]などの人口密集地域での淡水化は増加している。[45]最も広範囲に使用されているのはペルシャ湾である。[46]
2005年の研究では、コストが低下していること、そして海に近い裕福な地域では一般的にこの技術が肯定的であることに注目しながらも、「淡水化は水不足の地域では解決策となるかもしれないが、貧しい地域、大陸の奥地、または標高の高い地域には適さない。残念ながら、そこには最も深刻な水問題を抱える地域もいくつか含まれる」と主張し、「実際、輸送コストを淡水化コストと同等にするには、水を2000メートル持ち上げるか、1600キロメートル以上輸送する必要がある」としている。[47]
そのため、淡水をどこか他の場所から輸送する方が、淡水化するより経済的である可能性がある。ニューデリーのように海から遠い場所や、メキシコシティのように標高が高い場所では、輸送コストが淡水化コストに匹敵する可能性がある。また、リヤドやハラレのように海からやや遠く標高が高い場所でも、淡水化された水は高価である。対照的に、北京、バンコク、サラゴサ、フェニックス、そしてもちろんトリポリのような沿岸都市など、他の場所では輸送コストがはるかに安い。[48]サウジアラビアのジュバイルで淡水化された後、水は320km内陸のリヤドまで汲み上げられる。[49]沿岸都市にとって、淡水化はますます競争力のある選択肢と見なされるようになっている。
2023年、イスラエルはガリラヤ湖の水供給を補充するために淡水化を利用していた。[50]
淡水化が近い将来に経済的に実行可能で環境的に持続可能であると誰もが確信しているわけではない。デビー・クックは2011年に、淡水化プラントはエネルギーを大量に消費し、コストがかかる可能性があると書いている。したがって、水不足の地域では、淡水化プラントに投資するよりも、保全やその他の水供給ソリューションに重点を置く方が良いかもしれない。[51]
テクノロジー
淡水化は、塩水（一般的には海水）を淡水に変換する人工的なプロセスです。最も一般的な淡水化プロセスは、蒸留と逆浸透です。[52]
いくつかの方法があります。[53]それぞれに長所と短所がありますが、どれも有用です。方法は、膜ベース（例：逆浸透）と熱ベース（例：多段フラッシュ蒸留）の方法に分けられます。[2]従来の淡水化プロセスは蒸留（つまり、海水を沸騰させて再凝縮し、塩分と不純物を残す）です。[54]
現在、世界の淡水化能力の大部分を占めている技術は、多段フラッシュ蒸留と逆浸透の 2 つです。
蒸留
太陽熱蒸留
太陽熱蒸留は、太陽が海水を蒸発させるのに十分なほど温める自然の水循環を模倣したものです。[55]蒸発後、水蒸気は冷たい表面に凝縮されます。[55]太陽熱淡水化には2つのタイプがあります。1つ目のタイプは、太陽電池を使用して太陽エネルギーを電気エネルギーに変換し、淡水化に電力を供給します。2つ目のタイプは、太陽エネルギーを熱に変換するもので、太陽熱淡水化として知られています。
自然蒸発
水は、太陽光照射以外にもさまざまな物理的効果によって蒸発することがあります。これらの効果は、IBTS 温室の多分野にわたる淡水化方法論に組み込まれています。IBTS は、片側が工業用淡水化 (発電) プラントで、もう片側が自然の水循環 (1:10 に縮小) で稼働する温室です。蒸発と凝縮のさまざまなプロセスは、ローテクのユーティリティ、一部は地下、建物自体の建築形状で行われます。この統合されたバイオテクスチュラル システムは、水の蒸留に 1 km 2 のフットプリントがあり、砂漠の緑化における景観変換、つまり自然の淡水循環の再生にも同じフットプリントがあるため、大規模な砂漠の緑化に最適です。[要出典]
真空蒸留
真空蒸留では大気圧が下がるため、水を蒸発させるのに必要な温度が下がります。蒸気圧が周囲圧力と等しくなると液体は沸騰し、蒸気圧は温度とともに増加します。実際、周囲圧力が通常の大気圧より低い場合、液体はより低い温度で沸騰します。したがって、圧力が下がるため、発電や工業プロセスからの低温の「廃」熱を利用できます。
多段フラッシュ蒸留
多段階フラッシュ蒸留（一連のフラッシュ蒸発）によって、海水から水が蒸発して分離されます。[55]後続の各フラッシュプロセスでは、前のステップで発生した水蒸気の凝縮から放出されるエネルギーが使用されます。[55]
多重効用蒸留
多重効用蒸留（MED）は、「効用」と呼ばれる一連のステップを経て機能します。[55]流入する水はパイプに噴霧され、加熱されて蒸気を生成します。次に、蒸気は流入する次の海水を加熱するために使用されます。[55] 効率を高めるために、海水を加熱するために使用される蒸気は、近くの発電所から取得できます。[55]この方法は、熱を動力源とする方法の中で最も熱力学的に効率的ですが、[56]最大温度や効用数などのいくつかの制限があります。[57]
蒸気圧縮蒸留
蒸気圧縮蒸発法では、機械式コンプレッサーまたはジェット気流を使用して、液体の上にある蒸気を圧縮します。[56] 圧縮された蒸気は、残りの海水の蒸発に必要な熱を供給するために使用されます。[55]このシステムは電力のみを必要とするため、小規模に維持するとコスト効率が高くなります。[55]
波力発電による淡水化
波力淡水化システムは、一般的に機械的な波の動きを逆浸透のための水力エネルギーに直接変換します。[58]このようなシステムは、電気への変換を避け、浸透圧を超える過剰な加圧を最小限に抑え、水力および波力コンポーネントを革新することで、効率を最大化し、コストを削減することを目指しています。[59] その一例が、水中ブイを使用して海水を淡水化する波力発電技術であるCETOです。[60]波力淡水化プラントは、2013年に西オーストラリア州のガーデンアイランドで[61]、2015年にパースで稼働を開始しました。 [62]
膜蒸留
膜蒸留法では、膜の温度差を利用して塩水溶液から蒸気を蒸発させ、冷たい側に純水を凝縮させます。[63]膜の設計は、効率と耐久性に大きな影響を与える可能性があります。ある研究では、 PVDF - HFPとシリカエアロゲルの同軸電界紡糸によって作成された膜は、30日間連続使用した後、塩の99.99％をろ過できることが分かりました。[64]
浸透
逆浸透
設備容量と年間成長率の点から見て、海水淡水化の主流プロセスは逆浸透（RO）である。[66] RO膜プロセスは、半透膜と加圧（膜供給側）を使用し、塩分を除去しながら膜を透過する水を優先的に誘導する。逆浸透プラント膜システムは、通常、熱淡水化プロセスよりもエネルギー消費量が少ない。 [56]淡水化プロセスのエネルギーコストは、水の塩分濃度、プラントの規模、プロセスタイプによって大きく異なる。現在、例えば海水淡水化のコストは従来の水源よりも高いが、効率性の向上、[67]プラントの設置面積の削減、プラントの運用と最適化の改善、より効果的な供給前処理、低コストのエネルギー源など、技術の向上により、コストは引き続き低下すると予想される。[68]
逆浸透は、極薄の芳香族ポリアミド薄膜からなる薄膜複合膜を使用する。このポリアミド膜は膜に輸送特性を与え、薄膜複合膜の残りの部分は機械的支持を提供する。ポリアミド膜は高密度で空隙のないポリマーであり、表面積が大きいため、高い透水性が得られる。[69]最近の研究では、透水性は主にポリアミド活性層の内部ナノスケール質量分布によって決まることが判明した。[70]
逆浸透プロセスにはメンテナンスが必要です。イオン汚染（カルシウム、マグネシウムなど）、溶存有機炭素（DOC）、バクテリア、ウイルス、コロイドおよび不溶性粒子、生物付着およびスケーリングなど、さまざまな要因が効率を妨げます。極端な場合には、RO膜が破壊されます。損傷を軽減するために、さまざまな前処理段階が導入されています。スケーリング防止抑制剤には、酸やその他の薬剤（有機ポリマーのポリアクリルアミドやポリマレイン酸、ホスホネート、ポリリン酸塩など）が含まれます。ファウリング抑制剤は、塩素、オゾン、次亜塩素酸ナトリウムまたはカルシウムなどの殺生物剤（バクテリアやウイルスに対する酸化剤として）です。膜の汚染、海水条件の変動、または監視プロセスによって要求された場合に応じて、定期的に膜を洗浄する必要があります。これは緊急フラッシングまたはショックフラッシングと呼ばれます。フラッシングは淡水の溶液中の抑制剤を使用して行われ、システムをオフラインにする必要があります。この方法は、汚染された水が処理されずに海に流されるため、環境的に危険です。敏感な海洋生息地は回復不能なダメージを受ける可能性があります。[71] [72]
オフグリッドの太陽光発電淡水化ユニットは、太陽エネルギーを利用して丘の上の緩衝タンクに海水を満たします。[73] 逆浸透プロセスは、重力によって日光のない時間に加圧された海水供給を受け取り、化石燃料、電力網、またはバッテリーを必要とせずに持続可能な飲料水生産をもたらします。[74] [75] [76]ナノチューブも同じ機能（つまり逆浸透）に使用されます。
順浸透
順浸透は半透膜を使用して溶解した溶質から水を分離します。この分離の原動力は、高濃度の「抽出」溶液などの浸透圧勾配です。[2]
凍結融解
凍結融解淡水化（または凍結淡水化）は、凍結を利用して塩水から淡水を取り除く方法です。塩水は、氷の山が積もるパッドに凍結状態で噴霧されます。季節が暖かくなると、自然に脱塩された融解水が回収されます。この技術は、長期間の自然な氷点下条件に依存しています。[77]
アレクサンダー・ザルチンが発明した、天候に左右されない別の凍結融解法では、真空状態で海水を凍結します。真空状態では、脱塩された氷が溶けて回収用に転用され、塩が回収されます。
電気透析
電気透析は電位を利用して、塩を一対の帯電膜を通して移動させ、交互のチャネルに塩を捕捉する。[78]電気透析には、従来の電気透析、逆転電気透析など、いくつかのバリエーションが存在する。[2]
電気透析は海水から塩分と炭酸ガスを同時に除去することができる。 [79]予備的な推定では、このような炭素除去にかかる費用は、副産物として生成される淡水化水の販売で、全額ではないにせよ大部分を賄うことができると示唆されている。[80]
微生物による淡水化
微生物淡水化セルは、電気活性細菌を利用してその場で水の淡水化を行う生物学的電気化学システムであり、電気活性細菌の自然な陽極と陰極の勾配を利用して内部にスーパーキャパシタを形成します。[4]
その他のテクニック
2024年4月、オーストラリア国立大学の研究者らは、淡水化のための新しい技術の実験結果を発表しました。この技術、熱拡散淡水化は、塩水を温度勾配のあるチャネルに通すものです。この温度勾配の下で、熱拡散と呼ばれるプロセスで種が移動します。研究者らはその後、水をいくつかの部分に分離しました。チャネルを複数回通過させた後、研究者らはNaCL濃度を25000ppmまで下げ、元の水量の10%の回収率を達成することができました。[81]
デザイン面
エネルギー消費
淡水化プロセスのエネルギー消費量は水の塩分濃度に依存します。汽水淡水化では海水淡水化よりも少ないエネルギーで済みます。[82]
海水淡水化のエネルギー強度は改善しており、現在は約3kWh/m3（2018年）で、 1970年の20～30kWh/ m3から10分の1に低下しています。 [8] : 24 これは、長距離輸送される他の淡水供給のエネルギー消費量と似ていますが、[83] 0.2kWh/m3以下の地元の淡水供給よりもはるかに高いです。[84]
海水淡水化の最小エネルギー消費量は、前濾過と取水・排水ポンプを除いて約1kWh/m 3と決定されている[82] [85] [86] 。逆浸透膜技術により2kWh/m 3未満[87]が達成されているが、1970年代の逆浸透エネルギー消費量は16kWh/m 3であったため、さらなるエネルギー削減の余地は限られている。[82]
米国の国内水をすべて淡水化で供給すると、国内のエネルギー消費量は約10％増加し、これは家庭用冷蔵庫のエネルギー消費量と同程度となる。[88]国内消費量は総水使用量の比較的小さな割合を占める。[89]
注: 「電気当量」とは、所定の熱エネルギー量と適切なタービン発電機を使用して生成できる電気エネルギーの量を指します。これらの計算には、消費されるアイテムの構築または改修に必要なエネルギーは含まれません。
淡水化はエネルギーを大量に消費し、それに伴う経済的・環境的コストも考慮すると、一般的には節水後の最後の手段と考えられています。しかし、価格が下がり続けるにつれて、この状況は変わりつつあります。
コージェネレーション
コージェネレーションとは、単一のプロセスから余剰熱と発電を生み出すことである。コージェネレーションは、発電所が淡水化のためのエネルギーを供給する統合型、または「二重目的」施設で淡水化に使用可能な熱を供給することができる。あるいは、施設のエネルギー生産を飲料水生産専用にしたり（独立型施設）、余剰エネルギーを生産してエネルギーグリッドに組み込んだりすることもできる。コージェネレーションにはさまざまな形態があり、理論的にはあらゆる形態のエネルギー生産を使用することができる。しかし、現在および計画中のコージェネレーション淡水化プラントの大部分は、エネルギー源として化石燃料または原子力のいずれかを使用している。ほとんどのプラントは中東または北アフリカにあり、限られた水資源を補うために石油資源を使用している。二重目的施設の利点は、エネルギー消費をより効率的にできるため、淡水化がより実行可能になることである。[91] [92]
二重目的施設の現在の傾向は、逆浸透淡水化からの透過水と熱淡水化からの留出水を混合するハイブリッド構成である。基本的に、2つ以上の淡水化プロセスが発電と組み合わされている。このような施設は、サウジアラビアのジッダとヤンブーで導入されている。[93]
米軍の典型的な超大型空母は、原子力を利用して1日あたり150万リットル（33万英ガロン、40万米ガロン）の水を淡水化することができる。[94]
淡水化の代替手段
水利用の効率性を高める可能性が大きい地域では、節水と効率性の向上が最も費用対効果の高いアプローチです。 [95]廃水の再生は、塩水の淡水化に比べて多くの利点がありますが、[96]通常は淡水化膜を使用します。[97] 都市の流出水と雨水の捕捉も、地下水の処理、修復、再涵養に利点があります。[98]
アメリカ南西部で提案されている淡水化の代替案は、水資源の豊富な地域から、水運搬船に改造された石油タンカーやパイプラインで大量の水を商業的に輸入するというものである。このアイデアは、北米自由貿易協定（NAFTA）の主張の結果として政府が大量の水の輸出に貿易障壁を課したカナダでは政治的に不評である。[99]
カリフォルニア州水資源局とカリフォルニア州水資源管理委員会は、州議会に報告書を提出し、都市部の水道供給業者が屋内での水使用効率基準を2023年までに1人当たり1日55米ガロン（210リットル）に削減し、2025年までに1日47米ガロン（180リットル）、2030年以降までに1日42米ガロン（160リットル）に削減することを推奨した。[100] [101] [102]
費用
淡水化のコストを決定する要因には、施設の容量と種類、場所、給水、労働力、エネルギー、資金調達、濃縮物の処分などがある。海水の淡水化にかかるコスト（インフラ、エネルギー、メンテナンス）は、河川や地下水からの淡水、水のリサイクル、節水よりも一般的に高いが、代替手段が利用できるのはまれである。2013年の淡水化コストは0.45～1.00米ドル/m3であった。コストの半分以上はエネルギーコストから直接生じ、エネルギー価格は非常に不安定であるため、実際のコストは大幅に異なる可能性がある。[103]
発展途上国では未処理の淡水のコストは1立方メートルあたり5ドルに達する可能性がある。[104]
1975年以来、淡水化技術は大きな進歩を遂げ、海水から1立方メートルの淡水を生成する平均コストは2000年の1.10ドルから今日では約0.50ドルにまで低下しました。このコスト削減に貢献している主な要因は、淡水化効率の向上です。エネルギー消費は依然として大きなコスト要素であり、淡水化プロセスの総コストの最大半分を占めています。[105]
特にエネルギー資源が限られている地域では、淡水化によってエネルギー消費量が大幅に増加する可能性があります。例えば、島国キプロスでは、淡水化が国全体の電力消費量の約5％を占めています。[105]
世界の淡水化市場は2023年に200億ドルと評価されました。乾燥した沿岸地域の人口増加に伴い、この市場は2032年までに倍増すると予測されています。2023年には世界の淡水化能力は1日あたり9900万立方メートルに達し、2003年の1日あたり2700万立方メートルから大幅に増加しました。[105]
脱塩装置は圧力、温度、塩水濃度を制御して効率を最適化します。原子力による脱塩は大規模に行えば経済的かもしれません。[110] [111]
2014年、イスラエルのハデラ、パルマヒム、アシュケロン、ソレクの施設では、1立方メートルあたり0.40米ドル未満で水を淡水化していました。[112] 2006年時点で、シンガポールは1立方メートルあたり0.49米ドルで水を淡水化していました。[113]
環境問題
摂取量
米国では、冷却水取水構造は環境保護庁（EPA）によって規制されている。これらの構造は、淡水化施設の取水口と同様の環境への影響を及ぼしうる。EPAによると、取水構造は、魚介類やその卵を産業システムに吸い込むことで環境に悪影響を及ぼす。そこで、生物は熱、物理的ストレス、または化学物質によって死んだり傷ついたりしている可能性がある。大型生物は、取水構造の前面にあるスクリーンに閉じ込められて死んだり傷ついたりしている可能性がある。[114]これらの影響を緩和する代替取水タイプにはビーチウェルがあるが、より多くのエネルギーとより高いコストが必要である。[115]
クィナナ淡水化プラントは2007年にオーストラリアのパース市にオープンした。同プラントとクイーンズランド州のゴールドコースト淡水化プラント、シドニーのカーネル淡水化プラントの水は0.1 m/s（0.33 ft/s）の速度で取水されており、魚が逃げるのに十分な速度である。このプラントは1日あたり約140,000 m 3（4,900,000 cu ft）のきれいな水を供給している。[116]
流出
淡水化プロセスでは、おそらく室温以上の温度で大量の塩水が生成され、前処理および洗浄化学物質の残留物、それらの反応副産物、および腐食による重金属（特に火力発電所の場合）が含まれます。[117] [118]ほとんどの淡水化プラントでは、化学的な前処理と洗浄が必須であり、これには通常、火力発電所での生物付着、スケール、発泡、腐食の防止、膜プラントでの生物付着、浮遊物質、スケール堆積の防止が含まれます。[119]
塩水を海に戻すことによる環境への影響を抑えるために、廃水処理場や発電所の排水口など、海に流入する別の水流で塩水を希釈することができる。中規模から大規模の発電所や淡水化プラントでは、発電所の冷却水流量は淡水化プラントの流量より数倍多い可能性があり、混合液の塩分濃度は低下する。塩水を希釈する別の方法は、混合ゾーンの拡散器を介して混合することである。たとえば、塩水を含むパイプラインが海底に到達すると、多数の枝に分かれ、それぞれが全長にわたる小さな穴から徐々に塩水を放出する。混合は、発電所や廃水処理プラントの希釈と組み合わせることができる。さらに、廃棄前に塩水を処理するために、ゼロ液体排出システムを採用することができる。[117] [120]
もう一つの可能性は、淡水化プラントを移動可能にし、淡水化プラントで生成され続ける塩水が一箇所に溜まるのを避けることです。そのような移動可能な（船に接続された）淡水化プラントがいくつか建設されています。[121] [122]
塩水は海水よりも密度が高いため、海底に沈み、生態系にダメージを与える可能性があります。塩水柱は時間の経過とともに薄まり、周囲の環境にほとんど影響を与えない濃度まで減少することが確認されています。しかし、研究では、発生した水深により希釈が誤解を招く可能性があることが示されています。希釈が夏季に観察された場合、季節的なサーモクライン現象が発生し、濃縮された塩水が海底に沈むのを妨げた可能性があります。これにより、海底の生態系が破壊されるのではなく、その上の水が破壊される可能性があります。淡水化プラントからの塩水拡散は数キロメートル離れた場所まで移動することが確認されており、プラントから遠く離れた生態系に害を及ぼす可能性があります。適切な対策と環境調査による慎重な再導入により、この問題を最小限に抑えることができます。[123] [124]
エネルギー使用
中東では深刻な水不足により、淡水化のためのエネルギー需要が2030年までに倍増すると予想されている。現在、このプロセスでは主に化石燃料が使用されており、エネルギー源の95％以上を占めている。2023年には、この地域の住宅部門のエネルギーのほぼ半分が淡水化に消費された。[125]
その他の問題
プロセスの性質上、海岸線上または海岸近くの約25エーカーの土地にプラントを設置する必要がある。[126]内陸に建設されるプラントの場合、取水と排出を容易にするためにパイプを地中に埋設する必要がある。[126]しかし、パイプを地中に埋設すると、近くの帯水層に漏れて汚染する可能性がある。[126]環境リスクとは別に、特定のタイプの淡水化プラントが発生する騒音は大きい場合がある。[126]
健康面
ヨウ素欠乏症
淡水化により水からヨウ素が除去され、ヨウ素欠乏症のリスクが高まる可能性がある。イスラエルの研究者らは、海水淡水化とヨウ素欠乏症の間に関連がある可能性があると主張し、[127]ヨウ素の少ない水にさらされた成人の間でヨウ素欠乏症が見られたこと[128]と、その地域の飲料水に占める海水逆浸透（SWRO）の割合が増加していることを発見した。[129]その後、研究者らは、淡水化された海水に依存する集団でヨウ素欠乏症の可能性があることを発見した。 [ 130] イスラエルの研究者らは、大量の淡水化水の使用と国家的なヨウ素欠乏症の関連の可能性を示唆した。[131]彼らは、イスラエルの一般人口におけるヨウ素欠乏症の負担が大きいことを発見した。学齢期の子供の62%と妊婦の85%が、WHOの適正範囲を下回っている。[132]彼らはまた、国民のヨウ素摂取量が低い理由として、ヨウ素が枯渇した淡水化水への国家的な依存、塩の普遍的なヨウ素添加プログラムの欠如、イスラエルにおける甲状腺薬の使用増加の報告を指摘した。[133]調査が行われた年に、淡水化プラントから生産された水の量は、イスラエルのすべての需要に供給される淡水量の約50％、家庭用および工業用水の約80％を占めていた。[134]
実験技術
その他の淡水化技術には以下のものがあります。
廃熱
熱駆動型淡水化技術は、低温の廃熱源との使用が頻繁に提案されている。低温は多くの産業プロセスで必要なプロセス熱には役立たないが、淡水化に必要な低温には理想的だからである。[56]実際、廃熱との組み合わせは、電気プロセスを改善することさえできる。 ディーゼル発電機は、遠隔地に電力を供給するのが一般的である。エネルギー出力の約40〜50％は、排気ガスを介してエンジンから出る低品位の熱である。膜蒸留システムなどの熱淡水化技術をディーゼルエンジンの排気ガスに接続すると、この低品位の熱が淡水化に再利用される。このシステムはディーゼル発電機を積極的に冷却し、効率を改善して電力出力を増加させる。これにより、エネルギー中立の淡水化ソリューションが実現する。一例として、オランダの会社Aquaverが2014年3月にモルディブのグリにプラントを建設した。 [135] [136]
低温熱
低温熱淡水化（LTTD）はもともと海洋熱エネルギー変換研究から生まれたもので、低圧、常温でも水が沸騰することを利用する。このシステムではポンプを使用して低圧、低温の環境を作り出し、2つの水量の間で8～10℃（14～18℉）の温度勾配で水が沸騰する。冷たい海水は最大600メートル（2,000フィート）の深さから供給される。この水はコイルに送られ、水蒸気を凝縮する。その結果得られる凝縮水は精製水である。LTTDは発電所で利用できる温度勾配を利用する可能性があり、発電所からは大量の温水が排出されるため、温度勾配を作るために必要なエネルギー入力が削減される。[137]
この手法をテストするために米国と日本で実験が行われた。日本では、佐賀大学がスプレーフラッシュ蒸発システムをテストした。[138]ハワイでは、国立エネルギー研究所が、表面水と約500メートル（1,600フィート）の深さの水との間の20℃（36℉）の温度差を利用して、淡水と電力を生成するオープンサイクルOTECプラントをテストした。LTTDは、2004年にインドの国立海洋技術研究所（NIOT）によって研究された。同研究所の最初のLTTDプラントは、2005年にラクシャディープ諸島のカバラティに開設された。このプラントの容量は100,000リットル（22,000英ガロン、26,000米ガロン）/日で、資本コストは5,000万インドルピー（922,000ユーロ）である。このプラントは10～12℃（50～54℉）の深層水を使用する。[139] 2007年、NIOTはチェンナイ沖に1日100万リットル（22万英ガロン、26万米ガロン）の能力を持つ実験的な浮体式LTTDプラントを開設した。2009年には北チェンナイ火力発電所に小規模なプラントが建設され、発電所の冷却水が利用できる場所でのLTTDの適用性を実証した。[137] [140] [141]
熱電子プロセス
2009年10月、ソルトワークステクノロジーズは、太陽熱やその他の熱を利用してイオン電流を発生させ、イオン交換膜を使用して水からすべてのナトリウムイオンと塩素イオンを除去するプロセスを発表しました。[142]
作物の蒸発と凝縮
海水温室は、太陽エネルギーで駆動する温室内の自然な蒸発と凝縮のプロセスを利用して、乾燥した沿岸地域で作物を栽培します。
イオン濃度分極（ICP）
2022年、MITの研究者らは、複数段階のイオン濃度分極とそれに続く単一段階の電気透析を使用する技術を使用して、溶解塩と浮遊固形物の両方を除去できるフィルターレスのポータブル淡水化ユニットを作成することに成功しました。[143]遠隔地や自然災害、および軍事作戦での専門家以外の人が使用できるように設計されたプロトタイプは、スーツケースサイズで、寸法は42×33.5×19cm 3、重量は9.25kgです。[143]このプロセスは完全に自動化されており、水が安全に飲めるようになったときにユーザーに通知し、ボタン1つまたはスマートフォンアプリで制御できます。高圧ポンプを必要としないため、このプロセスは非常にエネルギー効率が高く、生成される飲料水1リットルあたりわずか20ワット時しか消費せず、一般的なポータブルソーラーパネルで電力を供給できます。低圧でのフィルターレス設計または交換可能なフィルターを使用すると、メンテナンスの必要性が大幅に軽減され、デバイス自体はセルフクリーニングされます。[144]しかし、この装置は1分間に0.33リットルの飲料水しか生産できない。[143]また、特に濁度の高い水では、汚れが長期的な信頼性に影響を与えるのではないかという懸念もある。研究者たちは、将来的に製品を商品化することを目指して、効率と生産率の向上に取り組んでいるが、現在の設計では高価な材料に依存していることが大きな制限となっている。[144]
その他のアプローチ
吸着型淡水化（AD）はシリカゲルなどの特定の材料の水分吸収特性に依存しています。[145]
順浸透
1つのプロセスは、モダンウォーター社によって順浸透法を使用して商業化されており、いくつかのプラントが稼働していると報告されています。[146] [147] [148]
ハイドロゲルベースの淡水化
この方法のアイディアは、ハイドロゲルを水性塩溶液と接触させると、元のイオン組成とは異なるイオン組成の溶液を吸収して膨張するという点にあります。この溶液は、ふるいや精密濾過膜によってゲルから簡単に絞り出すことができます。閉鎖系でのゲルの圧縮は塩濃度の変化につながりますが、開放系での圧縮は、ゲルがバルクとイオンを交換している間に、イオンの数の変化につながります。開放系と閉鎖系の条件での圧縮と膨張の結果は、冷蔵庫の逆カルノーサイクルを模倣しています。唯一の違いは、このサイクルでは熱の代わりに、塩イオンを低塩分のバルクから高塩分のバルクに移動させることです。カルノーサイクルと同様に、このサイクルは完全に可逆的であるため、原理的には理想的な熱力学的効率で機能します。この方法は浸透膜を使用しないため、逆浸透法と競合できます。さらに、逆浸透法とは異なり、この方法は給水水質や季節変化の影響を受けにくく、任意の濃度の水を生産することができます。[149]
小規模太陽光発電
米国、フランス、アラブ首長国連邦は、実用的な太陽光淡水化の開発に取り組んでいる。[150]アクアダニア社のウォータースティラーは、エジプトのダハブとメキシコのプラヤデルカルメンに設置されている。この方法では、 2平方メートルの太陽熱集熱器で、地元の水源から1日あたり40〜60リットルの水を蒸留できる。これは、従来の蒸留器の5倍の量である。これにより、ペットボトルやエネルギーを消費する水の輸送が不要になる。 [ 151]中央カリフォルニアでは、新興企業ウォーターFXが、処理して再利用できる流出水を含む地元の水の利用を可能にする太陽光発電による淡水化方法を開発している。この地域の塩分を多く含む地下水は処理されて淡水になり、海に近い地域では海水も処理できる。[152]
パサレル
パサレル法は、蒸発脱塩に熱ではなく減圧を使用する。蒸留によって生成された純水蒸気は、その後、高度なコンプレッサーを使用して圧縮され、凝縮される。圧縮プロセスは、蒸発室の圧力を低下させることで蒸留効率を向上させる。コンプレッサーは、デミスター（残留不純物を除去）を通った純水蒸気を遠心分離し、収集室のチューブに対して圧縮する。蒸気の圧縮により、蒸気の温度が上昇する。熱はチューブに落ちる入力水に伝達され、チューブ内の水が蒸発する。水蒸気はチューブの外側で凝縮して製品水となる。パサレル法は、いくつかの物理的プロセスを組み合わせることで、蒸発、デミスト、蒸気圧縮、凝縮、および水移動プロセスを通じて、システムのエネルギーの大部分をリサイクルできるようにしている。[153]
地熱
地熱エネルギーは淡水化を促進することができます。ほとんどの地域では、環境的にも経済的にも、希少な地下水や地表水を使用するよりも地熱淡水化の方が優れています。[要出典]
ナノテクノロジー
現在の膜よりも高い透過性を持つナノチューブ膜は、RO淡水化プラントの設置面積を最終的に削減する可能性があります。また、このような膜の使用により、淡水化に必要なエネルギーが削減されることも示唆されています。[154]
密閉されたスルホン化ナノ複合膜は、10億分の1レベルまでのさまざまな汚染物質を除去できることが示されており、高塩分濃度レベルに対する感受性はほとんどないか、まったくありません。[155] [156] [157]
バイオミメシス
電気化学
2008年、シーメンス・ウォーター・テクノロジーズは、1立方メートルの水を淡水化するために電界を印加する技術を発表しました。この技術は、わずか1.5kWhのエネルギーしか使用しません。これが正確であれば、このプロセスは他のプロセスの半分のエネルギーを消費することになります。[159] 2012年現在、シンガポールで実証プラントが稼働しています。[160]テキサス大学オースティン校とマールブルク大学の研究者は、電気化学的に媒介された海水淡水化のより効率的な方法を開発しています。[161]
電気ショック
電気動電衝撃波を利用するプロセスは、常温常圧で膜を使わない淡水化を実現するために使用できる。[162]このプロセスでは、塩水中の陰イオンと陽イオンが、電気動電衝撃波を使用してそれぞれ炭酸イオンとカルシウム陽イオンと交換される。カルシウムイオンと炭酸イオンが反応して炭酸カルシウムが形成され、それが沈殿して淡水が残る。この方法の理論的なエネルギー効率は、電気透析や逆浸透と同等である。
温度スイング溶媒抽出
温度スイング溶媒抽出 (TSSE) では、膜や高温の代わりに溶媒を使用します。
溶媒抽出は化学工学でよく使われる技術です。低温（70℃（158℉）未満）で活性化できるため、積極的な加熱は必要ありません。ある研究では、TSSEにより塩水中の塩が最大98.4％除去されました。[163]溶解度が温度によって変化する溶媒を塩水に加えます。室温では、溶媒が塩から水分子を引き離します。次に、水を含んだ溶媒を加熱すると、溶媒から塩分がなくなった水が放出されます。[164]
この技術は、海水の最大 7 倍の塩分濃度の塩水を淡水化することができます。比較すると、現在の方法では、海水の 2 倍の塩分濃度の塩水しか処理できません。
波力エネルギー
小規模な沖合システムでは、波力エネルギーを利用して1日30～50m3の淡水化を行っています。このシステムは外部電源なしで稼働し、リサイクルされたペットボトルで作られています。[165]
植物
トレード・アラビアは、サウジアラビアが毎日790万立方メートルの淡水化水を生産しており、これは2021年末時点で世界総量の22％に相当すると主張している。[166]
- パースは2006年に逆浸透海水淡水化プラントの稼働を開始しました。[167]パースの淡水化プラントは、エミューダウンズ風力発電所からの再生可能エネルギーによって部分的に電力を供給されています。[116] [168]
- 現在、シドニーでは淡水化プラントが稼働しており[169]、ビクトリア州ウォンサギではウォンサギ淡水化プラントが建設中であった。ニューサウスウェールズ州バンゲンドーの風力発電所は、シドニーのプラントのエネルギー使用量を相殺するのに十分な再生可能エネルギーを生成することを目的として建設され[170]、有害な温室効果ガス排出に関する懸念を軽減している。
- 2008年1月17日のウォールストリートジャーナルの記事には、「11月にコネチカット州に本拠を置くポセイドン・リソーシズ社は、サンディエゴ北部のカールスバッドに3億ドルの淡水化プラントを建設するための重要な規制当局の承認を獲得した。この施設は1日あたり19万立方メートルの飲料水を生産し、約10万世帯に供給できる量となる。[171] 2012年6月現在、淡水化水のコストは1エーカーフィートあたり2,329ドルに上昇した。[172] 1エーカーフィートあたり1,000ドルは、1,000ガロンあたり3.06ドル、または1立方メートルあたり0.81ドルとなる。[173]
新たな技術革新により淡水化の資本コストが下がり続けているため、水不足問題に対処するための小さな要素として淡水化プラントを建設する国が増えています。[174]
- イスラエルは1立方メートルあたり53セントで水を淡水化している[175]
- シンガポールでは1立方メートルあたり49セントで水を淡水化しており[176]、また逆浸透膜処理で下水を工業用および飲料用に処理している（NEWater）。
- 世界で最も人口の多い二大国である中国とインドは、水需要のわずかな部分を淡水化で賄おうとしている[177] [178]
- 2007年にパキスタンは淡水化を利用する計画を発表した[179]
- オーストラリアのすべての州都（キャンベラ、ダーウィン、ノーザンテリトリー、ホバートを除く）は、淡水化プラントを建設中か、すでに稼働している。2011年後半には、メルボルンがオーストラリア最大の淡水化プラントであるウォンタギ淡水化プラントの稼働を開始し、低い貯水池の水位を上げる予定だ。
- 2007年にバミューダは淡水化プラントを購入する契約を締結した[180]
- 2015年以前、米国最大の海水淡水化プラントはフロリダ州タンパ湾にあり、2007年12月から1日あたり2,500万ガロン（95,000 m 3 ）の水を淡水化している。 [181]米国では、淡水化のコストは1,000ガロンあたり3.06ドル、つまり1立方メートルあたり81セントである。[182]米国では、カリフォルニア州、アリゾナ州、テキサス州、フロリダ州では、水供給のごく一部に淡水化を使用している。[183] [184] [185] 2015年以来、クロード・「バド」・ルイス・カールスバッド淡水化プラントは、1日あたり5,000万ガロンの飲料水を生産している。[186]
- サウジアラビアのジュバイルで淡水化された後、水はパイプラインを通って内陸200マイル（320km）の首都リヤドまで送られます。[187]
2008年現在、「国際淡水化協会によると、世界中で13,080の淡水化プラントが1日あたり120億ガロン以上の水を生産している。」[188] 2009年の推定では、世界の淡水化水の供給量は2008年から2020年の間に3倍になると予想されています。[189]
世界最大の淡水化拠点の一つは、アラブ首長国連邦のジュベル・アリ発電造水施設である。この施設には、さまざまな淡水化技術を採用した複数のプラントがあり、1日あたり220万立方メートルの水を生産することができる。[190]
米軍の典型的な航空母艦は原子力を利用して1日あたり40万米ガロン（150万リットル）の水を淡水化している。[191]
自然の中で
水循環における海洋上の水の蒸発は、自然な淡水化プロセスです。
海氷の形成により、海水中よりもはるかに低い塩分をほとんど含まない氷が生成されます。
海鳥は、奇網を持つ腺で逆流交換を利用して海水を蒸留する。この腺は、くちばしの上の鼻孔の近くに貯蔵された高濃度の塩水を分泌する。その後、鳥は塩水を「くしゃみ」して吐き出す。彼らの環境では通常淡水が得られないため、ペリカン、ミズナギドリ、アホウドリ、カモメ、アジサシなどの一部の海鳥はこの腺を持ち、陸から遠く離れている間も環境の塩水を飲むことができる。[192] [193]
マングローブの木は海水中で育ち、根の一部に塩分を閉じ込めて塩分を分泌し、それを動物（通常はカニ）が食べます。余分な塩分は葉に蓄えて除去し、葉は落ちます。マングローブの種類によっては、葉に腺があり、海鳥の脱塩腺と同様の働きをします。塩分は葉の外側に小さな結晶として抽出され、葉から落ちます。
柳や葦は塩分やその他の汚染物質を吸収し、効果的に水を淡水化します。これは人工湿地で下水処理に使用されます。[194]
社会と文化
海水淡水化プロセスに関連する問題にもかかわらず、その開発に対する国民の支持は非常に高い可能性がある。[195] [196]南カリフォルニアのコミュニティを対象としたある調査では、回答者の71.9%がコミュニティ内での海水淡水化プラントの開発を支持している。[196]多くの場合、淡水不足が高い地域では海水淡水化開発に対する国民の支持が高く、水不足が低い地域では海水淡水化開発に対する国民の支持が低い傾向がある。[196]
参照
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外部リンク
- 国際淡水化協会
- 欧州淡水化協会
- 淡水化システムの動作原理
- 淡水化技術の分類 (CDT)
- SOLAR TOWER プロジェクト – 淡水化のためのクリーンな電力生成。
- 淡水化に関する文献 米国議会図書館
- 淡水化と水と水資源の百科事典