塩辛くならないでください: 明日の世界で淡水化を機能させるには

人間の消費や農業に使用できる水は不足していることが多いですが、この地球の 4 分の 3 は水で覆われています。問題は塩を除去することですが、これは通常、地球の水循環によって行われ、雨や同様の現象が発生して真水の量が補充されます。地球上の水の約 3% は淡水であり、そのうちの一部は飲料水です。

過去数十年にわたって、特にサウジアラビア、イスラエル、アラブ首長国連邦などの国々で、淡水化の利用が年々増加していますが、カリフォルニアなどの乾燥した米国の州では、淡水化技術への関心が高まっています。使用される技術の正確さに関係なく、淡水化が直面する明白な障害には、これらのシステムを稼働させるために必要なエネルギーと、他の国からの輸入に比べて製造された飲料水の最終コストが含まれます。

淡水化に伴うその他の問題としては、特に塩水廃棄物や取水管に吸い込まれる海洋生物による環境への影響が挙げられます。淡水化の必要性が高まる中、電力需要と環境への影響を軽減するために利用可能なオプションは何ですか?

一般的なタイプの脱塩は蒸留であり、これは本質的に地表水の蒸発を通じて自然界でも起こっていることです。水は加熱されると蒸発し、塩やその他の溶解固体が残ります。このプロセスを高熱を用いて段階的に行う場合、多段フラッシュ蒸留（MSF）と呼ばれます。これは、加熱した段階を使用する多重効用蒸留（MED）と合わせて、最も一般的な 3 つの蒸留形式の 1 つです。蒸気を次の段階に結合させ、熱を効果的に再利用します。しかし、これまでのところ最も一般的なタイプの蒸留 (シェア約 69%) は逆浸透 (RO) です。これは、膜間の圧力差を利用して水分子は通過させますが、塩やその他の多くの溶解固体は通過させません。

覚えておくべき重要な点は、これらの大規模な脱塩プロセスからの生成物は、水とその他の残留物にきちんと分離されないということです。代わりに、本質的に塩水である濃縮物の流れによる真水の出力（RO の場合は約 40%）があり、取水口の塩水または汽水に含まれるいかなる汚染物質も許容します。この濃縮物の流れは、取水が取水された海または他の水域に戻されるものである。

この濃縮水の流れは、海水の約 2 倍とはるかに高い塩分濃度に加えて、熱淡水化プラントの取水よりもはるかに高い温度も持っています。放出された塩水の温度上昇は地元の海洋生物に明らかな悪影響を及ぼしますが、塩水のプルームは場所によっては放出場所から最大 5 km 離れた場所でも持続すると報告されています。これにより、この地域は塩分濃度の高い水を苦手とする多くの種の生息に適さなくなります。

このことの多くは、Ihsanullahらによる2021年8月のレビューで強調されています。今日の海水淡水化施設が環境に与える既知の影響と、海水淡水化をより環境に優しいものにするための戦略について詳しく説明します。このレビューでは、取水に一般的に添加され、最終的に環境に排出される可能性のある次のような添加剤も取り上げています。

さらに、廃棄物の流れには、熱交換器や淡水化プラントの他のコンポーネントの腐食の結果として生じる、銅やニッケルなどの他のさまざまな汚染物質が含まれる可能性があります。脱塩プロセスの性質上、重金属濃度も増加します。この廃棄物の流れによる環境への影響を軽減するために、海水淡水化プラントからの廃棄物の流れは、環境に戻される前に処理されることが増えています。

1980 年代までは加熱脱塩の使用が一般的であり、RO が商業的に利用可能になったのはこの頃です。 RO の大きな利点は、生成される淡水 1 立方メートルあたりのエネルギー要件がはるかに低いことです (Elsaid et al., 2020)。MSF (120°C で動作) が特に熱的に最も多くのエネルギーを必要とします。 MED は、後続の段階で熱を再利用するため、消費電力が大幅に削減されます。 Ihsanullah et al. からここに再掲された表に見られるように、 (2021) によれば、RO の場合、熱エネルギー要件がないため、デフォルトで効率が大幅に向上し、膜を横切る圧力勾配を生成するために必要な電気エネルギーのみが必要になります。

電気や火力発電ではなく電気を必要とするため、基本的にあらゆる定常電源を使用できるため、RO は非常に汎用性が高く、小規模な設備にも大規模な設備にも適しています。熱式淡水化装置の市場シェアが急速に減少していることを考慮すると、RO および同様の膜ベースの技術が当面は市場を支配し続ける可能性があります。

容量性イオン化 (CDI) と電気透析/電気透析反転 (それぞれ ED と EDR) は、いくつかの新しい技術の一部であり、主にかん水向けではありますが、使用されています。ナノ濾過 (NF) や同様の濾過技術とともに、これらは材料の問題やより高い電力使用量 (特に CDI および ED/EDR) によって抑制されています。 WNA によると、その他の技術としては、電気脱イオン化、膜蒸留、順浸透 (FO) が挙げられています。

熱式であろうと膜式であろうと、淡水化プラントに電力を供給するための魅力的なエネルギー源は原子炉です。これらは電力と熱の両方を供給することができ、例えば日本の JAEA は GTTHTR300 と呼ばれる高温反応器を動力源とする MSF 淡水化プラントを実証しています。 MSF は取水の前処理を必要としない RO よりも、例えば重度の汚染水などに容易に対処できるため、原子炉（今日の既存の軽水炉を含む）からの廃熱により、MSF と MED は RO との競争力がさらに高まる可能性がある。現在の主に天然ガスを動力源とするMSFおよびMEDの淡水化プラントからの汚染を防止します。

このことは、例えばカザフスタン（BN-350高速炉）や日本などで過去数十年にわたって実証されており、10基の脱塩プラントが主にMEDとROを採用した加圧水型原子炉（PWR）によって駆動されている。韓国では、一部の PWR が MED 淡水化プラントも稼働させており、主に独自の冷却システム用の水を生成します。エジプトとパキスタンでは、新しい原子力発電所が MED および RO 施設の稼働にも使用されています。

海水淡水化プラントからの廃棄物の流れは環境に戻されるのが一般的ですが、代わりにこの濃縮された塩水をできるだけ多く使用する十分な理由があります。特に取水として海水を使用する場合、脱塩プロセスの出口の濃縮物には、大量のマグネシウム、金、ウラン、臭素、カリウム、セシウム、ルビジウム、リチウムが含まれており、その少なくとも一部は、経済的に回収可能。

最近、私たちは海水からのウランの回収に注目しましたが、これは、ウランが数ppmしか溶解していないため困難であり、興味深いと思われる他の金属や鉱物についても同様です。海洋には地殻から合理的に採掘できる量よりも多くのウランなどが含まれていますが、実際にはそれが希釈された水がさらに多く存在します。

海水淡水化プラントは水の量を大幅に減らすため、論理的には、結果として生じる「廃棄物」にはウランやリチウムなどの濃度がはるかに高くなり、この濃縮された流れからそれらをろ過して除去することが魅力的になる可能性があります。この結果、この濃縮物のほとんどではないにせよ、かなりの量を使用できるようになり、環境中に排出される汚染された可能性のある塩水の量が削減される可能性があります。

より安価で環境に優しい電力源を淡水化プラントに使用し、これらのプラントから生成される「廃棄物」から可能な限り多くの資源を使用する場合、実際には、他の場所での採掘によるコストと環境へのダメージを節約できる可能性があります。おそらく、淡水化に関するあらゆる議論において最も役立つのはこの視点です。

前述したように、原子力発電所が淡水化に関与するのは一般的です。このプロセスが本質的に廃熱に相当するものを使用する MED 技術を使用して実行でき、塩性廃棄物が適切に処理されれば、何百万人もの人々に大量の飲料水を提供できる可能性があります。過小評価することができない淡水化部分の重要な部分の 1 つは、海、海洋、またはその他の重要な汽水または塩水源へのアクセスが必要であるということです。

都市が砂漠の真ん中にある場合、飲料水は常にパイプラインなどで供給する必要があります。しかし、それはまったく別の話です。