高回収率海水逆浸透システム
淡水生産コストの削減を目的とした最近の傾向は、海水逆浸透（SWRO）システムの使用であり、これにより、淡水化の全体的な回収率が通常の 40-50% から 55-60% に向上します。
最近の高回収システムの総合的なテストによると、SWROシステムのエネルギー消費量は2.1kWh/mであった。32.9kWh/m3海水塩分濃度はそれぞれ35,000 mg/Lと43,000 mg/Lでした。
このエネルギー消費量は、圧力交換器を使用して海水を回収する従来の SWRO システムの消費量と同程度ですが、重要な違いは、高回収率システムの持続可能な回収範囲が 10-20% 高いことです。
より高い回収率を実現する水処理プラントの取水および前処理システムを設計することで、新しい水処理プラントの資本コストと水生産コストを大幅に節約でき、比較的低い資本投資で既存の水処理プラントの淡水生産能力を高めることができます。
先進膜技術と材料
淡水化のエネルギー消費と淡水生産コストを削減するための最新の傾向は、既存の従来の膜要素よりも高い水通過効率を持つナノ構造 (NST) 逆浸透膜の開発です。
NST 膜は本質的には RO 膜であり、膜のポリマー マトリックスにランダムに埋め込まれた個々の線状ナノサイズ チャネル (チューブ/粒子) を含みますが、完全にクラスター化されたナノサイズ チャネル (ナノチューブ) で作られる場合もあります。
NST 膜技術は過去 10 年間で急速に発展しており、最近開発された NST 膜は、従来の膜に無機ナノ粒子を組み込んだもの、または高密度に詰め込まれたナノチューブ アレイで構成される高度に構造化された多孔質膜で作られています。
これらの NST 膜は、従来の RO 膜とほぼ同じ高い除去率で、より高い比透過性を持つことが報告されています。
さらに、NST 膜は、同じ条件下で動作する従来の膜や RO 膜と同等かそれより低い汚染率を持ち、特定のイオンの保持選択性を高めるように設計できます。
塩水資源の利用
循環型経済は、持続可能な世界経済成長の唯一の方法です。たとえば、循環型経済モデルを適用すれば、淡水化プラントで生成される塩水は、カルシウム、マグネシウム、塩化ナトリウムなどの高価値ミネラルの供給源として使用できます。リチウム、ストロンチウム、トリウム、ルビジウムなどの希土類元素も塩水から抽出できます。
最近、世界的な希土類元素市場の圧力により、希土類金属の入手可能性と供給が持続可能な開発に関する議論や研究議題の最前線に浮上しました。これらの金属は、航空機、自動車、スマートフォン、バイオメディカル機器など、多くの製品の主要部品の製造に使用されています。
クリーンエネルギー技術や持続可能な製品、プロセス、製造の開発と導入には、リチウム、銅、コバルト、銀、金などの白金族金属を含む希少金属や貴元素が大量に必要になるという認識が高まっています。
最新の技術動向によると、マグネシウムはアルミニウムより 30% 以上軽いため、自動車、コンピューター、携帯電話業界ではマグネシウムがアルミニウムに取って代わっています。世界のマグネシウムの供給源は限られていますが、海水には大量のマグネシウムが含まれており、淡水化塩水で濃縮し、選択吸着によって抽出することで回収できます。
過去数年間にわたり、淡水化業界では、塩水から商業的に価値のある製品を製造できるように、さまざまな塩水濃縮および鉱物抽出技術が開発されてきました。
海水から鉱物を抽出することは、陸上での採掘よりも環境に優しい事業です。
海水採掘では処理に淡水を必要とせず、廃棄を必要とする大量の汚染水や廃棄物も発生しません。
さらに、これらの新しい塩水濃縮技術により、海洋への塩水の排出を大幅に削減、あるいは完全になくすことができます。
塩水資源技術が発展するにつれ、塩水から高価値鉱物（マグネシウム、リチウム、純粋な塩化ナトリウムなど）を商業的に抽出して得られる収益が、淡水化水の生産コストを相殺できるようになり、その結果、淡水化水は最もコストのかかる持続可能な淡水供給源から、最もコストのかからない淡水供給源へと変化します。
塩水資源の回収は、淡水化のエネルギー持続可能性の課題を解決する鍵となるかもしれない。次世代の原子力発電所は、核燃料としてウランの代わりにトリウムとルビジウムを使用するだろう。
10～50メガワットの小型原子力発電所は、大規模および中規模の淡水化プラントに電力を供給することができます。この新しいエネルギー源の主な利点は、十分な量の原材料を淡水化プラントの塩水から直接抽出できることです。塩水から簡単に抽出できることに加えて、これらの希土類元素のもう1つの利点は、核兵器の製造に使用できないことです。そのため、淡水化塩水は原子力の平和利用のための新しい原材料となり、人類にさらなる利益をもたらします。
化学薬品を使わない淡水化
汽水および海水の逆浸透膜を洗浄するために使用される化学物質は、多くの場合、歯磨き粉、石鹸、市販の洗剤に使用される化学物質と同じです。逆洗水および膜洗浄水は、排出用の脱塩濃縮物に加えられる前に、固形物やその他の汚染物質を除去するために処理されることがよくあります。現代の脱塩プラントで使用されている最先端の脱塩プロセスでは、非常に限られた化学物質しか使用されていません。
さまざまな淡水化処理プロセスで添加されるすべての化学物質は、食品グレードで生分解性があり、水生生物に対して無毒であることが特別に検査されています。淡水化プラントの排出物も海洋生物に対して無毒で無害であり、周囲の海洋生態系に永久的な変化を引き起こすことなく速やかに分解されるように設計されています。
最近、淡水化は化学薬品を使用しない淡水化と濃縮物からの貴重な鉱物や希少金属の回収へと移行しており、淡水化は今世紀最も環境に優しく持続可能な水供給の代替手段の 1 つになると期待されています。
過去 5 年間で、オーストラリア、スペイン、サウジアラビア、中東のその他の地域など、大規模な淡水化プラントを持つ多くの国が、淡水化生産プロセスで使用される化学物質の量と種類を削減することを目的とした包括的なグリーン淡水化プログラムの実施を開始しました。これらの計画では、淡水化技術と研究の最新の進歩を活用し、最終的に既存のすべての施設を化学物質を使用しない淡水化プラントに転換します。
淡水化プラントでは歴史的に、流入する水を塩素処理して、入口パイプ内および逆浸透膜上の海洋生物の増殖を抑制するために次亜塩素酸ナトリウムが使用されてきました。
ほとんどの淡水化プラントの運営者は、ほぼ 10 年前にこの慣行を廃止し、現在は塩素処理を月に 1 回か 2 回、1 回につき 6 ～ 8 時間のみ使用しています。
さらに、淡水化プラントの管理者の中には、化学物質ではなく淡水化プラントの前処理システムを使用して生物付着を制御することを好むため、入ってくる海水に消毒剤を一切使用しない人もいます。
現在、海水の前処理に最も一般的に使用されている凝固剤は塩化鉄と硫酸鉄です。以前は、これらの化学物質は一定の割合で比較的大量に添加されていました。
淡水化業界では、海水中の固形物含有量の自動監視を採用しており、水中の実際の浮遊固形物含有量に比例して凝固剤の投与量を自動的に調整しています。
過去 10 年間に世界中のほとんどの工場がこの運用戦略を採用し、凝固剤の使用量を従来の半分以下に削減しました。
10 年前まで、多くの淡水化プラントでは、水処理化学を最適化するために酸と凝集剤を使用していました。
今日、最先端の淡水化プラントと経験豊富なエンジニアのほとんどは、前処理に酸や凝集剤を使用しなくなり、最適化された前処理システムと操作に依存して水処理化学を管理しています。
2010 年まで、多くの淡水化プラントでは、主に淡水化水からホウ素を除去することで生じるスケールを防止するために、スケール防止剤と水酸化ナトリウムが一般的に使用されていました。2011 年に世界保健機関は飲料水中のホウ素のガイドライン制限を 0.5 mg/L から 2.4 mg/L に引き上げ、それ以来、ほとんどの淡水化プラントでは水酸化ナトリウムとスケール防止剤の添加を中止しています。
化学物質を使わず、再生可能エネルギーに基づいた新しい技術を導入する次のステップは、石灰などの市販のカルシウム化合物を使用するのではなく、塩水から抽出したカルシウムを使用して淡水化水を後処理することです。
エネルギー障壁の打破
海水から塩を分離するには、逆浸透膜に自然に発生する浸透圧を克服するために大量のエネルギーが必要です。淡水化水から飲料水を生産する場合の二酸化炭素排出量は、従来の淡水源から飲料水を生産する場合よりも高くなりますが、食品の冷蔵、風呂のお湯の加熱、自家用車の運転、飛行機での飛行など、生活の質を向上させる他の人間の活動よりは低くなります。
現在、ほとんどの淡水化プラントは発電に化石燃料を使用しています。しかし、オーストラリアでは最近、SWRO淡水化プラントで風力発電プロジェクトがいくつか実施され、淡水化プラントの使用量と同量の電力を発電しています。中東および北アフリカのいくつかの国は、淡水化に電力を供給する再生可能エネルギー発電所の強力なポートフォリオを開発する取り組みを行っています。
再生可能エネルギーの代替手段を模索する一方で、米国、サウジアラビア、ヨーロッパの世界有数の研究センターは、淡水化の総エネルギー消費量を2.45kWh/m未満に削減することを目指して、新世代のエネルギー回収装置、高圧ポンプ、膜を開発している。3逆浸透淡水化のエネルギー需要を1.8kWh/m未満に抑える3これらの進歩により、淡水化プラントの総エネルギー消費量と二酸化炭素排出量は 30% 以上削減されます。
2001 年に最初の圧力交換器が導入されて以来、この画期的な技術により、淡水化エネルギー回収効率は 75% から 96% に向上しました。ただし、エネルギー回収率を理論上の最大値である 99% まで向上させる余地はまだあります。
