太陽の力で水を浄化

Oct 16, 2023

発行日: 2023 年 3 月 17 日

著者: ブレット・ビーズリー

「今日の大きな課題は情報技術とエネルギーです」とノートルダム大学物理学・天文学部のオーロラ教授であり、複雑量子物質物理学のトーマス・マルケス教授であるラスロー・フォロ氏は言う。「しかし、明日の大きな課題は、水。"

世界保健機関は、現在約20億人が汚染水を定期的に摂取していると報告しています。 それは、2025 年までに世界人口の半数が水不足に直面する可能性があると推定しています。 影響を受けた人々の多くは、最新の浄水器を稼働させるのに必要なインフラが整っていない農村地域に住んでいますが、その他の人々の多くは、戦争、自然災害、汚染の影響を受けた地域に住んでいます。 電力、衛生設備、交通網のない生活をしている人々に水へのアクセスを拡大する革新的な方法に対するニーズがこれまで以上に高まっています。

最近、Forró の研究室はまさにそのようなソリューションを開発しました。 Nature パートナー誌 Clean Water に記載されているように、彼らは浄水器を開発しました。この浄水器は、世界で最も弱い立場にある人々のほぼすべてが利用できる資源、つまり太陽を利用しています。

Forró のシステムの主要成分は二酸化チタンです。 二酸化チタンは、光散乱特性で知られる容易に入手できる材料です。 ある形態では、これは一部の塗料や歯磨き粉に独特の「チタンホワイト」色を与える顔料です。 また、日焼け止めの有効成分としても機能し、皮膚に到達する前に光を吸収します。

二酸化チタンは別の方法でも光に反応し、「フリーラジカル」と呼ばれる反応性の高い酸素を生成します。 これらのフリーラジカルは、汚染された水に含まれる寄生虫、細菌、ウイルスを破壊することができます。

フォローと彼の同僚は、ナノワイヤーの形で十分な量の二酸化チタンを生成できれば、それを水の浄化に使用する方法を見つけることができることに気づきました。 ナノワイヤーの幅は約10ナノメートルで、人間の髪の毛の幅の約6,000分の1だった。 問題は、ほとんどの研究室では一度に数グラムのナノワイヤしか作成できないことでした。 しかし、フォロー氏と化学者のエンドレ・ホルバス氏は、二酸化チタンのナノワイヤーを大量に生成する新しいプロセスを開拓しました。 新しいプロセスには重要な利点がありました。 一度に1キログラム（2ポンド以上）のナノワイヤを生成できる可能性がある。

より大量の二酸化チタンのナノワイヤを自由に使えるようになり、フォロー氏らは新しい複合材料を形成することができた。 彼らは、懸濁液中でナノワイヤーと炭素でできたナノチューブを混合して、一種のメッシュを形成した。 彼らはメッシュの水気を切り、ブレードを使ってコピー用紙よりも薄くなるまで薄くしました。 次に、その成分が融合してフィルターとして使用できる膜が形成されるまで、材料を加熱しました。

浄化システムを構築するために、フォロ氏のチームはガラスの間にフィルターを挟み、一方の端の上部に入口を、反対側の端の下部に出口を作成しました。 彼らは、装置に流入する水は、互いに並行して実行される 3 つの異なるプロセスによって浄化されるのではないかと推測しました。 一つは機械濾過です。 フィルター素材は、大きな粒子が紙を通過するのをブロックします。 同時に、太陽光は二酸化チタンと相互作用してフリーラジカルを生成し、水中に存在する微生物を破壊します。 同時に、太陽光が濾紙と周囲の水を暖めて低温殺菌し、有害な微生物を確実に死滅させます。 その後、精製水が装置から出てすぐに消費できる状態になります。

プロトタイプが完全に組み立てられたので、フォロ氏と彼の同僚はそれを一連のテストにかけることができました。 ある実験では、近くの川からの水を使用しました。 彼らは、濾過の前後で水の大腸菌を検査し、この装置が水から大腸菌を完全に除去できることを発見しました。 彼らはまた、9つの異なる汚染物質の「カクテル」を混合した水でこの装置をテストした。 これらには、残留薬物、殺虫剤、メンテナンス製品、ホルモン、化粧品が含まれます。 彼らは、フィルターの 3 部構成の衛生プロセスにより、これらの汚染分子のかなりの部分も水から除去されることを発見しました。