添加物不使用・排水なしの太陽熱淡水化と海水からの同時完全鉱物採取

日光と海水を飲料水に変える

多くの沿岸地域は海に囲まれていながら安全な飲料水に事欠いています。本研究は、海水を太陽光だけで淡水に変えつつ、同時に海から有用な鉱物を回収する新しい手法を記述します。このアプローチは、従来の多くの淡水化プラントが生み出す汚れた廃濃縮塩水を避け、よりクリーンで効率的に水と貴重資源を確保する道を目指します。

既存の淡水化が足りない理由

逆浸透などの従来型淡水化プラントは大量のエネルギーを消費し、化学物質と混じった高濃度の塩水を大量に環境へ放出します。この塩水は海洋生物や沿岸生態系、地下水にまで悪影響を及ぼす可能性があります。一方で、海水には陸上では希少で価値のあるものを含む大量の溶存鉱物が含まれています。理想的には、単一のシステムで淡水を供給し、溶けた塩を固体に変換しつつ、液体廃棄物を出さないことが望まれます。

海から水を吸い上げる太陽駆動の金属パネル

この課題に対し、研究者らは海水を吸い上げつつ太陽光を捕える特殊な金属パネルを作製しました。高速レーザー加工で薄いアルミニウム表面に微細な溝の“森”を彫り、さらに小さな構造を被せます。この処理により金属はジェットブラックに近い高吸収性となり、入射するほぼ全ての太陽光を熱に変換します。加えて表面は超親水ウィッキング性を持ち、薄い水膜が毛管力で溝を伝って上方に移動できます。パネルに日光が当たると薄膜が加熱され水は蒸気となって素早く蒸発し、溶けていた塩分は表面に残ります。

作業領域から塩を遠ざける

塩の堆積は通常、流路を塞ぎ光を反射して太陽蒸発器の能力を著しく低下させます。本研究の重要な進歩は、レーザー加工されたパネルが新たに形成される塩の結晶を自動的に中央の作業領域から側方へ押し出し、そこに回収させる点です。著者らは、より深く広い表面の溝が比較的新鮮な海水の強い流れを供給し、塩の成長前線へ到達させることを示しています。顕微鏡観察では、蒸発がまず外側の水境界で塩を濃縮させることが示され、乾燥したコーヒーのリングができる過程に似ています。続いて“塩の浸潤”と呼ばれる過程が働きます：薄い塩水膜が多孔質の塩クラスト上を移動して局所的に溶解させ、さらに外側で再結晶します。この繰り返しにより塩の縁が作業領域から外側へと移動し、中央は清浄かつ効率的に保たれます。

廃濃縮塩水なしで得られる淡水と固形鉱物

標準的な日射条件下の屋内試験で、最適化したパネル設計は約1.76キログラム/平方メートル/時の蒸発速度に達し、入射した太陽エネルギーの約4分の3が水の蒸発に使われます。同時に、蒸発した海水に含まれていた塩のほぼ全てがパネルの受動領域に固体結晶として現れ、ほとんどが下の水へ戻りません。1週間連続運転でも水生産と塩回収は安定し、残存海水の塩分濃度はほぼ一定のままで、液体廃棄塩水が蓄積しないことを示しています。大西洋・太平洋・インド洋の海水での試験でも類似の性能が得られ、凝縮された水は確立された飲料水基準を満たします。

飲める水を作りながら海を採掘する

回収された固体には、期待されるナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウムといった一般的な塩類に加え、わずかな金、セシウム、臭素、ウランなど価値の高い微量元素も含まれていました。著者らは、パネルの一部に選択的な被覆を加えることで、リチウムなど特定の金属を捕捉するようシステムを調整しつつ淡水を生産できる可能性を示唆しています。パネルは水を上方に引き上げられるため、太陽に向けて傾けて日中の出力を向上させることも可能です。要するに、この研究は日光と海水を利用して飲料水と採掘可能な鉱物の両方を生み出し、排水による環境リスクを回避する実用的な道筋を示しています。

引用: Tang, L., Singh, S.C., Wei, R. et al. Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water. Light Sci Appl 15, 246 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02315-4

キーワード: 太陽熱淡水化, 海水, 零液体放出, 鉱物回収, 水の浄化