飲料水の安全性と工業生産性の向上に貢献する新しいろ過方法

飲料水の安全性と工業生産性の向上に貢献する新しいろ過方法 テクノロジー

タフツ大学工学部の研究チームは、生物学にヒントを得た新しいフィルター技術を開発しました。この技術は、世界で数千万人が罹患している飲料水関連の病気を抑制するだけでなく、環境修復、工業・化学生産、鉱業などのプロセスを改善する可能性があります。

米国科学アカデミー紀要によると、研究者らは、この新しいポリマー膜が、他の方法で報告されている2倍の選択性で、フッ化物を塩化物やその他のイオン(電気を帯びた原子)から分離できることを実証しました。研究者らは、この技術を応用することで、人間が摂取するには高すぎるレベルのフッ化物が自然に存在する水道水で、フッ化物の毒性を防ぐことができるとしています。

水道にフッ化物を添加すると、虫歯などの発生率が低下することはよく知られています。しかし、あまり知られていないですが、地下水の中には自然界に存在するフッ化物の量が非常に多く、深刻な健康問題を引き起こす可能性があるという事実があります。過剰なフッ化物に長期間さらされると、歯が弱くなったり、腱や靭帯が石灰化したり、骨の変形につながったりするフッ素症を引き起こす可能性があります。世界保健機関(WHO)は、飲料水に含まれる過剰なフッ化物濃度により、世界中で数千万人の歯と骨格のフッ素症が発生していると推定しています。

比較的安価な膜でフッ化物を除去することができれば、高圧ろ過や、すべての成分を完全に除去してから飲料水を再石灰化することなく、地域社会をフッ素症から守ることができます。

工学研究科の化学・生物工学准教授であるAyse Asatekin氏は次のように述べています。

イオン選択膜が飲料水に含まれる過剰なフッ化物を減少させる可能性があることは、非常に心強いことです。しかし、この技術の潜在的な有用性は、飲料水だけでなく、他の課題にも及びます。私たちが使用した膜の製造方法は、産業用にスケールアップすることが容易です。また、フィルターとしての実装も比較的簡単で低コスト、環境的にも持続可能なため、農業用水の改善、化学物質の廃棄物の浄化、化学物質の生産性向上などに幅広く応用できる可能性があります。例えば、理論的には、このプロセスは、持続可能なリチウム電池生産のための限られた地中埋蔵量のリチウムや、原子力発電に必要なウランの収率を向上させることができる。

生物の細胞膜の高い選択性を模倣した合成高分子膜

生物の細胞膜の高い選択性を模倣した合成高分子膜

合成膜のデザインを開発するにあたり、Asatekin氏のチームは生物学からヒントを得ました。細胞膜は、イオンの出入りを非常に選択的に行うことができ、さらにイオンや分子の内外の濃度を非常に精密に調節することができます。

生物学的なイオンチャネルは、大きさや電荷、水との親和性が異なる機能性化学基をチャネルに並べることで、これらの小さなイオンの通過をより選択的にする環境を作り出しています。通過するイオンとこれらの基との相互作用は、チャネルの細孔のナノメートルサイズによって強制され、通過速度は相互作用の強弱によって影響を受けます。

Asatekin氏の研究チームが作成したろ過膜は、多孔質の支持体上に双性イオンポリマー(分子グループの表面にプラスとマイナスの電荷が密接に結合しているポリマー)をコーティングして設計されており、水をはじくプラスとマイナスの電荷をもつ化学基に囲まれたナノメートルよりも狭いチャネルを持つ膜を作成しています。生物学的なチャネルと同様に、孔のサイズが非常に小さいため、イオンは孔の中の荷電基や水をはじく基と相互作用せざるを得ず、あるイオンは他のイオンよりもはるかに速く通過することができます。今回の研究では、フッ化物と塩化物の選択を目標に、ポリマーの組成を変えた。双性イオンポリマーの組成を変えれば、異なるイオンの選択を狙うことができるはずだ、と研究者たちは言います。

現在のほとんどのろ過膜は、粒子や分子の大きさや電荷の著しい違いによって分子を分離するが、単原子イオンはサイズが小さく、電荷がほぼ同じ場合には区別することが難しい。

一方、タフツ大学の研究者たちが開発した膜は、原子の直径の数分の1しか違わないイオンを、電荷がほぼ同じであっても分離することができます。

今回の研究に資金を提供したケンブリッジのZwitterCo社は、イオン分離膜の製造のスケールアップを検討し、産業界での応用をテストする予定です。

Source:TuftsNow, DOI: 10.1073/pnas.2022198118

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