太陽の力で水を浄化

Nov 07, 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地方に住んでおり、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の必要性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の形態を生成します。 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、十分な量のナノワイヤの形で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、濾過の前後に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菌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。

フォロー氏の濾過システムに関する最初の研究は、以前所属していたローザンヌのスイス連邦工科大学で始まりましたが、ノートルダム大聖堂スタヴロプロス複雑量子物質センターの初代所長としての新しい役割において、その開発と改良を続けています。 。 彼は化学者と協力してナノワイヤを作成するためのより高度なプロセスを開発しており、ノートルダム大聖堂の IDEA センターと協力して潜在的な商業応用を模索しています。 彼はまた、フィルターをより効率的にするための修正も検討しています。

「現在、1 台の装置で 1 日あたり 2 リットルの水を消毒できるようになりました」と彼は言います。 「一人の飲料水としては十分ですが、他の人や料理や洗濯などの他の用途についてはどうなのでしょうか? より大きなフィルターとより大規模な用途により、さらに大きなメリットが得られると考えています。」

フォロ氏は、他の研究者が自分の装置開発の経験から得てほしい教訓は、伝統的な専門分野の境界を超えて新しい方法で考えることの価値に関するものであると述べています。

「この研究には物理学の進歩が含まれています」とフォロ氏は説明する。 「私たちは二酸化チタンナノワイヤーの特性を基本的なレベルで理解する必要があります。しかし、材料科学もあります。どうすればナノワイヤーをフィルターにできるでしょうか、そしてそれらを加工する最善の方法は何でしょうか。そして生物学と生化学もあります。ブレークスルーは起こります。」専門分野を超えて仕事をし、お互いの語彙を学ぶときです。」

フォロ氏は、細胞分裂に主要な役割を果たすタンパク質ポリマー微小管を研究していた生物学者との共同研究を例として挙げている。 フォローはカーボンナノチューブを測定することで精緻に作り上げた技術を持っており、生物学者は実験室で微小管を作る方法についての知識を持っていた。 時間はかかりましたが、最終的に彼らは微小管の複雑さと機械的特性に関する独創的な研究を発表しました。

フォロにとって、広範かつ学際的な方法で働くことは、世界の最大の問題に常に関心を持ち、科学を社会に役立てることを意味します。

「これは、実用化にもつながる基礎科学の進歩の一例です」と彼は言います。 「それは科学のための科学ではありません。それは社会に関与する科学であり、それが今後も私たちのすべての研究を導き続けるものです。」

フォロ氏の太陽熱浄化装置の開発への継続的な取り組みは、スタブロプロス複雑量子物質センターによって支援されています。

接触：

ブレット・ビーズリー / ライター兼編集プログラムマネージャー

ノートルダム研究 / ノートルダム大学

[email protected] / +1 574-631-8183

リサーチ.nd.edu / @UNDResearch

ノートルダム研究について:

ノートルダム大学は、カトリックの使命に触発された私立の研究および教育大学です。 インディアナ州サウスベンドにあるその研究者たちは、知識の宝庫であり、世界で善を行うための強力な手段となるよう、研究、学問、教育、創造的な努力を通じて人間理解を進めています。 詳細については、research.nd.edu または @UNDResearch を参照してください。

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