逆浸透膜について誰もが間違っていた—今まで

メナヘム・エリメレクは逆浸透膜を決して受け入れなかった。イェール大学の環境工学プログラムを創設したエリメレクは、海水や廃水をきれいな飲料水に変えるろ過システムの開発者たちの間では、いわばスターのような存在だ。そして、逆浸透膜はろ過技術の中でもスターと言える存在だ。約四半世紀にわたり、世界中で海水淡水化の主流となってきた。しかし、その仕組みを実際に理解している人は誰もいなかった。そして、エリメレクはそれを嫌っていた。

それでも、彼は学生たちにこの技術を教えなければならなかった。長年にわたり、海水中の水分子をプラスチック製ポリアミド膜に押し込む高圧を推定する方法を学生たちに示してきた。膜の片側には純水が、もう片側には塩分濃度の高い塩水が残る。しかし、これらの計算は、エリメレクをはじめとするエンジニアたちを悩ませてきたある仮定に基づいていた。それは、水分子が膜を個別に透過するという仮定だ。「この仮定がずっと気になっていました。全く意味が分からないんです」と彼は言う。

これは難解な工学上の問題のように思えるかもしれないが、エリメレク氏が逆浸透膜に抱く不満は現実世界の問題に基づいている。30億人以上が水不足の地域に暮らしており、2030年までに需要は供給を40%上回ると予想されている。

塩辛い海水を飲料水に変換するには、常に大量のエネルギーを消費してきました。エネルギー資源が豊富な湾岸諸国では、旧式の熱式淡水化プラントが海水を沸騰させて蒸気を回収し、蒸留しています。一方、プラスチック製の膜を複数枚通して水をろ過する新世代の逆浸透膜淡水化プラントは、エネルギー需要をいくらか削減しましたが、それでも十分ではありません。高密度のフィルターに水を送るには依然として大量の電力が必要なため、膜設計のわずかな改善でも大きな効果が得られます。

4月に発表された研究で、エリメレク氏のチームは、水が膜をどのように通過するかについて、かつては厄介な仮定であった仮説が実際には誤りであることを証明しました。彼らはそれを「溶解摩擦」理論に置き換えました。この理論では、水分子はポリマー内の微小で一時的な細孔をクラスター状に通過し、通過時に摩擦が生じるとしています。この摩擦​​の物理的性質は重要です。なぜなら、それを理解することで、淡水化の効率を高めたり、望ましくない化学物質をより効果的に除去したりする膜材料や構造を設計できる可能性があるからです、とエリメレク氏は言います。

より効果的な膜は、自治体の水道システムを改善し、淡水化の範囲を拡大する可能性もあります。「これは大きなブレークスルーの一つです」と、セントラルフロリダ大学の環境エンジニアで、教授になる前に15年間淡水化プラントの設計に携わったスティーブ・デュランソー氏は述べています。「これは、人々がモデル化を始め、これらのシステムの設計方法を理解する方法を変えるでしょう。」

「彼らは見事に成功しました」と、20年前にエリメレクの下で訓練を受けたものの、今回の研究には関わっていないUCLAの環境エンジニア、エリック・フック氏も同意する。「ついに、誰かが棺桶に釘を打ち込んだのです」

新しい「溶解摩擦」という概念の根源は、実のところ古くから存在しています。その背後にある分子数学は、1950年代から1960年代に遡ります。当時、イスラエルの研究者オラ・ケデムとアハロン・カツィール＝カチャルスキー、そしてカリフォルニア大学バークレー校の研究者カート・サミュエル・シュピーグラーは、摩擦、つまりプラスチック膜内の水、塩、そして細孔がどのように相互作用するかを考慮した淡水化方程式を導き出しました。

摩擦とは抵抗のことです。この場合、何かが膜を通過するのがどれだけ難しいかを示します。水に対する抵抗が少なく、塩分など除去したい物質に対する抵抗が高い膜を設計すれば、より少ない労力でよりクリーンな製品が得られる可能性があります。

しかし、このモデルは1965年に別のグループがより単純なモデルを発表したため、棚上げされました。このモデルは、膜を構成する可塑性ポリマーは緻密で、水が通過できるような細孔は存在しないと仮定していました。また、摩擦が役割を果たすとは考えていませんでした。代わりに、塩水溶液中の水分子がプラスチックに溶解し、反対側から拡散すると仮定していました。そのため、このモデルは「溶解拡散」モデルと呼ばれています。

拡散とは、化学物質が濃度の高い場所から低い場所へと流れることです。コップ一杯の水に染料の滴が広がる様子や、キッチンから漂うニンニクの匂いを想像してみてください。拡散は、濃度がどこでも同じになるまで平衡状態に向かって進み続け、ストローで水を吸い込むような圧力差に頼ることはありません。

モデルは定着したが、エリメレクはずっとそれが間違っているのではないかと疑っていた。彼にとって、水が膜を透過して拡散するという事実を受け入れることは、奇妙なことを意味していた。つまり、水が膜を通過する際に個々の分子に分散するのだ。「どうしてそんなことが起こるんだ？」とエリメレクは問いかける。水分子の塊を分解するには、膨大なエネルギーが必要だ。「水を膜に送り込むには、ほとんど蒸発させる必要があるくらいだ」

それでも、フック氏は「20年前は、それが間違っていると主張することは忌み嫌われていました」と言う。フック氏は、逆浸透膜について語る際に「細孔」という言葉を使うことさえしなかった。当時の主流モデルでは細孔が考慮されていなかったからだ。「何年も何年もの間、私はそれらを『相互接続された自由体積要素』と呼んできました」と彼は皮肉っぽく言う。

過去20年間、高度な顕微鏡で撮影された画像は、フックとエリメレクの疑念を裏付けてきました。研究者たちは、淡水化膜に使用されているプラ​​スチックポリマーは、実際にはそれほど密度が高く、無孔ではないことを発見しました。実際には、相互につながったトンネルが存在しますが、そのトンネルの直径は最大でも約5オングストローム（0.5ナノメートル）と極めて小さいです。それでも、水分子1個の長さは約1.5オングストロームなので、小さな水分子の塊がこれらの空洞をすり抜けるのに十分なスペースがあり、一度に1つずつ通過する必要はありません。

約2年前、エリメレクは溶解拡散モデルを覆すのに適切な時期が来たと感じました。彼はチームを結成し、エリメレク研究室のポスドクであるリー・ワンは、小さな膜を通る流体の流れを調べ、実際の測定を行いました。ウィスコンシン大学マディソン校のジンロン・ヘは、圧力によって塩水が膜を通過する際に分子レベルで何が起こるかをシミュレートするコンピューターモデルを改良しました。

溶解拡散モデルに基づく予測では、膜の両側の水圧は同じになるはずです。しかし、この実験では、膜の入口と出口の圧力が異なることを発見しました。これは、単純な拡散ではなく、圧力が膜を通る水の流れを駆動していることを示唆しています。

また、水は相互につながった細孔をクラスター状に通過することも発見しました。これらの細孔は小さいながらも、水が通過するために個々の分子に分散する必要がないほどの大きさです。これらの細孔は、加えられた圧力と自然な分子運動によって、時間の経過とともに膜を横切って現れたり消えたりするようです。

膜の素材によって、これらの細孔は水、塩分、その他の化合物と異なる相互作用をします。エリメレク氏は、エンジニアが膜を設計することで、塩分をより効果的に排除したり（細孔と塩分の相互作用を最大化することで）、水との摩擦を低減したり（細孔が塩分に引き寄せられにくくすることで、水が通り抜けやすくすることで）できると考えています。この2つの膜を分離しやすくすることで、必要な圧力を低減し、エネルギーコストを削減できます。

あるいは、エンジニアが膜をカスタマイズして、ホウ素や塩化物といった環境有害物質をろ過できるのではないかと彼は考えている。海水中のホウ素の約20%はホウ酸として膜を通過してしまう。この量は人体には安全だが、廃水で灌漑された作物には潜在的に有害となる。イスラエルでは、浄水場では農業用水に含まれるホウ素と塩化物を除去するためだけに、追加の解毒処理を施さなければならない。エリメレク氏は、これらの物質を最初の段階でろ過できれば、「資本コストとエネルギーを節約できる」と述べている。

フック氏は、このアイデアは実現可能だが、まだ実現には至っていないと考えている（彼の同僚は最近、ホウ素を遮断する膜の設計を研究した）。技術者たちは、チャネルのサイズ、局所的なpH、あるいは膜細孔の電荷などを微調整するかもしれないと彼は示唆する。

そして、これはホウ素、塩化物、さらには淡水化にまで及ぶ可能性があります。地方自治体の公益事業施設では、飲料水から有害なPFAS（永遠の化学物質）を除去するために逆浸透膜を使用しています。現在の膜は依然として最良のアプローチと考えられていますが、多くの研究者が、毒性化合物を捕捉するためのより優れた膜の開発に取り組んでいます。

デュランソーは、衣類のように柔軟でカスタマイズ可能な膜を夢見ています。ユーザーのニーズに合わせて選択できる膜です。膜は結局のところ、カスタマイズ性の典型であるプラスチックです。エンジニアたちは、この知識が、ポリアミド以外の素材で作られた、PFASや鉛をより効果的に遮断する膜の開発につながるかもしれないと考えています。あるいは、水の塩分濃度（汽水から塩水まで）に応じて膜を選ぶようになるかもしれません。

これにはしばらく時間がかかるかもしれない。エリメレク氏は、バイオテクノロジー企業が新薬のスクリーニングに機械学習を活用しているように、ポリアミドに勝る膜材料を探すアルゴリズムを使うのが最善策ではないかとさえ考えている。「しかし、それは非常に困難です」と彼は指摘する。過去40年以上、ポリアミドより優れた材料は誰も発見していないからだ。とはいえ、少なくとも今では、水の流れに関する科学は明確な方向性を示している。