水は生命の源であり、世界中のすべてのものの生存の基盤です。私たちが住む地球の水域面積は 70% を超えていますが、淡水資源は 3% 未満です。この淡水の分布は非常に不均一です。湖、川、地下、南極の氷に存在します。人間が消費できる淡水は残り 1% 未満です。

さらに、環境汚染や人口増加などの相次ぐ問題の影響を受け、世界的な淡水資源不足は今後さらに深刻化すると考えられます。したがって、淡水資源の不足の問題を解決することは最優先事項です。

2023年9月13日、中国の科学者らが新しい光熱変換材料に関する論文を雑誌「ネイチャー」に掲載した。この物質の出現により、人類に真水資源が安定的に供給され、安全かつ十分な真水の供給が確保されることが期待されています。

画像出典: Nature 誌。

新材料の調製と原理

太陽エネルギーは再生可能エネルギー源であり、暖房やエネルギー貯蔵に広く使用されています。太陽光による界面水蒸発技術は、10 年近く前から提案されてきました。つまり、太陽エネルギーが吸収されて熱エネルギーに変換され、水分子の水蒸気への蒸発が促進されます。水蒸気は収集され、その後の処理に使用されます。この技術は、きれいな淡水を生成するための海水淡水化の分野で幅広い応用の可能性を秘めています。太陽エネルギーの利用は、化石エネルギーの消費と一連の環境汚染問題を軽減することができます。

この技術の核心は、太陽熱エネルギーの変換効率をいかに高めるかです。中国の科学者によって新たに開発された新しい高効率光熱変換材料は、この技術の普及に期待をもたらします!

科学者たちは、太陽光と物質の相互作用によって引き起こされる発熱の性質から出発し、化学、物理学、計算、その他の関連実験を利用して、亜酸化チタン (TinO2n-1) に Ti-Ti 二量体構造が存在することを発見しました。この構造は、Ti 原子核の外側の電子構造の 3d 層電子移動の分布範囲を制限し、電子の実空間局在化とフェルミ準位付近のフラットバンド電子状態の導入をもたらし、電子遷移の結合状態密度の向上をもたらします。

上記の原理に基づいて、さらなる実験を通じて次のことが判明しました。λ-Ti3O5 は亜酸化チタンの物質であり、太陽光の 95% 以上の吸収率を持っています。


反射スペクトルと電子構造。画像出典：参考文献 [1]

科学者らはさらに、蒸発器の加工に λ-Ti3O5 とポリビニル アルコール材料を使用しました。水の蒸発効率を高めるため、蒸発器を三次元多孔質連結構造に設計しました。

実験の結果、この装置を通した太陽光（1kWm-2）の条件下では、1時間あたりに蒸発する水の量が6.09kgm-2にも達する可能性があり、これは太陽光駆動界面水蒸発技術によって現在達成されている最速レベルの水蒸発であることが判明した。科学者たちはさらにこの装置を海水淡水化実験にも使用し、1 日に収集される淡水の量は 23Lm-2 に達することがあります。

この装置を海水淡水化の分野に導入すれば、大規模な淡水の調製が可能となり、淡水資源不足の問題を大きく解決し、下水・廃水の浄化処理に新たな発想をもたらすことが分かる。


三次元多孔質連結構造蒸発器の動作の模式図（a. 屋外海水淡水化装置、b. 太陽エネルギー、淡水回収率、回収淡水総量の経時変化、c. 温度と湿度の経時変化、d. 日平均光束と淡水回収率）。画像出典：参考文献[1]

淡水保護について私たちに何ができるでしょうか?

新素材の発見により、将来飲み水がなくなるという不安はなくなりました。しかし、私たちは水を節約し、淡水資源を保護する意識を高めることも必要です。

まず、政府は淡水資源の保護に関連する法律や規制を次々に公布、整備し、法律によって規制し、淡水保護の重要性を国民に思い出させてきました。淡水保護に関する政策の広報を強化し、水保全に対するすべての人の意識を高めます。同時に、農業や工業における淡水の利用を最適化し、淡水の利用率を向上させます。

生活の中で、私たち一人一人が節水に注意を払うと同時に、廃棄物、薬品、薬品などを下水道に捨てると、淡水汚染を引き起こしやすいので注意してください。

淡水資源を保護し、水を合理的に使用し、地球上の最後の一滴の水が私たちの涙にならないように一緒に働きましょう。

参考文献

[1] Yang、B.、Zhang、Z.、Liu、P. 他。並外れたソーラーチームの発電に向けたフラットバンドλ-Ti3O5。自然 (2023)。

[2] 李雪琴。新しいソーラーコレクターと海水淡水化におけるその応用 [J]。 General Machinery、2012 年。DOI: CNKI: SUN: TYJS.0.2012-03-037。

[3] 謝立新、李平麗、王世昌。海水淡水化技術の現状と各種淡水化法の検討[J]。化学産業の進歩、2003、22(10): 4. DOI: 10.3321/j.issn: 1000-6613.2003.10.011。

[4] 陸朱。節水と水資源の再生・再利用技術の展望 [J]。浄水技術、2002(S1):5.DOI:CNKI:SUN:ZSJS.0.2002-S1-013。