持続可能フィルタレーションのためにリアルタイム膜イメージングを開発

February, 2, 2026, Boulder--CU Boulderの研究者たちは、大規模淡水化プラントの性能向上のための解決策として、誘導ラマン散乱(SRS)を提案した。

Environmental Science & Technology誌に掲載されたこのレーザ画像法により、研究者はリアルタイムで膜の汚れを観察することができる。これは、塩分、鉱物、微生物などの不要な物質がろ過膜に蓄積する過程である。

世界中で、55%の人々が少なくとも年に1か月は水不足を経験しており、今世紀末にはその数が66%に増加すると予想されている。

淡水化—塩水を淡水に変える—は、需要が増加する中で世界中のコミュニティにとって極めて重要である。

現代の逆浸透圧(RO)プラントは世界の淡水化施設の約80%を占めており、効率よく稼働させることがより重要視されている。

「逆浸透膜は淡水化に不可欠である。われわれの研究は膜汚れの監視と早期警告の提供を目指している」と電気・コンピュータ・エネルギー工学・物理学のJuliet Gopinath教授は話している。

ROシステムは、蓄積物をろ過するために薄いポリマ膜を利用している。この蓄積はろ過効率を低下させ、淡水化プラントのエネルギー使用量と運用コストの両方を増加させる。

汚れの早期発見は、淡水化における最大の課題の一つである。

「材料や分子について光を当てることで多くのことが学べる。使う光の種類によって、戻ってくる光が違っていて、それが素材の中身を教えてくれる」とポスドク研究者、Jasmine Andersenはコメントしている。

この原理がラマン散乱の基盤であり、散乱した光の色、つまり波長が変化し、物質の分子構造や組成を明らかにする。

チームはSRSを用いてRO膜の結晶成長を観察し、分子の振動を追跡することで材料の化学組成を明らかにした。

このシステムを検証するために、研究チームは海水中に一般的に存在する硫酸カルシウムと炭酸水素カルシウムを観察した。SRSは高速イメージングと化学的同定の両方を提供した。

「これらの結晶が形成される様子をリアルタイムで観察し、体積データを取得し、化学物質を同時に特定するのは非常に刺激的だ。以前は体積データや化学的同定は得られたが、同時にできなかった」(Andersen)。

Andersenは、このレベルの洞察は現時点で業界ツールでは提供できないと指摘している。

持続可能な水システムの支援

膜性能と特性評価の専門家である名誉教授Alan Greenbergは、膜の何がいつ形成されるかを理解することで、操作者がろ過を最大化するのに役立つ、と指摘している。

「RO淡水化プラントは、汚れが減り清掃が効率化されることで、生産性が高く、運転コストも低くなることはよく知られている」(Greenberg)。

硫酸カルシウムに加え、チームはSRSが海水および汽水システムにおける汚れに寄与する有機物、無機物、生物材料のより複雑な混合物の研究に役立つと期待している。

「淡水資源が減少するにつれて、淡水化にますます依存することになるだろう。もしそのプロセスをより効率的で持続可能にできれば、人々が信頼できる清潔な水にアクセスできるように支援できることになる」(Andersen)。