フジテレビジョン賞

液体金属流体を用いた革新的な海水淡水化技術〜オアシスの創成〜

東京工業大学工学院機械系 原子核工学コース
修士課程 1 年

堀川 虎之介1 ．緒

言

生命の源である水を容易く享受できる日本では想像しがたいが、発展途上国では綺麗な水を飲めずに命を落とす子供が後を絶たずにいる。上下水道が整備されていない地域では、泥や動物の糞尿が混じった危険な水源に頼らざるを得ない（図 1（a））［1］。およそ飲み水といえない汚水を口にすれば下痢などが発症し、その結果として年間 30 万人に及ぶ乳幼児の命が奪われている。住処に蛇口のない地域において水汲みは子供の役割であり、満足に教育を受けられない環境は貧困の連鎖を引き起こしている。水資源をめぐる紛争及び暴力事件の発生件数は 2012 〜2021 年で 793 件にのぼり、その中には川やダムの使用権をめぐる国家レベルの争いもある［2］。病気に加えて紛争や教育機会の不平等といった幅広いリスクを内包している水不足が深刻な地域は、アフリカやインドなどに集中している（図 1（b））［3］。こうした地域では人口が爆発的に増加する一途を辿っており、汚い水によって命の危険に晒される人は増大すると推定される。喫緊の課題である水不足の深刻化が加速する中で、国際連合
は Sustainable Development Goals（SDGs）のターゲット 6. 4 に水不足の緩和を掲げ、全世界をもって可及的速やかに取り組むべき究極のペインポイントと位置付けた
［4］。

図1．
（a）
汚れた水を汲む子供［1］、（b）世界各国における水資源の賦存量。

水不足に脅かされる命を救うべく次世代型の淡水供給源が嘱望されている。特に、海水から塩分等の不純物を除去して飲み水を得る海水淡水化は注目を集めており、安定的な淡水供給源の存在しない地域への普及が求められている［5］。海水は淡水に比べて無尽蔵の賦存量を誇っているため、海洋を有効利用して淡水をうみだす海水淡水化技術は、莫大な淡水需要へ持続的に応へうる潜在能力を秘めている。実際に運用されている海水淡水化プラントとしては、膜に海水を通水することで不純物を取り除く逆浸透膜法（RO）に加え、減圧下で海水を加熱して蒸留させる多段フラッシュ法（MSF）や多重効用法（MED）等が挙げられる［6］。
これらの既往技術は Veolia といった水メジャー企業により寡占的に市場拡大が進められてきた［7］。また、海水淡水化に加えて汚染水の浄化技術や再生利用などを供給する水インフラ市場は、2025 年までに 100 兆円規模へと成長する見込みがあり、その加速度的な展開は世界中から脚光を浴びている［8］。
海水淡水化の既往技術は成熟されてきた一方で、ブライン排出や電気エネルギーの大量消― 2 ―費による環境負荷が問題視されており、持続的発展可能な社会の実現にそぐわずにいる［910］。海水淡水化プロセスの副産物であるブラインの塩分濃度は海水の約 2 倍であり、その排出量は淡水生産量の 1.5 倍に相当する［11］。多量のブラインが周辺海洋に排出されれば塩分濃度が局所的に上昇し、微生物や海草といった海洋生物の組成変化や生理変化を引き起こして生態系を崩しうる［12-14］。例えば RO による淡水生産の場合、大規模プラントではエ［15］、発展途上国で活用が期待される小規模
ネルギー効率は向上しうるが（e.g., 2kWh/m 3）プラントにおいては大量の電気エネルギーが必要である（e.g., 17kWh/m 3）［16］。また、発展途上国では電気が高価であり潤沢に利用しづらいため、電気をエネルギー源とした海水淡水化技術は発展途上国において経済性が成立しづらい［17］。一方でエジプトといった赤道付近の地域では日本に比べて日射量が豊富であるため（図 （2 a））
［18-19］、再生可能エネルギーである太陽熱を電気の代わりに利用することは有効である。持続的発展可能な社会への転換期と深刻化する水不足の臨界期に、持続的で環境に優しい海水淡水化技術が求められている［20］。
水資源に加えて鉱物資源の持続的な安定供給も人類の存続に不可欠である。世界全体における爆発的な人口増加や工業化の加速によって鉱物資源の需要は高まっており、その価格は増加の一途を辿っている［21］。さらに鉱物資源の生産は数ヶ国に集中している場合が多いた
め、戦争など不測の事態が発生すれば、供給源を持たない国は価格高騰といった甚大な影響を被る。一方で海洋には低濃度であるものの膨大な資源が眠っている［22］。今後の技術開発や市場価値の上昇次第で海水からの回収意義を見出せる有価資源として、マグネシウム（Mg）、ナトリウム（Na）、リチウム（Li）等が関心を集めている（図 2（b）
）
［21］
［23］
。こうした掘らない資源の回収は持続的発展可能な社会実現への糸口となる可能性を秘めている
［24］
。

図2．
（a）
エジプトと日本における季節別の日射量、（b）海水中元素の経済性予測

水不足に脅かされる命を救うべく、我々の技術シーズである液体金属技術の可能性を模索した。液体金属とは溶融した状態にある金属であり、核融合炉や原子炉に用いられる冷媒として主にエネルギー分野での研究開発が進められてきた次世代材料である［25］。そのユニー― 3 ―クな特徴は多岐にわたり、高温度領域においても高効率な伝熱性能に加えて、物質を原子状に溶解させる金属としての化学的反応性や、溶解した物質を運ぶ流体としての物質輸送性能を併せ持つ。とりわけ、液体金属錫（Sn）は融点が 505K と他の純金属に比べて低く、高い熱伝導率や低い蒸気圧といった優れた熱特性を示すユニークな材料である［26］。さらに飲食器や鉛フリーはんだとして用いられている毒性の低さも Sn の魅力といえる。
こうした特性を備える液体金属は、幅広い工学技術に対して柔軟に融合しうる潜在能力を秘めており、本研究では環境負荷のない革新的な海水淡水化技術を開発した（図 3 、表 1）。
淡水生産プロセスは極めてシンプルなものであり、加熱した液体金属の表面に海水をスプレーして蒸留するだけである。さらに海水内の有価資源は原子状となって液体金属に溶解し分離回収される。この資源回収プロセスは、これまで技術的課題とされてきた液体金属の特有な化学的反応性を逆手に取ったものであり、ブラインの発生を抑止することによって海の豊かさを保全しながら金属資源をうみだす付加価値を創出する。また、液体金属を温めるのに太陽熱エネルギーを直接利用するため電力を必要とせず、電気も水も届かないような発展途上国にもオアシスを創るという夢を実現させることができる。こうした液体金属を海水淡水化に応用させる独創的な技術は、環境調和性を保ちながら経済性を向上させており、水不足解決に資するあらゆる技術の最先端として位置付けることができる。

図 3 ．本研究が提案する液体金属を用いた独創的な海水淡水化。
表 1 ．海水淡水化の既往技術に対する本研究の先端性。
プロセス

エネルギー源

ブライン排出

資源回収

膜交換

スケール発生RO膜法

電気有無有―

MED

蒸発法

熱有無―

有

本研究

蒸発法

太陽熱

無有無無― 4 ―

2 ．液体 Sn を用いた海水淡水化プラント
液体 Sn を用いた海水淡水化と資源回収プロセスの概念図を図 4 に示す［27］。前処理によって不純物（e.g. 汚泥、有機懸濁物質、微粒子、バクテリア、油分、etc.）を取り除いた海水は［28］、
液体 Sn の自由表面に直接スプレーされ、加熱された液体 Sn との直接接触により蒸留される。
これを繰り返すことで高純度に脱塩された水は、添加処理による殺菌や pH 調整が施されて飲み水となる。蒸留プロセスと同時に、海水中の有価元素は直接接触によって液体 Sn 中へと溶解する。循環システムの高温度域で溶解した有価元素は液体 Sn の流れに沿って低温度域へ輸送され、過飽和となった元素はコールドトラップを用いて連続的に分離回収される
（図5）
［29］
。また液体 Sn に溶解した非金属元素は昇温脱離によって除去される［30］。液体金属を用いた海水淡水化技術は、液体金属と海水の直接接触というシンプルな淡水生産プロセスでありながら、有価資源の分離回収という付加価値を創出するため、既往技術にはない様々な利点を備えている。価格高騰の傾向にある有価資源を回収することは経済性の向上を実現させるだけでなく、ブライン発生の抑止にも繋がり海洋の豊かさを保全する。さらに太陽熱エネルギーを直接利用して液体金属を高温に保持するため、電力消費を大幅に削減することができ、世界的な潮流であるカーボンニュートラル社会の実現に貢献する。

図 4 ．液体 Sn を用いた海水淡水化と有価資源回収プロセス［27］。

図5．
（a）金属元素の液体金属中溶解度が温度依存性を示すことを利用した資源分離回収モデ
ル、（b）Pb-17Li 中に溶解した Fe 元素のコールドトラップよる析出［29］。

― 5 ―3 ．液体 Sn と海水の直接接触による淡水生産と有価資源回収の実証
海水と液体 Sn の直接接触による淡水生産と有価資源回収は本研究の心臓部である。液体Sn 直接接触式蒸留の脱塩性能を評価し、海水と液体 Sn の界面における有価元素の物質輸送現象を解明するために、人工海水と液体 Sn の直接接触試験を実施した。523K、573K、623K の液体 Sn を用いた試験は大気圧・大気雰囲気下で実施した。人工海水は 0.1mL/minの滴下速度で液体 Sn 表面に合計 5mL 滴下し、それにより 3mL の蒸留水を回収した。参考として、固体 Sn と 316L オーステナイト鋼（Fe-18Cr-12Ni-2Mo）の薄板を用いた直接接触試
験も実施した。図 6 に本研究で用いた液体 Sn 直接接触式蒸留実験装置の概略図を示す。蒸留水の不純物濃度は誘導結合プラズマ発光分析法（ICP-OES）により測定した。直接接触試験に用いた Sn 及び 316L の表面をエネルギー分散型 X 線分析装置付走査型電子顕微鏡（SEM/EDX）により観察分析した。

図 6 ．液体 Sn 直接接触実験装置の概略図［27］。

図 7（a）及び（b）に液体 Sn 直接接触式蒸留実験で回収した蒸留水中の Na、Mg、Ca、K 濃度を示す。全ての条件においてこれらの元素濃度は 1,000mg/L よりも低く、世界保健機構（WHO）が定める飲料水質基準値を満たした［31］。一方で蒸留水中には Na、Mg、Ca、K が僅かに検出された。蒸留水中における Mg、Ca、K（i.e., CMg、CCa、CK）の各濃度と Na 濃度（i.e.,CNa）の比率である CMg/CNa、CCa/CNa、CK/CNa は、人工海水中の比率とほぼ同じ値を示した。
また、蒸留水中の Cl ‑ 濃度は Na 濃度と近い値を示した。したがって、Na、Mg、Ca、K 等の人工海水に含まれる元素の蒸留水混入は、人工海水の飛沫移流によるものと考えられる。
本研究において、単発の液体 Sn 直接接触式蒸留による海水中元素の除去率は 95 〜97% と推定された。液体 Sn 直接接触式蒸留を繰り返すことで、さらに高純度の蒸留水を回収することが可能である。
473K 及び 573K における直接接触試験後の 316 L 薄板の表面 SEM 像を図 8（a）及び（b）にそれぞれ示す。また図 8（c）に 473K において固相で試験した Sn の表面 SEM 像を示す。固相試験後の Sn 表面には 316L 表面と同様に NaCl の立方体結晶が検出された。523K 及び 573K

― 6 ―

において液相で試験した Sn の表面 SEM 像を図 8（d）及び（e）にそれぞれ示す。316L 薄板及び固体 Sn では NaCl の結晶が顕著に検出された一方で、液相試験後の Sn 表面には NaCl の結晶がほとんど検出されなかった。図 8（f）は 623K において液相で試験した Sn の表面 SEM 像であり、表面に SnO 2 の形成が確認された。

図 7 ．直接接触試験で回収した蒸留水中元素濃度：（a）Na 濃度（b）Mg、Ca、K 濃度［27］。

図 8 ．直接接触試験後の 316L 及び Sn の表面 SEM 像（a）473K で試験後の 316L、（b）573Kで試験後の 316L（c）473K で試験後の Sn、（d）523K で試験後の Sn、（e）573K で試験後のSn、（f）623K で試験後の Sn［27］。

以上の結果をもとに人工海水液滴と液体 Sn との界面における物質輸送をまとめた概略図を図 9 に示す。図 9（b）及び（c）に示す通り、人工海水液滴は液体 Sn 表面で加熱され水蒸気が生成し、同時に人工海水中の Na や Cl は原子状となって液体 Sn へ溶解した。また図 9（d）に示す通り、溶解した有価元素は液体 Sn 中へ拡散したが、液体 Sn の冷却直前に溶解した有価元素は表面付近に存在していたため、冷却過程で Sn 表面へと析出したと考えられる。
こうした挙動は液体 Sn 固有の物質輸送性能によるものであり、図 9（a）に示す 316L 薄板における塩の表面析出とは全く異なる。これらの結果より、液体 Sn と海水の直接接触という極めてシンプルな方法により資源を回収できることが示唆された。

― 7 ―

図 9 ．人工海水液滴と液体 Sn の界面における物質輸送の概略図：（a）316L 表面における水蒸気の生成と人工海水の飛沫移流、及び有価元素の表面沈着（b）液体 Sn 表面における人工海水の加熱、（c）水蒸気の生成及び液体 Sn への有価元素溶解、（d）人工海水の飛沫移流及び液体 Sn 中での有価元素拡散［27］。

4 ．ヒ素（As）に汚染された地下水の浄化に対する発展性
液体 Sn を用いた海水淡水化技術は極めてシンプルな淡水生産プロセスであるがゆえに、幅広い水インフラ技術への発展性を秘めている。地下水は地表水に比べて潤沢に存在する淡水資源であり、水不足が深刻なアフリカやインドにおいても豊富かつ安定的に存在する［32］。
しかし地下水を安全に利用するためには、有毒性の高い As 等の汚染物質を除去する必要があり、既往の浄化技術には汚染物質が濃縮された廃液や廃棄物の生成という課題が残されている。液体 Sn 技術はこうした汚染水浄化に対しても可能性を示す。
図 6 に示す実験装置を用いて液体 Sn と As 水溶液の直接接触試験を実施した。図 10（a）に液体 Sn と Sn 水溶液の直接接触式蒸留実験で回収された蒸留水中の As 及び Na 濃度を示す。
As 水溶液の調整には NaOH 水溶液及び HCl 水溶液が用いられたため Na 及び Cl が含まれる。
蒸留水中の As 濃度は蒸留前に比べて 79% 低下した。また蒸留水中の As 濃度に対する Na濃度の比は蒸留前と類似した値を示したため、人工海水の場合と同様に As 水溶液飛沫が蒸気流に伴って移流したと考えられる。そのため蒸留の繰り返しにより蒸留水の純度をさらに高めることが可能である。573K において 1,000mg/L の As 水溶液と液相で直接接触した Snの表面 SEM 像を図 10（b）に示す。表面には O 濃度に比べて As 濃度が大きく検出される箇所が存在した。液体 Sn 中に原子状で溶解した As が冷却される過程で表面に析出したため、As 2 O 3 とは異なり As と O が分離され回収された（図 10（c）、（d））
。液体 Sn 直接接触式蒸留は汚染水を浄化しながら As の分離回収も実現させ、幅広い水インフラ課題への解決法となる潜在能力を示した。

― 8 ―

図 10 ．液体 Sn と As 水溶液の直接接触試験結果：（a）蒸留水中の Na 及び As 濃度、（b）573K で 1000mg/L の As 水溶液と直接接触した錫の表面 SEM 像及び線分析結果、（c）水蒸気の生成及び液体 Sn への有価元素溶解、（d）ヒ素水溶液の飛沫移流及び液体 Sn 中での有価元素拡散。

5 ．まとめと今後の展望
本研究では、水不足という究極のペインポイントを解決するため、原子力や核融合の分野で応用されている液体金属流体の秘められた可能性を開拓し、環境負荷に配慮した独創的な海水淡水化技術を開発した。加熱した液体 Sn に海水を直接接触させて蒸留する極めてシンプルな淡水生産プロセスでありながら、本技術は同時に海水内有価資源の回収という付加価値を創出する。淡水と資源を単一のプロセスで回収することは経済性を向上させるだけでなく、周辺環境を脅かすブラインの排出抑制という環境調和性を与える。液体 Sn の加熱には再生可能エネルギーである太陽熱を有効利用することで、電気エネルギーの大量消費を抑止してカーボンニュートラル社会へ適合する。
液体 Sn と人工海水の直接接触による蒸留実験を実施した結果、回収された蒸留水の純度は十分に高いことが明らかとなった。液体 Sn 直接接触式蒸留を繰り返すことで、高純度の蒸留水を回収できることが可能となる。また、海水と液体 Sn の界面における、Na や Cl といった有価元素のユニークな物質輸送現象を明らかにした。液体 Sn に溶解したこれらの有価元素はコールドトラップにより回収可能である。こうした特異でかつ単純な特性を持つ液体Sn 技術は、地下水や排水等の汚染水浄化に対しても画一的な発展性を示しており、幅広い水インフラ課題へ柔軟に同調することが可能である。
独創性に満ちる液体金属流体を用いた海水淡水化技術は、飲み水が枯渇して電気も届かな
いような発展途上国にオアシスを創成する道筋を切り拓く（図 11）。液体金属を用いた海水淡水化プラントは沿岸部に設置され、近傍に住む人たちにとって必要十分な飲み水を届ける。
人工のオアシスの周辺には人が住み、潤沢な水資源は農業を安定で豊かにするため、おいしい料理が食卓に並ぶようになる。また海水から回収された資源の一部は地産地消され、多く― 9 ―は資源が不足する世界各国へと届けられるため、輸出パートナーとして海外と繋がる橋掛けになる。世界の淡水生産が本技術に置き換えられれば、約 14Mm 3 /d ものブラインを削減することになり、水の惑星である地球の宝と言える海洋を美しく保つ。

図 11 ．液体金属を用いた海水淡水化によるオアシスの創成。

謝辞

本研究は東京工業大学科学技術研究院ゼロカーボンエネルギー研究所の近藤正聡准教授の指導のもとで遂行された。心より感謝申し上げる。東京工業大学科学技術研究院ゼロカーボ
ンエネルギー研究所の原俊彦技術支援員には実験装置及び試料製作において多大なご協力をいただいた。心より感謝申し上げる。東京工業大学オープンファシリティセンター分析部門には装置利用から分析方法の助言に至るまで多大なご協力をいただいた。心より感謝申し上げる。この成果の一部は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術開発機構（NEDO）の助成事業（JPNP20004）の結果得られたものである。また、この成果の一部は、東京工業大学イノベーションデザイン機構による Tokyo Tech Gap Fund Program 2022（高温融体等を応用した環境浄化と希薄資源の回収・有効利用に関する戦略的技術開発）により得られたものである。心より感謝申し上げる。

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