[論文レビュー] Water Purification by Shock Electrodialysis: Deionization, Filtration, Separation, and Disinfection

Daosheng Deng, Wassim Aouad+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2014

Membrane-based Ion Separation Techniques参考文献 41被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ショック電気透析（ショックED）が、同時に脱塩、マイクロメートルスケールの粒子およびナノ粒子凝集体のろ過、大腸菌（99％の除去／不活化）の殺菌、およびイオンの電荷に基づく分離を可能にすることを示している。これは、1台の装置で脱塩をはじめ、前処理および後処理を統合する、コンactで多機能な水処理プラットフォームを提供する。

ABSTRACT

The development of energy and infrastructure efficient water purification systems are among the most critical engineering challenges facing our society. Water purification is often a multi-step process involving filtration, desalination, and disinfection of a feedstream. Shock electrodialysis (shock ED) is a newly developed technique for water desalination, leveraging the formation of ion concentration polarization (ICP) zones and deionization shock waves in microscale pores near to an ion selective element. While shock ED has been demonstrated as an effective water desalination tool, we here present evidence of other simultaneous functionalities. We show that, unlike electrodialysis, shock ED can thoroughly filter micron-scale particles and aggregates of nanoparticles present in the feedwater. We also demonstrate that shock ED can enable disinfection of feedwaters, as approximately $99\%$ of viable bacteria (here extit{E. coli}) in the inflow were killed or removed by our prototype. Shock ED also separates positive from negative particles, contrary to claims that ICP acts as a virtual barrier for all charged particles. By combining these functionalities (filtration, separation and disinfection) with deionization, shock ED has the potential to enable more compact and efficient water purification systems.

研究の動機と目的

• 1台の装置に脱塩をはじめ、ろ過、殺菌、イオン分離を統合した多機能水処理システムの開発を目的とする。
• 給水の前処理および後処理に段階的で多段階のプロセスを要する従来の水処理システムの限界を解決することを目的とする。
• 逆浸透および電気透析の代替手段として、スケーラブルでエネルギー効率の高いショックEDの可能性を検討することを目的とする。
• ショックEDの主たる機能たる脱塩に加え、ろ過、殺菌、電荷に基づく分離が同時に発生するかを調査することを目的とする。
• 多孔質フラスコをショックEDに用いることで、サイズエクスクルージョンによるろ過および電場強化による微生物不活化の可能性を検討することを目的とする。

提案手法

• 銅アノードとナフィオン陽イオン交換膜カソードの間にマイクロポーラスシリカガラスフラスコを『漏れのある膜』として使用したショックEDプロトタイプを用いた。
• 電流を印加してイオン濃度ポテンシャル（ICP）を誘発し、カソード付近に明確な脱塩ショック波面（脱塩領域）を形成し、アノード付近に濃塩ゾーンを形成した。
• 電気オスマシスフローおよび表面伝導を活用して過限界電流を達成し、多孔質媒体内をショック波を伝播させた。
• 明-field顕微鏡を用いて、蛍光標識粒子（50 µm）およびナノ粒子（50 nm）を用いて、サイズ別ろ過を評価した。
• 大腸菌に対してライブ／デッド細菌染色（緑＝生存、赤＝死滅）を実施し、蛍光顕微鏡を用いて殺菌効率を定量した。
• ショックゾーンにおける陽イオンおよび陰イオンの蛍光標識染料の増幅比および除去比を測定し、電荷に基づく分離を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ショック電気透析は、1台の装置で同時に脱塩、ろ過、殺菌、イオン分離を実現できるか？
• RQ2 ショックEDにおけるマイクロポーラスフラスコは、マイクロメートルスケールの粒子およびナノ粒子凝集体のサイズ別ろ過をどの程度可能にするか？
• RQ3 ショックEDシステムにおける大腸菌の不活化または除去効率はどの程度で、その効果に寄与するメカニズム（例：電場、空間的妨害）は何か？
• RQ4 ショックEDシステムは、正の電荷を有する物質と負の電荷を有する物質をどのように分離するのか？また、この分離は流量や電場強度に依存するか？
• RQ5 ショックEDは、フィルタリング、殺菌、脱塩といった複数の従来の水処理工程を1つの統合ユニットで代替できるか？

主な発見

• ショックEDデバイスは、給水中の生存大腸菌を99％除去または不活化した。これは、強力な殺菌能力を示している。
• 50 µmのマイクロメートルスケールの粒子および50 nmナノ粒子の凝集体は完全にろ過除去された。これは、多孔質フラスコにおける空間的妨害による有効なサイズエクスクルージョンを示している。
• 陽イオンを示す蛍光標識染料の増幅比は、流量が低下するにつれて増加した。これは、脱塩ショックゾーンにカチオンが蓄積していることを示している。
• 陰イオンを示す蛍光標識染料の除去比は、流量が上昇するにつれて増加した。これは、アノニオンが脱塩領域から排斥されていることを確認している。
• デバイスはカチオンとアノニオンの連続的分離を示した。これは、イオン濃度ポテンシャルがすべての charged species に対して普遍的な障壁として機能するとの仮定に反する。
• 2回の通過で硫酸銅濃度が4桁低下（約10 mMから約10 µM）した。これは、効果的な脱塩を示している。