世界的な水危機を解決するための広範な取り組み| 大学ネットワーク

気候変動、汚染、人口レベルが上昇しているため、人類は最も必要な資源である淡水を枯渇させるリスクにさらされています。

この問題は非常に深刻であるため、2025では、1.8億人が絶対的な水不足のある地域に住むと予想されており、世界の⅔が水ストレスにさらされている可能性があります。国連警告します。

水不足は、広範な死と病気を引き起こし、世界中で何億人もの人々の移住を引き起こす可能性があります。

この記事では、世界の水危機に取り組むためのいくつかの大学の最近の取り組みを紹介します。

水不足とは何ですか？

水不足は、物理的な不足、定期的な供給を確保するための機関の不備、または十分なインフラストラクチャーの不足のために起こりうる。

国連は、水使用が前世紀に2倍以上の人口増加率で増加し、信頼できる供給源から水を得るのが困難に直面する地域の数が増加したと報告した。

淡水は地球の水の供給量の約2.5パーセントしか占めていないため、世界中の地域は人口の需要に追いつくのに苦労しています。

現在、暴力や戦争よりも年間死者数が多いクリーンウォーターにアクセスできない人は、844人に達しています。

どこの水を手に入れますか？

人間の摂取が可能な淡水の2.5％のうち、1％は氷河や雪原に閉じ込められているため、XNUMX％程度しか簡単にアクセスできません。

地下水は世界で最大の淡水源であり、飲料水を米国人口の50％以上に供給しています。

残念ながら、地下水は帯水層の過剰散布のために、米国を含む世界の多くの地域で急速に枯渇しつつあります帯水層地下水は井戸を使用して抽出することができるから、このような砂利、砂や泥などの水担持透過性岩石又は緩い材料の地下層が、あります。

地下水は非常に速く枯渇しているため、インド、スペイン南部、イタリアの帯水層は2040と2060の間で枯渇し、カリフォルニアのセントラルバレー、テュレア盆地、サンジョアキンバレー南部の帯水層はそれより早く枯渇する可能性があります。

さらに、米国では、アリゾナ州のコロラド川やミード湖を含む主要な淡水源が乾き始めています。

による水プロジェクト一部の研究者は、アメリカの22人に水を供給するLake Meadは、2021によって乾燥する可能性があると信じています。

水危機を緩和する大学の取り組み

数字は落胆することがありますが、水危機を和らげるための大学の取り組み.

ろ過から淡水化技術まで、大学が最近達成した優れた研究のいくつかの例がここにあります。

汽水地下水を利用するMIT

MITの研究者によると、水の危機を解決するための1つの方法は、淡水を超えて見ることです。

研究者たちは、汽水地下水の様々な組成を脱塩する —淡水よりも塩分を多く含んでいるが、海水ほどではない地下水のタイプ。

米国の汽水地下水の量は、全国の地下水の総量の約800倍ですが、全国の給水量の1パーセントはこの水源からのものです。

研究者によれば、米国の豊富な汽水の一部を使用すると、水不足のコミュニティの見通しを劇的に改善することができます。

「米国には新鮮な地下水よりも汽水が多い地下水があります。そして、多くの淡水帯水層が減少の兆候を示している点まで、世界の淡水地下水の多くが頻繁に使用されています」ジョン・リエンハード、ディレクターの Abdul Latif Jameel世界水・食糧安全保障研究所 MITで

Lienhard氏と彼のチームは、熱とエネルギーの関係を扱う熱力学を使って、淡水の地下水の組成が淡水化に必要なエネルギーにどのように影響するかを研究しました。

これを行うことで、研究者は、地下水を淡水化するためのプロセスと要件に関する大量のデータセットと、潜在的に利用可能な淡水の地下水源を有する米国および世界の周辺の地図を作成することができました。

「人口の増加と温暖化が進み、気候の変動が激しいことは、私たちの都市、農場、産業にとって前例のない課題です」とLienhard氏は述べています。

「淡水化による汽水地下水の持続可能な利用は、淡水の供給を拡大するのに役立ちます。このアプローチは、水不足の脅威にさらされている世界の多くの地域の統合された水管理戦略の1つのコンポーネントになり得ます。」

CMU、水ろ過のための植物ベースのメカニズム

水不足の地域、特にインドなどの亜熱帯地域や熱帯地域を助けることができるもう1つの方法は、汚れた水をろ過する手段としての植物材料。

カーネギーメロン大学（Carnegie Mellon University）の研究者は、商業的に貴重なインド原産のモリンタ・オレフェラ（Moringa Oleifera）植物の種子タンパク質と、砂ろ過技術を組み合わせてシンプルで効果的なろ過メカニズムを作り出す方法を開発しました。

結果の媒体は「f-sand」と呼ばれ、反対の電荷を使用して機能します。

「砂はほとんどマイナスに帯電しています。 Moringa oleiferaの種子からのタンパク質は正に帯電しており、水から除去して飲用にすべきほとんどの懸濁汚染物質（懸濁粘土またはその他の鉱物粒子、細菌、環境に自然に存在する分解有機材料）は負に帯電しています。」と言いましたボブティルトンCMUの化学工学および生物医工学のシェブロン教授。

ティルトン氏は、f-sandを調製するために、まず水溶性タンパク質を粉砕し、水に浸すことによって種子から抽出することを説明しました。次いで、得られた溶液をスラリーと呼ばれる砂と水との非常に厚い湿潤混合物に注ぐ。

このとき、負の砂電荷は正のタンパク質電荷に引き寄せられ、タンパク質が砂に付着し、続いて「f-sand」を生成します。その後、過剰な水を排出し、f-sandを注ぐことができます列に

次に、砂を使用するには、単にカラムに水を注ぐだけで、負に帯電した汚染物質は砂粒上の正に帯電したタンパク質に付着し、簡単で手際の良いろ過システムを作り出します。

Tiltonは、f-sandはローカルユーザーが簡単に適応できると説明しています。これは、このツールではツールがほとんど必要なく、簡単な作業が必要なためです。

「システムは非常にローカライズされたレベルで動作するように設定できます。おそらく個々の家庭レベルでも動作する可能性があります」とTilton氏は述べています。

UT Dallas / Penn State、カブトムシから影響を受けた水収穫技術

テキサス大学ダラス校とペン・ステート・ユニバーシティの研究者たちは、成長する水の危機を和らげるもう一つの創造的な方法で、霧や空気の蒸気から水分子をすばやく収集する潤滑されたマイクログルーブに沿ってリザーバーの方に向ける。

「親水性の方向性滑りやすい表面」またはSRSは、砂漠の甲虫、ピッチャー植物、イネ葉などの生物が自然に水を集めて導くプロセスに触発されました。

「砂漠のカブトムシは、霧から水滴を吸収するために親水性のバンプを使用し、飲用にそれらの水滴を除去するためにパターン化された疎水性ワックスも使用しました」サイモン・ダイUT DallasのErik Jonsson工学およびコンピュータサイエンスの機械工学の助教授である。

砂漠のカブトムシの親水性バンプは、空気から水滴を集めて組み合わせる方法を示しているが、投手植物の滑りやすい表面と稲葉の細かい指向性の溝は、水滴をリザーバに向かって素早く向ける方法を示している。

これらの自然なデザインの組み合わせは、水滴を効率的に捕捉して方向付けることができる表面を作り出す。

水収穫技術を創出するために、研究者は表面を構築し、指向性のあるナノサイズの構造物をその中にエッチングした。次に、表面に親水性液体潤滑剤を塗布した。

潤滑剤は、水を引き付けて滑りやすい表面を作り出すことによって二重の目的を果たすので、形成される水滴は容易に下降して結合してより大きな液滴を作ることができる。

「方向性のある粗い表面に、分子的に移動可能な親水性液体潤滑剤を注入しました。これにより、収集した水がより大きな液滴に合体するのに役立ちます」とダイは声明で述べました。

さらに、素材は拡張可能です。水滴が特定の領域でのみ発生するカブトムシに触発された表面とは異なり、表面のいたるところに素早く水を閉じ込めて移動する能力を備えた小さなまたは大きな表面を作成できます。

指向性の溝と親水性の滑りやすい表面との組み合わせは、同等の表面よりも水滴を捕捉し、指向する際により効果的であることが判明した。

SRSのような親水性または吸水性の表面は、空調、発電および淡水化のための液滴凝縮、および乾燥地帯における水収穫などの多くの目的および産業に使用することができる。

「淡水化などの既存の淡水製造プロセスは、蒸気から水への移行に依存しています」とダイは声明で述べました。

「私たちは、水滴を効率的に捕らえて方向付けることができる表面を作りたかったのです。」

ライス大学、水から毒素を隔離する

ライス大学の研究者は、選択的に有害な毒素を引き出す工場、下水道、石油・ガス井からの飲料水や排水から。

このシステムは、しばしば多孔質炭素でできている2つの電極に電位差を印加することによって水を脱イオン化する容量式脱イオン化を可能にする複合電極のセットを使用する。

多孔質の荷電した電極は、迷路状システムを通過する流体から標的イオンを選択的に引き出すことができる。その後、細孔が毒素で満たされると、電極を洗浄し、復元し、再使用することができる。

によって導かれて Qilin Li、土木・環境工学、材料科学、ナノ工学の教授であるライス・トリートメント・システムは、伝統的なシステムの代わりに低コスト、省エネルギーになると期待されています。

「逆浸透などのすべてを除去する従来の方法は高価でエネルギー集約的です」とLi氏は声明で述べました。

「これらのマイナーな部品を釣り上げる方法を見つけたら、多くのエネルギーを節約することができます」

これまでに、研究者は、水を苦味を与え、下剤として作用することができるスケール形成鉱物である硫酸イオンの除去についてこのシステムを試験した。

これを行うために、システムの電極を活性炭でコーティングし、次に活性炭を四級化ポリビニルアルコールで結合した小さな樹脂粒子の薄膜でコーティングしました。

帯電した電極間の流路に硫酸塩汚染水が流入すると、硫酸イオンが電極に引き付けられ、樹脂被覆を通過して炭素に付着した。

実験室での試験では、陽性に帯電したコーティングが硫酸塩イオンを20対1の比で塩に捕捉したことが示された。

「これは、イオン汚染物質を選択的に除去する方法を見つけるための幅広い研究の一部です」とLiは声明で述べました。「水中には多くのイオンがあります。すべてが有毒というわけではありません。たとえば、塩化ナトリウム（塩）は完全に良性です。濃度が高くなりすぎない限り、削除する必要はありません。」

「多くのアプリケーションでは、危険性のないイオンを残すことができますが、除去する必要がある特定のイオンがあります。たとえば、いくつかの飲料水井戸にはヒ素があります。私たちの飲料水パイプには、鉛または銅が含まれている可能性があります。また、産業用途では、スケールを形成するカルシウムと硫酸イオンがあり、パイプを汚し詰まらせる鉱物堆積物が蓄積します。」

研究者たちは現在、他の汚染物質のコーティングを開発しており、テキサス大学エルパソ校とアリゾナ州立大学で大規模なテストシステムを研究しています。

まとめ

世界的な水危機は、直接の影響を感じていない人も含め、すべての人に影響を及ぼします。枯渇レベルが上昇し続けているため、水の安全を確保し、水に関連する病気を減らすために、私たち全員がその役割を果たさなければなりません。

幸いにも、世界中の危機を和らげるために、科学者、活動家、非営利組織による取り組みが開始されています。

今日の相互接続時代において、私たちは最も重要なリソースを保護するために協力するユニークな立場にあります。

これまで以上に、 Water.org, 雀の涙, 人々のための水 & 水は生命であります水不足のコミュニティを支援し、変化する世界に大きな影響を与えるために、世界レベルで取り組むことができます。