電気抵抗加熱

電気抵抗加熱（ERH）は、交流電流の流れを利用して土壌と地下水を加熱し、汚染物質を蒸発させる、集中的な現場 環境修復方法です。 ^[1] 電流は、地下電極要素間の標的土壌体積を通過します。土壌に存在する電流抵抗により熱が発生し、深部で水の沸点に達するまで温度が上昇します。この温度に達した後、さらにエネルギーを投入すると相変化が起こり、蒸気が形成され、揮発性汚染物質が除去されます。ERH は、汚染源エリアの処理に使用すると、通常、より費用対効果が高くなります。

電気抵抗加熱は、環境修復業界で汚染された土壌や地下水の浄化に使用されています。ERH は、地中に電極を構築し、電極に交流 (AC) 電気を適用し、汚染物質の蒸発を促進する温度まで地下を加熱するものです。揮発した汚染物質は地下蒸気回収システムによって捕捉され、回収された空気と蒸気とともに地表に運ばれます。土壌蒸気抽出と同様に、空気、蒸気、揮発した汚染物質は地表で処理され、水、空気、汚染物質が分離されます。さまざまな流れの処理は、地域の規制と汚染物質の量によって異なります。

低揮発性の有機汚染物質の中には、加水分解の半減期が短いものがあります。1,1,2,2- テトラクロロエタンや1,1,1-トリクロロエタン などの汚染物質の場合、加水分解が主な修復方法となります。地下が加熱されると、汚染物質の加水分解半減期は、アレニウスの式で説明されるように短くなります。その結果、汚染物質は急速に分解されます。加水分解副産物は従来のERHで修復できますが、主な汚染物質の大部分は回収されずに、副産物に分解されます。

ERH の電気負荷配置には、主に 3 相と 6 相の 2 種類があります。3 相加熱は、三角形またはデルタ パターンを繰り返す電極で構成されます。隣接する電極は電気位相が異なるため、図 1 に示すように、それらの間で電気が伝導します。汚染された領域は緑色の図形で示され、電極は番号付きの円で示されます。

6 相加熱は、6 つの電極が六角形パターンで配置され、アレイの中央に中性電極があります。6 相アレイは、下の図 2 で青で囲まれています。ここでも、汚染された領域は緑の図形で示され、電極は番号付きの円で示されています。6 相加熱パターンでは、互いに隣接する相に応じて、ホット スポットとコールド スポットが発生する可能性があります。このため、6 相加熱は通常、直径 65 フィート未満の小さな円形領域で最も効果的に機能します。

ERH は、一般的に揮発性有機化合物(VOC)に最も効果的です。塩素化合物のパークロロエチレン、トリクロロエチレン、およびシスまたはトランス 1,2-ジクロロエチレンは、ERH で簡単に浄化できる汚染物質です。表には、ERH で浄化できる汚染物質とそれぞれの沸点が示されています。キシレンやディーゼルなどの揮発性の低い汚染物質も ERH で浄化できますが、揮発性が低下するとエネルギー要件が増加します。

電極間隔と動作時間を調整することで、全体的な修復コストと希望するクリーンアップ時間のバランスを取ることができます。典型的な修復では、電極を 15 ～ 20 フィート間隔で配置し、動作時間は通常 1 年未満です。ERH 修復システムの設計とコストは、主に処理する土壌/地下水の量、汚染の種類、および処理目標など、いくつかの要因によって決まります。対象化合物の物理的および化学的特性は、加熱修復が従来のほとんどの方法よりも有利になる法則によって決まります。地下を加熱して汚染物質を揮発させるために必要な電気エネルギー使用量は、全体的な修復コストの 5 ～ 40% を占める可能性があります。

ERH 修復にはいくつかの法則が適用されます。ドルトンの法則は、比較的不溶性の汚染物質の沸点に適用されます。ラウールの法則は、相互に溶解する共汚染物質の沸点に適用されます。ヘンリーの法則は、気相の汚染物質と液相の汚染物質の比率に適用されます。

相互に不溶性の化合物の場合、ダルトンの法則によれば、非水相液体 (NAPL) の部分圧はその蒸気圧に等しく、水と接触しているNAPL は、水の蒸気圧と VOC の蒸気圧の合計が周囲圧力に等しくなったときに沸騰します。VOC 蒸気の泡が形成されると、泡の組成は複合材料のそれぞれの蒸気圧に比例します。

相互に溶解する化合物の場合、ラウールの法則によれば、化合物の部分圧は、その蒸気圧とモル分率の積に等しいとされています。つまり、相互に溶解する汚染物質は、化合物が 1 つだけの場合よりもゆっくりと揮発します。

ヘンリーの法則は、化合物が気相で空気と結合したり、水に溶解したりする傾向を表します。ヘンリーの法則定数 (係数とも呼ばれる) は各化合物に固有であり、システム温度に依存します。この定数は、凝縮器から出た後に気相に残る (または液相に移行する) 汚染物質の量を予測するために使用されます。

過去 5 年間で、ERH の技術は大きく進歩しました。重点分野は、岩盤修復、1,4-ジオキサンおよびその他の新規汚染物質、その他の修復プロセスや自然プロセスを強化するための低温熱制御の 3 つです。

ERH は、通気帯と飽和帯の両方の未固結土壌の処理に 15 年以上使用されています。最近の進歩と結果から、ERH は基盤岩の効果的な処理方法になり得ることが示されています。ERH サイトで、主要な電流経路は、土壌または岩石粒子のすぐ近くにある薄い水の層にあります。細孔容積内の水によって運ばれる電流はほとんどありません。電気伝導率を左右するのは細孔流体ではなく、粒子を湿潤させる流体です。堆積岩には通常、電流の流れに必要な薄い水の層があります。つまり、ERH は、通常、大きな一次多孔性を持つ堆積基盤岩の処理に効果的に使用できます。

1,4-ジオキサンは、最近特定された懸念される汚染物質です。この汚染物質についてより多くのことが分かるにつれて、1,4-ジオキサンの規制基準は常に変化しています。1,4-ジオキサンは水への溶解度が高く、ヘンリーの法則定数が低いため、修復に関連する複雑な課題が生じます。常温では、1,4-ジオキサンの物理的特性から、エアストリッピングは効率的な処理メカニズムではないことがわかります。最近の ERH 修復結果では、ERH が処理に適した条件を作り出すことが示されています。ERH 修復には蒸気ストリッピングが含まれますが、これはこれまで 1,4-ジオキサンでは調査されていませんでした。ERH サイトでは、蒸気ストリッピングによって 1,4-ジオキサンが効果的に蒸気相に移され、その後の処理が行われることが確認されています。最近の ERH 修復では、地下水中の 1,4-ジオキサン濃度が 99.8% (またはそれ以上) 減少したことが記録されています。等級以上の処理ストリームをモニタリングした結果、地下から除去された後も 1,4-ジオキサンの 95% が蒸気ストリームに残っていることがわかりました。さらに、粒状活性炭は1,4-ジオキサン蒸気の効果的な処理方法であることが証明されています。

揮発は、ほとんどの ERH サイトにおける主要な除去メカニズムです。ただし、ERH は、自然に発生するものも含め、他のプロセスを強化して、煙の処理コストを削減するためにも使用できます。ERH は、蒸気ストリッピングを伴わない修復プロセスを伴うプロジェクトに、制御された低温加熱を提供するために使用できます。「低温加熱」とは、水の沸点未満の地下温度をターゲットにすることを意味します。低温 ERH の例には、熱強化バイオレメディエーション、溶解ガスの溶解度を超える温度まで地下を加熱して VOC ストリッピング (最も顕著なのは二酸化炭素の沸騰)、熱強化インサイチュー化学酸化(特に過硫酸塩の活性化)、熱強化還元 (鉄触媒反応など) などがあります。 ERH 低温加熱は、沸点以下の温度で塩素化アルカンをその場で加水分解するためにも使用できます。加水分解中に放出された塩酸がさらに地下の炭酸塩や重炭酸塩と反応して二酸化炭素を生成し、地下の VOC を除去します。

低温加熱をバイオレメディエーション、化学酸化、または脱塩素化と組み合わせて使用​​すると、反応速度が上がります。これにより、常温での修復に比べて、これらの修復プロセスに必要な時間が大幅に短縮されます。さらに、低温オプションでは、沸騰温度に達しないため、回収された蒸気に地上処理システムを使用する必要がありません。つまり、地上インフラストラクチャが少なくなり、全体的なコストが削減されます。

熱を多相抽出と組み合わせると、温度上昇により回収された流体の粘度と表面張力が低下し、除去がより速く容易になります。これが、石油回収率を高めるという ERH 開発の本来の目的です (上記の § 歴史を参照)。

• ERH の弱点には、狭い場所での熱損失があります。処理体積は表面積が大きいものの深さに対して薄いため、熱損失が大きく、ERH の効率が低下します。効率的な ERH 修復のための最小処理間隔は、垂直方向で約 10 フィートです。
• 油やグリースなどの共汚染物質があると、修復がさらに困難になります。油やグリースはラウールの法則効果を引き起こし、汚染物質を除去するためにより多くのエネルギーが必要になります。
• 地下の泥炭や高有機炭素は、ファンデルワールス力により VOC を優先的に吸着します。この優先吸着により、地下から VOC を除去するために必要なエネルギー量が増加します。
• 燃料サイトは、他のより安価な修復技術が利用可能であり、燃料サイトは通常薄いため（その結果、大幅な熱損失が発生する）、ERH によって処理されることはあまりありません。
• 埋立地内の場所も、金属片が電流経路を歪める可能性があるため、問題があります。ERH は、自然の土壌や岩石ではより均一です。

• ERH は、あらゆる土壌タイプおよび堆積岩に適応できます。ERH は、通気帯と飽和帯の両方で効果を発揮します。特定の岩相は、懸念される汚染物質を確実に除去/破壊する経路を妨げるため、従来の修復方法を制限することがあります。電気は、ある程度の水を含む岩相を通過できるため、ERH はあらゆる土壌タイプで効果を発揮します。加熱プロセス中に浮力のある蒸気泡を形成することで、ERH は、懸念される汚染物質をあらゆる土壌タイプから運び出すキャリア ガスを生成します。ERH は地下を乾燥させることはできません。地下が電気を伝導するには、地下に水がなければなりません。地下が乾燥する前に伝導は停止します。
• ERH は、稼働中の建物や製造施設の下など、一般的に使用されています。電極は、フェンスで囲まれたエリア内の地上に設置することも、処理エリアへの表面アクセスを制限しないように地下に設置することもできます。
• ERH は主に汚染源エリアに使用されますが、飲料水の最大汚染レベル(MCL)などの低い改善目標を達成するためにも使用できます。
• ERH 処理後、上昇した地下温度は数か月から数年かけてゆっくりと冷却され、常温に戻ります。この高温の期間は修復プロセスの重要な部分です。高温により、バイオ修復、加水分解、鉄還元脱ハロゲン化が促進されます。

• CLU-IN 修復テクノロジーの概要
• 現場熱処理に関する市民ガイド
• EPA CLU-IN テクノロジーニュースとトレンド: 電気抵抗加熱により CEC 発生源の除去が困難に – 2014 年夏
• 堆積岩中の揮発性有機化合物の電気抵抗加熱 - 修復ジャーナル、2014 年冬
• 電気抵抗加熱を用いた 1,4-ジオキサンの現場修復 – 修復ジャーナル、2015 年春
• EPA CLU-IN テクノロジーのニュースとトレンド: コメンスメント ベイ - サウス タコマ チャネルの浄化性能向上のための戦略的サンプリングと適応型対策の実施 - 2015 年冬
• EPA CLU-IN テクノロジーニュースとトレンド: NAPL 除去のための継続的な 3 者間アプローチによりフォート ルイスの浄化が促進される - 2005 年 7 月
• EPA CLU-IN テクノロジーニュースとトレンド: 空軍が TCE 源の除去とプルームの削減に電気抵抗加熱を採用 – 2004 年冬
• NAVFAC の ERH のコストとパフォーマンスのレビュー - 2007 年 3 月