電気泳動修復

電気動態修復法は、電気動態とも呼ばれ、直流電流を使用して電位によって土壌から有機物、無機物、重金属粒子を除去する技術です。^{[1] [2] [3]この技術を使用すると、地表への撹乱を最小限に抑えながら、地下の}汚染物質を処理することができます。

基本的な電気動態修復現場には、外部の直流電源、地中に埋め込まれた正に帯電した 電極（またはアノード）と負に帯電した電極（またはカソード）が含まれます。電極の配置は、既知の汚染物質のプルームのサイズと形状に基づいて決定されます。汚染物質の除去とプルームの移動の防止は、電極の配置を決定する上で大きな影響を及ぼします。各電極は、電解液を注入できる貯留井に収められています。^[4]電解液は、導電媒体（または間隙流体）として、また汚染物質を抽出して化学物質または生物学的実体を導入する手段として機能します。^[5] 電解液のもう1つの用途は、電極反応の制御および/または脱分極です。電極を溶液に浸すと、アノードサイトでは酸化が起こり、カソードサイトでは還元が起こります。^[1] 酸化と酸性フロントの形成はプロセスの副産物であり、システムにさまざまな程度の影響を及ぼします。各電極サイトで電解液をポンプで送り、処理し、テストすることで、システムの寿命と効率を延ばすことができます。

直接電源によって電極に電流が流されると、土壌表面下で移動が発生します。多くの種類の移動が電流と連動して発生しますが、電気運動学にはイオン移動と電気泳動という 2 つの駆動移動があります。電解液が土壌内に注入されると、イオン溶液の一部が土壌と汚染物質とともに拡散二重層を形成します。この拡散二重層は、電流が土壌と周囲の液体を通過するときに発生するイオンドリフトを助けます。このプロセスは電気浸透と呼ばれます。^[1]拡散二重層の厚さは、バルク溶液のイオン組成と水和生成物の平均電荷密度の関数です。^{[3]電解質濃度が増加すると、拡散二重層の厚さは減少します。電気泳動は、}電界下での荷電粒子の質量流束です。^[4]両方のプロセスは同時に機能しますが、逆流方式です。荷電粒子は電気泳動によって駆動され、陰極から陽極に流れ、電解液は陽極から陰極に流れます。 2 つの主なプロセスのうち、電気泳動 (または電気移動) は電気浸透よりも優勢です。^[2]電気泳動は、反対方向の電気浸透の流れを誘発する駆動要因として機能します。電気移動は、イオン性汚染物質の除去の主要な要素としても機能します。電気移動が発生するには、吸収された物質が金属、有機粒子、無機粒子のいずれであっても、イオンの形に溶解する必要があります。^[1]電極間の電気浸透流は、土壌の低 pH 環境の開発を促進します。この低 pH 環境は、金属汚染物質が土壌粒子の表面に吸着するのを抑制し、電気運動を可能にする化合物の形成を助けます。^[6]この考えにより、土壌を酸性化し、吸収された重金属の放出を誘発することが可能です。^[2]

電気動態浄化は、地下水に溶解する可能性のある多くの汚染物質に適用されます。重金属は、電気動態プロセスによって除去される主な汚染物質の1つです。カドミウム（II）などの一部の金属は、エネルギー消費量が多いため除去できます。クロム（III）は除去できますが、加水分解が容易で他の物質に吸着するため、効率は低くなります。クロム（IV）も電気動態除去の候補ですが、クロム（IV）の移動は硫黄が存在するとクロム（III）に分解されるため遅くなります。^[1] テストされ、処理可能であると報告されている他の重金属種には、水銀、亜鉛、鉄、鉛、銅、マグネシウムなどがあります。^{[5] [6]}

電気運動は、ほとんどの媒体で重金属よりも速く移動するアルカリ金属やアルカリ土類金属でも可能である。20～30ボルトの試験では、アルカリ金属は1ボルトあたり1日50～60cm移動するのに対し、重金属は1ボルトあたり1日10～20cmの速度で移動することが判明している。 ^{[2] [7]}この違いは、重金属の脱着と溶解が遅いためである可能性がある。電気運動は、極性有機化合物（フェノールと酢酸）と放射性ヌクレオチド（ラジウム）、有毒な陰イオン（硝酸塩と硫酸塩）、高密度非水相液体（DNAPL）、シアン化物、石油炭化水素（ディーゼル燃料、ガソリン、灯油、潤滑油）、ハロゲン化汚染物質、爆発物、ハロゲン化多核芳香族炭化水素の処理にも使用できる。^[5]

電気泳動の利点の 1 つは、汚染物質のアクセスや処理の実施を克服するために、低透水性ゾーンの汚染物質を処理するために、修復をその場で (修復サイト内で) 実行できることです。 ^{[8]修復は、汚染物質を}実験室でテストおよび処理するために、現場外 (自然の場所から移動) で行うこともできます。処理場所のこの汎用性は、非常に費用対効果が高い場合があります。電気泳動には、間隙流体を挿入するため、飽和または不飽和の土壌で使用できるという利点があります。修復は、土壌の成層または均質性に関係なく行うことができます。^[4]カオライトや粘土質砂などの透水性の低い土壌では、重金属汚染物質を最大 90% 除去できます。多くの場合、土壌の適切な作業条件を決定するために土壌の前処理を行う必要があります。^[6]

注目すべき点の 1 つは、土壌の電位プロファイルは間隙流体のイオン分布によって決定できることです。イオン分布は電気運動システムの効率に影響を与えるため、ジョン・ゼニティスなどのエンジニアは、イオン流量予測モデルの作成に使用できる電極周辺の重要な反応を見つけるための包括的な研究を行ってきました。^[2]これらのモデルを解釈して、特定のサイトに対して電気運動修復が最適な選択であるかどうかを判断できます。

電気動態の主な制限は、外部の流体を土壌に導入することです。汚染物質を溶解できない場合、対象の汚染物質を抽出することはできません。^[5]電極付近での電気分解は、特に電流が長時間誘導された場合、土壌の pH を変える可能性があります。電気動態システムを長時間使用すると、電極の周りに酸性状態が発生し、汚染物質と反応することがあります。土壌の酸性化の増加が環境的に許容できない場合は、電気動態の使用を再評価する必要があります。^[6]地中に埋められた大きな金属物体も、システムを短絡させる経路を提供するため、電極の制限となります。埋められた金属物体は、電圧勾配を変えて流れ​​を減少または停止させることもできます。土壌から揮発性有機化合物を除去すると、土壌蒸気濃度が上昇する可能性があります。直感に反して、浸透性の高い土壌は電気動態の効率を低下させます。粘土のような透水性の低い土壌では、初期汚染物質の最大 90% が除去されますが、泥炭のような透水性の低い土壌では、初期汚染物質の約 65% が除去されます。

電気運動プロセスのもう一つの大きな制限は、システムの電位の低下です。さまざまな分極効果により、システムの動作が低下する可能性があります。たとえば、活性化分極は、導電性中に電極の表面に形成される気泡を除去する電気運動修復プロセス中に発生する可能性があります。抵抗分極は、電気運動修復プロセスの開始後に発生する可能性があり、白い層が観察されます。硬水の汚れと同様に、この層は導電性を阻害する不溶性塩やその他の不純物である可能性があります。濃度分極は、陽極で生成された水素イオンが陰極に引き寄せられ、陰極で生成された水酸化物イオンが陽極に引き寄せられるときに発生します。中和が発生すると、システム間の電位が低下します。^[6] 電位プロファイルの局所的な平坦化も、移動の違いを引き起こす可能性があります。^[2]

多くの場合、特定の現場での現象を電気動態学的修復法で研究することで、技術の新たな進歩につながる可能性があります。多くの場合、電気動態学的修復法は、現場固有の問題に対処するために他の修復法と組み合わされます。デンマークのウッドパーセベレーションでは、銅は土壌を2つの形で汚染する重金属でした。土壌内のさまざまな複合体を含むイオン溶液、または土壌鉱物の結晶格子です。 [ ^9]この場所では、イオン溶液として存在する銅の量が増えたため、土壌のpHは非常に重要なパラメーターでした。アクティブバリアまたは交換膜を作成することにより、イオンが電極コンパートメントから土壌に移動するのを防ぎます。^[9]土壌を電極から分離するのは、移動性の高いイオンが電極サイトから土壌を通過するときにカソードの酸性化と電流損失を防ぐためです。^[9]

1995 年、米国ケンタッキー州のパデュカで、土壌から重金属を除去する新しい技術が開発されました。ラザニア プロセスと呼ばれるこの技術は、単に、電解液にさまざまな混和剤を追加することで、汚染された土壌マトリックスを処理するために使用されるいくつかの水平透過性ゾーンを作成するものです。このシステムでは、吸着剤、触媒試薬、緩衝液、酸化剤などの混和剤は、陽極が下部近くに、陰極が上部近くにある垂直システムを通じて適用されます。^{[6] [8] [10]} 陽極と陰極のシステムの垂直方向の配置により、流体のリサイクルとシステム処理が容易になります。ラザニア層の形成は、水平電極によって過度に圧密された粘土が破壊されるためです。水平電極と垂直加圧システムを組み合わせることで、この方法は土壌の深層から汚染物質を除去するのに特に効果的です。このプロセスの最初のテストでは、パデュカ サイトからトリクロロエチレンを98% 除去できることが証明されました。電気泳動修復法は放射能汚染された場所での使用にも適している。^[11]