原位置化学還元

インサイチュ化学還元（ISCR）は、土壌や地下水の浄化に用いられる環境浄化技術の一種で、対象となる環境汚染物質の濃度を許容レベルまで下げるものです。インサイチュ化学酸化（ISCO）の鏡像プロセスです。ISCRは通常、汚染されたエリアに液体の化学的還元添加剤を注入するか、汚染物質の煙の経路に化学還元剤の固体媒体を置くことで環境に適用されます。^[1]自然分解に耐性があるものも含め、さまざまな有機化合物の浄化に使用できます。

ISCR のin situ はラテン語で「その場で」という意味で、ISCR は汚染現場で起こる化学還元反応であることを意味します。ISCO と同様に、ISCR は多くの化合物を浄化することができ、理論的には、ISCR は ISCO よりも地下水浄化に効果的である可能性があります。

化学還元は酸化還元反応の半分であり、電子を獲得します。反応中の反応物の 1 つは酸化されるか、電子を失い、もう 1 つの反応物は還元されるか、電子を獲得します。ISCR では、還元化合物、つまり反応中の他の化合物から与えられた電子を受け取る化合物を使用して、汚染物質を無害な化合物に変えます。

初期の研究では銅による脱塩素化が検討された。基質にはDDT、エンドリン、クロロホルム、ヘキサクロロシクロペンタジエンなどがある。アルミニウムとマグネシウムは実験室では同様の挙動を示す。地下水処理では鉄の使用が最も一般的に行われている。^[2]

ゼロ価金属は、ISCR で使用される主な還元剤です。最も一般的に使用される金属は鉄で、ZVI (ゼロ価鉄) の形で使用され、最も長く使用されている金属でもあります。ただし、いくつかの研究では、ゼロ価亜鉛 (ZVZ) は、ZVI よりも最大 10 倍汚染物質を除去する効果があることが示されています。^{[3] ZVM の用途には、}トリクロロエチレン(TCE) と六価クロム(Cr(VI))の除去があります。 ^{[4] ZVM は通常、}透過性反応性バリアによって実装されます。たとえば、膨潤性の有機修飾シリカに埋め込まれた鉄は、地下に永久的な柔らかいバリアを作成し、地下水が通過するときに小さな有機化合物を捕捉して還元します。^[5]

鉄鉱物は脱塩素化に有効である。これらの鉱物はFeを使用する。^2歳以上
使用できる特定の鉱物には、緑さび、磁鉄鉱、黄鉄鉱、海緑石などがあります。^[6]鉄鉱物の中で最も反応性の高いのは、硫化鉄と酸化鉄です。硫化鉄である黄鉄鉱は、懸濁液中の四塩化炭素を脱塩素化することができます。 ^[2]

ポリスルフィドは、硫黄原子の鎖を持つ化合物です。この反応物は、TCE の処理および EHC との比較において現場でテストされています。ポリスルフィドの使用は非生物的還元の一種であり、鉄 (III) が利用可能な嫌気性条件で最も効果的です。ポリスルフィドを使用する利点は、生物学的廃棄物を生成しないことです。ただし、反応速度が遅く、還元に必要な DVI (二価鉄) ミネラルを生成するのに時間がかかります。^[7]

ジチオン酸塩（S
₂お²⁻⁴
_...) も還元剤として使用できます。通常は鉄に加えて汚染物質の除去に使用されます。いくつかの反応が起こり、最終的に汚染物質が除去されます。このプロセスでは、亜ジチオン酸塩が消費され、すべての反応の最終生成物は 2 つの二酸化硫黄アニオンです。亜ジチオン酸塩は長期間安定していません。

バイメタル材料は、2つの異なる金属または合金をしっかりと結合して作られた材料です。バイメタル材料の良い例としては、ある種の温度計に使用されているバイメタルストリップがあります。ISCRでは、バイメタル材料はパラジウム、銀、プラチナなどの触媒で軽くコーティングされた金属の小片です。触媒はより速い反応を促進し、粒子のサイズが小さいため、粒子が効果的にターゲットゾーンに移動し、そこに留まることができます。^[8]

ISCR の専有素材の 1 つに、Adventus が開発した EHC 技術があります。この特定の製品は、実際には炭素、栄養素、およびゼロ価鉄の混合物です。この製品の背後にある理論は、混合物に含まれる炭素が地下の細菌の成長を促進するというものです。成長する細菌は、地下に存在する電子を容易に受け入れる酸素を消費し、還元電位を高めます。成長する細菌はまた、発酵して脂肪酸を生成します。脂肪酸は、他の細菌や物質への電子供与体として機能します。Adventus は、この生物的プロセスと非生物的プロセスの組み合わせを使用して、ISCR を実行します。EHC は、「スラリー」(15 ～ 40% の固形分と重量で残りが液体である混合物) として基質に注入されます。^[9]

もう一つ言及する価値のある材料は、NASAの技術であるEZVI（乳化ZVI）です。EZVIは主にハロゲン化炭化水素とDNAPLの処理に使用されます。EZVIはナノスケールの鉄で、生分解性の油乳剤に入れられます。その後、乳剤は基質に注入されます。^[10]

ISCRでは、多くの還元プロセスが起こります。水素化分解、β脱離、水素化、α脱離、電子移動などがあります。地下で実際に起こる還元プロセスの具体的な組み合わせは、存在する汚染物質の種類と、使用されている還元の種類によって異なります。地層で起こる自然および生物学的プロセスも、見られる還元プロセスの種類に影響を与えます。^[6]

透過性反応バリアと第一鉄で起こる反応は表面ベースです。表面反応には、直接還元、第二鉄を介した電子のシャント、および水素の生成と反応による還元の 3 つの形式があります。経路 A は、金属/水接触点での吸着ハロカーボン (RX) へのFe ^{0の直接電子移動 (ET) を表し、脱塩素化と Fe 2+}の生成をもたらします。経路 B は、 Fe ^{2+ (Fe 0}の腐食によって生成) が RX も脱塩素化して Fe ^{3+ を}生成する可能性があることを示しています。経路 C は、触媒が存在する場合、 Fe ²⁺の嫌気性腐食によるH _{2 が}RX と反応する可能性があることを示しています。

上で述べた還元プロセスは、2つの方法で強化することができます。1つは、化学的または生物学的手段によって還元率を高めるために、地下で利用可能な鉄の量を増やすことです。2番目の方法は、鉄を他の化学還元剤と組み合わせるか、生物学的還元を使用することで、鉄の還元能力を高めることです。このプロセスを使用して、科学者は亜ジチオン酸ナトリウムと鉄を組み合わせて、六価クロムとTCEを効果的に処理しました。^[2]

細菌の作用と生物学的プロセスと鉄を組み合わせることも効果的であることが知られています。生物学的プロセスの最も明白な使用法は、NASA が開発した EZVI 技術と Adventus が開発した EHC 製品です。これらの材料は両方とも生物学的マトリックス内に鉄を含んでおり (鉄は EZVI では植物油に、EHC では有機炭素に懸濁されています)、微生物を使用して還元ゾーンを強化し、反応が起こるより嫌気的な環境を作り出します。

ISCR の最も一般的な実装方法は、透過性反応性バリア (PRB) を設置することですが、還元剤を地下に直接注入して発生源領域を処理できる場合もあります。

これらのバリアは通常、ゼロ価鉄 (ZVI) で作られていますが、他のゼロ価金属でも作ることができます。最も一般的な方法は、溝に ZVI、ナノスケール鉄、またはパラジウムを充填することです。ナノスケール鉄粒子は、プルームを処理するために地下に直接注入することもできます。また、表面積が大きいため反応性が高く、汚染現場でより均一に分散できます。パラジウムの反応速度は速いです。PRB の主な利点は、さまざまな汚染物質を削減できることと、地上構造がないことです。PRB の問題には、適切に構築されたバリアであっても、油圧ショートの問題が発生する可能性があることが含まれます。^[11]

ナノスケールの鉄は、十分に分散できるほど小さいため、地下に直接浸透することができます。粒子が非常に小さいため、反応表面積が比較的大きく、より効果的な反応が得られます。現在のところ、ナノスケールの鉄は、この注入戦略で使用されている唯一の材料であり、おそらく注入に効果的な唯一の材料です。^[12]