ナノ修復

ナノ修復とは、環境修復のためにナノ粒子を使用することです。地下水、廃水、土壌、堆積物、またはその他の汚染された環境物質を処理するために研究されています。^{[1] [2]} ナノ修復は新興産業です。2009年までに、主に米国で、世界中の少なくとも44の浄化現場でナノ修復技術が文書化されました。^{[3] [4] [5]}ヨーロッパでは、ナノ修復はECが資金提供するNanoRemプロジェクトによって調査されています。^[6] NanoRemコンソーシアムによって作成されたレポートでは、パイロット規模またはフルスケールで世界中で約70のナノ修復プロジェクトが特定されています。^[7]ナノ修復中は、解毒または固定化反応を可能にする条件下で、ナノ粒子剤を対象の汚染物質と接触させる必要があります。このプロセスには通常、ポンプアンドトリートメントプロセスまたはin situアプリケーションが含まれます。

いくつかのナノ修復法、特に地下水浄化のためのナノゼロ価鉄の使用は、本格的な浄化現場で導入されている。^[2]他の方法はまだ研究段階にある。

ナノ修復は地下水処理に最も広く使用されており、廃水処理についても広範な研究が行われています。^{[5] [8] [9] [10]}ナノ修復は土壌や堆積物の浄化にもテストされています。^{[11]さらに多くの予備研究では、ナノ粒子を使用して}ガスから有毒物質を除去する方法が検討されています。^[12]

現在、地下水浄化はナノ修復技術の最も一般的な商業的応用である。^{[7] [8]地下水浄化に}ナノ材料、特にゼロ価金属（ZVM） を使用することは、汚染物質を分解または隔離するための多くのナノ材料の利用可能性と有効性により有望な新しいアプローチである。^[13]

ナノテクノロジーは、掘削や地中から汚染水を汲み出す必要を回避し、汚染物質をその場で効果的に処理する可能性を秘めています。このプロセスは、注入井を介して汚染された帯水層にナノ粒子を注入することから始まります。その後、ナノ粒子は地下水の流れによって汚染源に運ばれます。接触すると、ナノ粒子は汚染物質を隔離（吸着または錯体形成を介して）して固定化したり、汚染物質を害の少ない化合物に分解したりすることができます。汚染物質の変換は、通常、酸化還元反応です。ナノ粒子が酸化剤または還元剤である場合、反応性があると見なされます。^[13]

ナノ粒子を地下に注入し、汚染源まで輸送する能力は、処理を成功させる上で不可欠です。反応性ナノ粒子は井戸に注入され、そこから汚染地域まで傾斜に沿って輸送されます。井戸の掘削と充填には非常に費用がかかります。直接押し込み井戸は掘削井戸よりも費用が安く、ナノ鉄による浄化に最もよく使用される輸送手段です。ナノ粒子スラリーをプローブの垂直範囲に沿って注入し、特定の帯水層領域に処理を施すことができます。^[13]

_{カーボンナノチューブやTiO 2}などのさまざまなナノ材料の使用は、浄化、消毒、淡水化などの表層水処理に有望である。^{[9]表層水中の標的汚染物質には、重金属、有機汚染物質、病原体などがある。この文脈では、ナノ粒子は吸着剤、反応剤（光触媒または酸化還元剤）、または}ナノ濾過に使用される膜として使用される可能性がある。^[要出典]

ナノ粒子は、現場での微量汚染物質の検出に役立ち、効果的な修復に貢献する可能性があります。実験室の外で操作できる機器は、微量汚染物質を検出するのに十分な感度がないことがよくあります。地下水やその他の環境媒体中の微量汚染物質を迅速、ポータブル、かつ費用対効果の高い方法で測定できれば、汚染物質の検出と浄化が向上します。考えられる方法の 1 つは、サンプルから分析対象物を分離し、少量に濃縮して、検出と測定を容易にすることです。少量の固体吸着剤を使用して濃縮対象物を吸収する場合、この方法は固相マイクロ抽出と呼ばれます。^[14]

ナノ粒子は反応性が高く表面積が大きいため、特にメソポーラス支持体上の自己組織化単分子膜の形で、固相マイクロ抽出のための対象汚染物質を濃縮するのに役立つ効果的な吸着剤となる可能性がある。界面活性剤テンプレートのゾルゲルプロセスによって作られたメソポーラスシリカ構造は、これらの自己組織化単分子膜に高い表面積と剛性の開放細孔構造を与える。この材料は、水銀、鉛、カドミウム、クロム酸塩、ヒ酸塩などの重金属、および⁹⁹ Tc、¹³⁷ CS、ウラン、アクチニドなどの放射性核種を含む多くの対象に対して効果的な吸着剤となる可能性がある。^[14]

ナノ粒子のサイズが小さいため、修復効果を高めるいくつかの特性があります。ナノマテリアルは単位質量あたりの表面積が大きいため、反応性が非常に高いです。 ^{[3]また、ナノ粒子は粒子サイズが小さいため、大きな粒子では浸透できない}土壌や堆積物の小さな孔にも入り込み、土壌に吸着した汚染物質にアクセスして、標的の汚染物質と接触する可能性が高くなります。^[3]

ナノマテリアルは非常に小さいため、その動きは重力に比べてブラウン運動によって大きく左右されます。そのため、地下水の流れは粒子を運ぶのに十分です。するとナノ粒子は溶液中に長く浮遊したままになり、その場で処理ゾーンを確立することができます。^[15]

ナノ粒子が汚染物質と接触すると、通常は酸化還元反応によって汚染物質を分解するか、汚染物質に吸着して固定化します。磁性ナノ鉄の場合など、吸着された複合体が処理された基質から分離され、汚染物質が除去される場合もあります。^{[12]対象となる汚染物質には、}農薬や有機溶剤などの有機分子や、ヒ素や鉛などの金属が含まれます。また、窒素やリンなどの過剰な栄養素を除去するためにナノ粒子を使用する研究も行われています。^[12]

修復用のマクロサイズの粒子として使用されるものも含め、さまざまな化合物がナノ修復に使用するために研究されています。^[2]これらの材料には、ゼロ価鉄などのゼロ価金属、炭酸カルシウム、グラフェンやカーボンナノチューブなどの炭素系化合物、二酸化チタンや酸化鉄などの金属酸化物が含まれます。^{[3] [12] [16]}

2012年時点では、ナノゼロ価鉄（nZVI）がベンチおよび現場での修復試験で最も一般的に使用されているナノスケール材料でした。^{[2] nZVIは、}パラジウム、銀、銅などの別の金属と混合またはコーティングされ、いわゆるバイメタルナノ粒子で触媒として機能します。 ^[3] nZVIは界面活性剤とオイルで乳化され、疎水性液体と相互作用するナノ粒子の能力を高め、水に溶解した物質との反応からナノ粒子を保護する膜を形成することもあります。^{[1] [2]}市販のnZVI粒子サイズは、真の「ナノ」寸法（直径100 nm以下）を超える場合があります。^[3]

nZVIは、ポリ塩化ビフェニル（PCB）やトリクロロエチレン（TCE）などの塩素化有機化合物を含む有機汚染物質の分解や、金属の固定化または除去に有効であると思われます。 ^{[3] [9]} nZVIや光を必要としない他のナノ粒子は、地下の汚染地帯に注入して、その場で地下水浄化や土壌浄化を行うことができます。

nZVI ナノ粒子は、水素化ホウ素ナトリウムを主要な還元剤として使用して製造できます。NaBH _{4 (0.2 M) を FeCl 3} •6H ₂ (0.05 M) 溶液 (約 1:1 の体積比)に加えます。鉄 (III) は次の反応によって還元されます。

4Fe ³⁺ + 3B H⁻
₄+ 9H ₂ O → 4Fe ⁰ + 3H ₂ B O⁻
₃+ 12時間⁺ + 6時間₂

_{パラジウム化鉄粒子は、ナノスケールの鉄粒子を1wt%酢酸パラジウム（[Pd(C 2} H ₃ O ₂ )2] ₃ ）のエタノール溶液に浸すことによって調製されます。これにより、鉄表面上のPdが還元され、堆積します。

Pd ²⁺ + Fe ⁰ → Pd ⁰ + Fe ²⁺

同様の方法を使用して、Fe/Pt、Fe/Ag、Fe/Ni、Fe/Co、およびFe/Cuの二金属粒子を調製することができます。上記の方法を使用すると、直径50〜70 nmのナノ粒子を生成できます。Pd / Fe粒子の平均比表面積は約35 m ² / gです。鉄塩も前駆体として使用できました。^[15]

二酸化チタン（TiO ₂）もナノ修復や廃水処理の有力候補ですが、2010年時点ではまだ本格的な商業化には至っていないと報告されています。^[10]日光などの紫外線にさらされると、二酸化チタンはヒドロキシルラジカルを生成します。ヒドロキシルラジカルは反応性が高く、汚染物質を酸化することができます。ヒドロキシルラジカルは、一般に高度酸化プロセスと呼ばれる方法で水処理に使用されます。この反応には光が必要であるため、TiO _{2 は地下の}原位置修復には適していませんが、廃水処理や汲み上げ式地下水修復には使用できます。^[要出典]

TiO ₂は安価で、化学的に安定しており、水に溶けません。TiO _2はバンドギャップエネルギーが広く(3.2 eV)、光触媒活性化には可視光だけでなく紫外線も必要です。光触媒の効率を高めるために、TiO _{2の改良や、}可視光スペクトルの光子をより多く利用できる代替光触媒が研究されてきました。^{[9] [17]潜在的な改良には、TiO} ₂に金属、窒素、または炭素をドーピングすることが含まれます。 ^[要出典]

原位置修復を使用する場合、 反応性生成物は2つの理由から考慮する必要があります。1つは、反応性生成物が親化合物よりも有害または移動性が高い可能性があることです。もう1つの理由は、生成物が修復の有効性やコストに影響を与える可能性があることです。TCE （トリクロロエチレン）は、ナノ鉄による還元条件下で、DCE（ジクロロエチレン）とVC（塩化ビニル）に順次脱塩素化される可能性があります。VCはTCEよりも有害であることが知られているため、このプロセスは望ましくありません。^[13]

ナノ粒子は非標的化合物とも反応します。むき出しのナノ粒子は凝集しやすく、また土壌、堆積物、地下水中の他の物質とも急速に反応します。^[18]原位置修復の場合、この作用により粒子が汚染区域に拡散するのを抑制し、修復効果を低下させます。コーティングやその他の処理により、ナノ粒子がより遠くまで拡散し、汚染区域のより広い部分に到達する可能性があります。nZVIのコーティングには、界面活性剤、高分子電解質コーティング、乳化層、シリカまたはカーボン製の保護シェルなどがあります。^[1]

このような設計は、ナノ粒子の汚染物質との反応能力、生物による吸収、毒性にも影響を与える可能性があります。^[19]修復に使用されるナノ粒子が広範囲に拡散し、野生生物、植物、または人々に害を及ぼす可能性があるかどうかについては、継続的な研究領域です。^[20]

場合によっては、バイオレメディエーションが意図的に同じ場所や同じ材料でナノレメディエーションに使用されることもあります。進行中の研究では、ナノ粒子が同時に行われる生物学的レメディエーションとどのように相互作用するかを調査しています。^[21]

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