透過性反応バリア

透過性反応性バリア（PRB ）は、透過性反応性処理帯（PRTZ）とも呼ばれ、現場での地下水浄化のための費用対効果の高い技術として認識されている開発中の技術です。PRBは、一部の物質（すべてではない）の通過を許可するバリアです。PRBの定義の1つは、汚染物質の煙を受動的に捕捉し、汚染物質を除去または分解して、汚染されていない水を放出する現場処理帯です。^[1]主な除去方法には、（1）吸着と沈殿、（2）化学反応、および（3）生物学的メカニズムを含む反応があります。^[2]

浸透性反応膜を使用して地下水を浄化する方法はさまざまです。主な 2 つのプロセスは、固定化 (別名隔離) と変換です。

汚染物質の固定化は、バリア材への吸着または溶解状態からの沈殿によって起こる可能性があります。有機化合物は、周囲の水からの疎水性排除により吸着される傾向があります。一方、金属は静電気引力または表面錯体形成反応によって吸着される傾向があります。吸着と沈殿は潜在的に可逆的であるため、修復を継続するには、反応媒体と集まった生成物の除去が必要になる場合があります。^[3]

変換とは、汚染物質を、より害の少ない、または無毒な形態に変換することです。変換の主な利点の 1 つは、反応媒体の除去が必ずしも必要ではないことです (反応媒体の有効性が低下したり、目詰まりが発生したりした場合を除きます)。変換は、不可逆な酸化還元反応の形をとることが最も一般的です。媒体は還元のために直接電子を供給したり、微生物を刺激して電子伝達を促進したりします。^[3]

さらに、使用できる材料はいくつかあります。主なものは次のとおりです。

ゼロ価鉄は地下水浄化用のPRBに使用された最初の材料であり、現在でもこれらのバリアの構築に使用される主な材料です。^[3]従来のスケールの鉄に加えて、ナノスケールの鉄も使用できます。

地下水浄化を促進する微生物の成長を促すために、地中に物質を投入することもあります。多くの環境汚染物質は高度に還元されているため、これらの汚染物質を無害な化合物に酸化することは熱力学的に可能です。塩素系溶剤などの他の汚染物質は高度に酸化されているため、簡単に還元されます。微生物は一般にこのような酸化還元反応を促進し、汚染物質の分解を利用してエネルギーと細胞合成のための材料を得ています。^[3]

酸化分解には、微生物が標的汚染物質から除去した電子を「呼吸」するために使用する電子受容体が必要です。この電子の移動により、微生物の生命機能を駆動するためのエネルギーが放出されます。好気条件下では、分子状酸素がこの目的に使用されます。酸素が存在しない場合は、さまざまな他の分子が電子受容体として機能します。酸素は嫌気性電子受容体よりも優先的に使用されます。酸素を使用するとより多くのエネルギーが得られ、追加の利点として汚染物質の酸化速度が速くなるためです。残念ながら、利用可能な酸素は高度に汚染された領域での汚染物質に対して十分ではないことが多く、その結果、嫌気性電子受容体を使用する必要があります。酸素放出化合物を含む反応性バリアは、モノ芳香族炭化水素の好気性分解を促進するために効果的に使用されています。^[3]

粘土、ゼオライト、その他の天然素材は、陽イオン交換能力が高い。これは、鉱物構造内で低価陽イオン（Al ³⁺など）を高価陽イオン（Si ^{4+など）に置換して正味の負電荷を生成することによって行われる。 [4]}吸着 界面活性剤を加えると、陰イオンや非極性有機化合物に対する親和性が変化する。^[3]表面に蓄積した界面活性剤は、非極性有機化合物の吸着を促進する疎水性有機コーティングを形成する。界面活性剤改質ゼオライト（SMZ）は、非極性有機汚染物質の処理に有望である。しかし、粘土は浸透性が低いため、フロースルーPRBには使用できませんが、^[3]スラリー壁、埋立地ライナー、封じ込めバリアに使用することが提案されています。 ^{[5]ただし、ゼオライトには}水力伝導性を維持するための空洞があり、PRBでの使用が可能です。

ピートモスは比表面積が大きく（>200 m ² /g）、多孔性が高い。^[6]金属はイオン交換反応によってピートに取り込まれ、pHが低い場合は金属が陽子を置換し、 pHが高い場合は既存の金属を陰イオン官能基から置換する。^[7] CrOなどの陰イオン²⁻⁴
_...およびMnO²⁻⁴
_...表面官能基にプロトンが付加されて正に帯電した表面が形成されるため、pH < 3でより効果的に除去されますが、 UOなどの陽イオンは、²⁺
_{2 ...}、ニ^2歳以上
、銅^2歳以上
、はpH値が高いほど効果的に除去されます。^[8]ピートモスは重金属や一部の陰イオンを除去するのに効果的なイオン交換材料であるようです。陽イオンの除去効率は低pHで100％に近づきますが、pHと初期の金属イオン濃度への強い依存性を考慮する必要があります。

地下水の流れをモデル化することは、PRB の設計を最適化するために重要です。最も重要なのは、流れをモデル化することで、水力捕捉ゾーンの幅 (HCZW) と滞留時間を決定できることです。HCZW は、反応セルまたはゲート (ファンネルとゲートの構成の場合) を通過する地下水ゾーンの幅です。滞留時間は、汚染された地下水が除染処理ゾーンで過ごす時間です。捕捉ゾーン外の汚染や滞留時間が十分でない汚染は、適切に除染されません。地下水モデル化は、次の目的にも使用できます。

添付の図は、地下水浄化に鉄粒子を適用する 2 つのアプローチを示しています。図 A は、mm サイズの粒状鉄で作られた従来の PRB で、図 B は、ナノサイズの鉄を連続的に注入して、天然帯水層物質の粒子に吸収された粒子の重なり合うゾーンを形成することで形成される「反応処理ゾーン」です。図 A では、地下水がバリアを通過して浄化されます。図 B では、鉄のナノ粒子が黒い点で表されています。ナノ粒子は多孔質媒体内でほとんど動きません。反応は、地下水に溶解した汚染物質またはDNAPLとして鉄の表面と接触した場合にのみ発生することに注意してください。 ^[10]

漏斗とゲートのシステムは、汚染物質の煙を反応性物質を含むゲートに導くために使用されます。漏斗は非透過性であり、最も単純な設計は、両側から壁が伸びている単一のゲートで構成されています。漏斗とゲートのシステムの主な利点は、煙の処理に使用できる反応領域が小さいため、コストが低くなることです。さらに、反応性媒体を交換する必要がある場合は、ゲートが小さいため、交換がはるかに簡単です。^[11]

PRB は通常、汚染された地下水の流れの経路に長い溝を掘って設置されます。その後、溝に反応性物質 (通常は鉄、炭素、または石灰岩) が充填されます。砂を反応性物質と混ぜると、水が物質を通り抜けやすくなります。場合によっては、地下水をバリアの反応性部分に導く壁が設置されます。溝に反応性物質が充填された後、通常は土壌で PRB を覆い、表面からの視界を遮断します。^[12]

初期のPRBの設置には、シートパイルと掘削が使用されていました。この方法では、トラックホウを使用して掘削する前に、シートパイルを使用して掘削エリアを囲みます。この方法は時間がかかる可能性があり（したがって高価）、深さ35フィート未満のプルームにのみ実行可能です。^[13]

連続溝掘りでは、大型の切削チェーン掘削機システムを使用し、その後、溝箱とホッパーを使用して反応性媒体で溝を連続的に埋め戻します。連続溝掘りは高速で安価ですが、深さ50フィート未満の溝にしか使用できません。また、この技術に使用される機械は、大きな玉石のある土壌には効果的に使用できません。^[13]

メンドレル技術では、長い中空の梁を地中深く垂直に打ち込みます。梁は打ち込まれる際にカバーされ、梁が置かれるとカバーが取り外されます。次に、中空部分に鉄粉が詰められます。メンドレルは取り外される際に振動し、鉄が底に流れてPRBが形成されます。次に、メンドレルを1幅分移動させ、このプロセスを繰り返して、連続したPRBが作られます。^[13]

この方法は、制御された高圧の適用によって作られた地表下の亀裂に、細粒の鉄を注入して使用します。水流がゾーンを洗い流し、その後、そのゾーンはグアーガムと鉄で満たされます。グアーガムは鉄を分解する前に所定の位置に保持し、鉄の透過性ゾーン（PRB）を残します。^[13]

深層土壌混合は、鉄分を天然土壌に加え、それを大型のオーガーで混合する。このプロセスにより、一列に並べるとPRBを形成する一連の柱状の処理ゾーンが形成される。この方法では、深さ100フィートまでのプルームを処理できるが、処理ゾーンの鉄分含有量は比較的低い。^[13]

PRB の成功を評価するための重要な要素は、汚染物質を十分に除去できるかどうかです。これは、PRB のすぐ下流の水のレベルを監視することで行うことができます。レベルが最大汚染物質レベルを下回っている場合、PRB は機能を果たしています。

PRBの分析では、反応井における反応性と浸透性の損失に重点が置かれてきましたが、報告されている少数のPRBの故障の水理特性には欠陥があります。酸化還元電位、流入[pH]、流入濃度[アルカリ度]、[硝酸塩NO⁻
₃]、および[塩化物Cl ⁻ ]は、PRBの性能低下の可能性を最も強く予測する因子です。浸透性の低下よりも、媒体の反応性が、現場でのPRBの寿命を制限する要因である可能性が高いです。この技術は比較的新しいため、サイトの寿命を予測することはまだ困難です。制御要因の仮定に応じて、寿命の推定値は1桁異なる可能性があります（例：10〜100年）。^[14]

地下水浄化における PRB の現場規模での適用は、シートパイルで隔離された領域を掘削し、穴を粒状鉄と砂の混合物で埋め戻し、シートパイルを取り除いて、その場に浸透性のある鉄含有処理ゾーンを残すことによって形成された処理ゾーンで構成されていました。汚染物質である塩素化エチレン(PCE および TCE) は除去され、大部分で完全に脱塩素化された地下水が残りました (塩化ビニルはほとんど観察されませんでした)。

PRB の最初の現場規模の導入は、カリフォルニア州サニーベールの、以前稼働していた半導体工場の敷地内で行われた。当時、利用可能な最良の浄化技術は揚水浄化技術であった。PRB は、受動的に地下水を浄化できるため、当面の問題に対するより費用対効果の高い解決策を提示した。現場の汚染水を使用した実験室テストの後、粒状金属が反応媒体として選択された。設置後、汚染物質は目標レベルまで減少した。その結果、揚水浄化機械を撤去することができ、地上部分を商業目的で自由に使用できた。揚水浄化ではなく PRB を使用することで節約できた費用は、約 3 年で設置費用を回収することができた。^[13]

1996 年、ノースカロライナ州エリザベスシティ近郊の沿岸警備隊施設に、長さ 46 メートル、深さ 7.3 メートル、厚さ 0.6 メートルの PRB が設置されました。この PRB の目的は、トリクロロエチレン(TCE) と六価クロム(Cr (VI))の汚染物質のプルームを浄化することでした。PRB の設置には、反応媒体 (粒状鉄) を設置すると同時に既存の堆積物を除去する連続トレンチング技術を使用して、わずか 6 時間しかかかりませんでした。PRB は、漏斗とゲートのセットアップではなく連続壁として構成されました。これは、3D コンピューター シミュレーションでは、2 つが同じ効果を持つことが示唆されたためですが、コスト分析では、連続セットアップの方が設置コストが安いことが示されました。設置の総コストは約 100 万ドルでしたが、米国沿岸警備隊は、ポンプ アンド トリートメント システムと比較して、20 年間で 400 万ドルの節約になると予測しています。^[15]

カリフォルニア州モフェットフィールドは、1995年に米海軍が開始したパイロット規模のPRBの本拠地でした。モフェットフィールドPRBは漏斗とゲートの設計を採用しており、漏斗は連結した鋼矢板で構成され、ゲートは粒状のゼロ価鉄で構成されていました。主な汚染物質はトリクロロエチレン（TCE）、シス-1,2-ジクロロエチレン（cDCE）、およびペルクロロエチレン（PCE）でした。四半期ごとのモニタリング、トレーサーテスト、および鉄セルコアリングのデータを使用して、サイトの有効性が判断されました。1996年6月の最初のサンプリングイベント以来、すべての塩素化合物の濃度は、検出されないレベルまたは最大汚染レベル以下にまで減少しました。^[16]

フライキャニオンサイトは、1996年にPRBのウラン除去能力を評価するためのフィールド実証サイトとして選ばれました。ウラン除去効率と水文学的特性を決定するために、3つの潜在的なPRB材料（リン酸、ゼロ価鉄、および三価鉄）について実験室実験が行われました。各クラスからPRB材料が実証用に選択されました。選択された材料は、十分な透水伝導性、高いウラン除去効率、および高い圧縮強度を持っていました。漏斗とゲートの設計が使用されました。漏斗は地下水をPRBゲートに導きました。最初の1年間で、ゼロ価鉄はウラン濃度を99.9％以上低下させ、リン酸と三価鉄の両方で除去された量は、行われたほとんどの測定で70％を超えました。ウランを除去するメカニズムは他の無機汚染物質を除去するメカニズムと似ているため、この研究は幅広い適用性があります。^[17]

1994年、アナリストらは、米国における地下水浄化の総費用は5000億ドルから1兆ドルに上ると推定した。^[18] 2000年頃まで、地下水浄化の大部分は「従来の技術」（ポンプ・アンド・トリートメント・システムなど）を使用して行われていたが、適用される浄化基準を満たすにはコストがかかることが判明していた。^[19]

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