多孔質媒体中へのナノスケールゼロバリエント鉄(nZVI)注入時の水素ガス生成、トラップ及び気泡促進輸送の効果

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J. Contam. Hydrol..2020 Jun;234:103677. S0169-7722(20)30266-7. doi: 10.1016/j.jconhyd.2020.103677.Epub 2020-06-30.

多孔質媒体中へのナノスケールゼロバリエント鉄(nZVI)注入時の水素ガス生成、トラップ及び気泡促進輸送の効果

Effects of hydrogen gas production, trapping and bubble-facilitated transport during nanoscale zero-valent iron (nZVI) injection in porous media.

Obai Mohammed
Kevin G Mumford
Brent E Sleep

PMID: 32663719 DOI: 10.1016/j.jconhyd.2020.103677.

抄録

ナノスケールのゼロ価鉄(nZVI)の注入は、塩素系溶媒を含む地下水汚染物質の処理に有効な技術である。しかし、その有効性は、水を還元して水素ガスを生成する自然還元剤要求反応（NRD）によって制限される可能性がある。本研究では、nZVI合成に用いられる水素化ホウ素ナトリウム(NaBH)とともに、nZVI溶液を注入した場合のガス生成及び動員を調べるための一連の実験結果を紹介する。実験は、水素ガス量と局所的なガス飽和度を測定し、注入ゾーン内と注入ゾーンの上方でのガス分布を調べるために、薄い二次元フローセル（22×34×1cm）で行われました。さらに、溶解トリクロロエテン(TCE)を含むより大きなフローセル(150×150×2cm)を用いて、水系流路の変化と動員されたガスによるTCEの鉛直輸送の促進を評価する実験を行った。その結果、nZVI合成時に使用された過剰なNaBHからより多くのガスが生成され、その結果、注入ゾーンの上にガス流路のネットワークとしてガスが動員されることが示された。その結果、nZVI合成時に使用されたNaBHが過剰になるほどガスが多く発生し、注入ゾーンの上部にガス流路が形成されてガスが動員されることがわかった。さらに、ガスの生成と動員により、TCEの気泡輸送が促進され、TCEと反応生成物(エタンとエテン)の検出可能な濃度がターゲット処理ゾーンの上に検出された。

The injection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) can be an effective technique for the treatment of groundwater contaminants, including chlorinated solvents. However, its effectiveness can be limited by natural reductant demand (NRD) reactions, including the reduction of water resulting in the production of hydrogen gas. This study presents results from a series of laboratory experiments to investigate gas production and mobilization following the injection of nZVI solutions, along with sodium borohydride (NaBH) that is used for nZVI synthesis. Experiments were performed in a thin, two-dimensional flow cell (22 × 34 × 1 cm) to measure hydrogen gas volumes and local gas saturations, and to investigate the distribution of gas within and above the injection zone. An additional experiment was conducted in a larger flow cell (150 × 150 × 2 cm) containing dissolved trichloroethene (TCE) to assess changes in aqueous flow pathways and enhanced vertical transport of TCE by mobilized gas. The results showed substantial gas production (60% to 740% of the injected solution volume) resulting in gas mobilization as a network of gas channels above the injection zone, with more gas produced from greater excess NaBH used during nZVI synthesis. Trapped gas saturations were sufficient to cause the diversion of aqueous flow around the nZVI injection zone. In addition, gas production and mobilization resulted in the bubble-facilitated transport of TCE, and detectable concentrations of TCE and reaction products (ethane and ethene) above the target treatment zone.