汚染された地下水源の原位置浄化のための反応性ナノ粒子の使用に関する気孔スケールの調査

Pore-scale investigation of the use of reactive nanoparticles for in situ remediation of contaminated groundwater source.

• Tannaz Pak
• Luiz Fernando de Lima Luz
• Tiziana Tosco
• Gabriel Schubert Ruiz Costa
• Paola Rodrigues Rangel Rosa
• Nathaly Lopes Archilha

抄録

ナノスケールのゼロ価鉄（nZVI）粒子は、様々な有機・無機汚染物質で汚染された地下水資源の原位置浄化に優れた能力を発揮します。塩素系溶剤が最も多く処理される化合物である。カラムスケール、パイロットスケール、フィールドスケールでの研究では、汚染区域にnZVI懸濁液を注入することで汚染物質濃度が低下することが報告されている。しかし、現場での適用は、特に残留非水性液体（NAPL）の存在下で、発生源で、あるいは発生源に近い場所で処理する場合には、最適化されているとは言い難い。マイクロスケールでそれらの汚染物質をホストしている堆積物の細孔内で発生するプロセスを取り巻く知識のギャップは、より大きなスケールで最適化されたナノ修復プロセスを設計する私たちの能力を制限します。この貢献は、ナノレメディエーションプロセスの細孔スケールの画像を提供します。私たちの結果は、トラップされた汚染物質の分布が、汚染物質の分解とガス状の生成物の生成の結果としてどのように進化するかを明らかにします。我々は、マイクロメートルスケールでのこの分解反応の詳細を理解するために、最先端の4次元（4D）イメージング（時間分解3次元[3D]）実験を使用しています。本研究では、（還元反応から）放出されたガスが毛細管力に打ち勝ってトラップされた汚染物質を再固定化することを明らかにしました。本研究では、NAPLの二次汚染源をnZVIで効果的に処理できることを明らかにした。生成されたガスは、水の相対透水率を1%未満に低下させるため、短期的にはプルームの移動を大幅に制限することができます。

Nanoscale zero-valent iron (nZVI) particles have excellent capacity for in situ remediation of groundwater resources contaminated by a range of organic and inorganic contaminants. Chlorinated solvents are by far the most treated compounds. Studies at column, pilot, and field scales have reported successful decrease in contaminant concentration upon injection of nZVI suspensions in the contaminated zones. However, the field application is far from optimized, particularly for treatments at-or close to-the source, in the presence of residual nonaqueous liquid (NAPL). The knowledge gaps surrounding the processes that occur within the pores of the sediments hosting those contaminants at microscale limit our ability to design nanoremediation processes that are optimized at larger scales. This contribution provides a pore-scale picture of the nanoremediation process. Our results reveal how the distribution of the trapped contaminant evolves as a result of contaminant degradation and generation of gaseous products. We have used state-of-the-art four-dimensional (4D) imaging (time-resolved three-dimensional [3D]) experiments to understand the details of this degradation reaction at the micrometer scale. This contribution shows that the gas released (from the reduction reaction) remobilizes the trapped contaminant by overcoming the capillary forces. Our results show that the secondary sources of NAPL contaminations can be effectively treated by nZVI, not only by in situ degradation, but also through pore-scale remobilization (induced by the evolved gas phase). The produced gas reduces the water relative permeability to less than 1% and, therefore, significantly limits the extent of plume migration in the short term.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.