Numerická simulace sanace pomocí Fe nanočástic

Transkript

1 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Numericá simuace sanace pomocí Fe nanočástic Petr TOMEK

2 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Obsah prezentace projet Fe nanočástice mode sanačního zásahu - mode proudění - mode transportu rozpuštěných áte - mode transportu nanočástic vstupní parametry modeu numericá simuace verifiace a aibrace modeu

3 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Cí projetu V rámci projetu Matematicé modeování migrace a interace nanočástic se snažíme: o zvýšení efetivity in-situ sanace Fe nanočásticemi na onrétní oaitě vytváříme obecný simuační 3D nástroj pro optimaizaci sanačního zásahu využíváme heuristicou metodu nezaručuje naezení gobáního minima, tj. optimáního řešení z množiny možných scénářů vybereme ten, jehož výsedy spní násedující dvě podmíny: - po sončení sanace budou zbytové oncentrace ontaminantů nižší než imity předepsané přísušným vodoprávním úřadem - eonomicé náady sanace budou minimání výsedy jednotivých scénářů zísáme numericou simuací sanačního zásahu

4 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Fe nanočástice Fe nanočástice jsou perspetivní sanační technoogií: + nanočástice nesedimentují + mají měrný povrch v řádu desíte m 2 /g + jsou vysoce reativní ve vodném prostředí:? snižují redox a zvyšují ph prostředí?/- nesou adný povrchový náboj - podéhají eetrostaticy podmíněné sorpci - agregují do shuů veiostí až desíte µm Shuy nanočástic, nasnímáno systémem obrazové anaýzy LUCIA G, rozišení: 0,1 µm/px, zvětšení: 500x.

5 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode sanačního zásahu v současné době uvažujeme sanační zásah v usazených horninách bez přítomnosti výrazného puinového systému 1) využíváme ontinuání přístup - horninové prostředí homogenizujeme průměrováním přes REV uvažujeme pouze pně saturovanou zónu porézního média simuace sanačního zásahu se sádá z díčích úoh: - proudění podzemní vody - transport rozpuštěných áte - transport nanočástic 1) předpoádá se násedné využití tzv. ombinovaného modeu proudění, terý je vyvíjen na TUL, viz. Maryša, Severýn, Tauchman, Tondr: Modeing of the groundwater fow in the fractured roc a new approach. Aogoritmy 2005.

6 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode proudění podzemní vody - proudění apainy v saturované zóně horninového prostředí je popsáno Darcyho záonem a rovnicí ontinuity: u p = K ( + z), ρg. u = q, de K je tenzor hydrauicé vodivosti, q je hustota zdrojůči propadů.

7 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu rozpuštěných áte - transport rozpuštěných áte je popsán soustavou advečně-disperzně-reačních parciáních diferenciáních rovnic s agebraicými vazbami zastupujícími rovnovážné reace: R c + +. t ε 1 * ( uc ). ( D c ) = ( c q + c q + R ), { 1,..., N} { 1 M} C ( c,..., c ) 0, i,..., i 1 = N

8 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu rozpuštěných áte - transport rozpuštěných áte je popsán soustavou advečně-disperzně-reačních parciáních diferenciáních rovnic s agebraicými vazbami zastupujícími rovnovážné reace: R c + +. t ε 1 * ( uc ). ( D c ) = ( c q + c q + R ), { 1,..., N} retardační fator { 1 M} C ( c,..., c ) 0, i,..., i 1 = N

9 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu rozpuštěných áte - transport rozpuštěných áte je popsán soustavou advečně-disperzně-reačních parciáních diferenciáních rovnic s agebraicými vazbami zastupujícími rovnovážné reace: R c + +. t ε 1 * ( uc ). ( D c ) = ( c q + c q + R ), { 1,..., N} retardační fator intenzita čerpání { 1 M} C ( c,..., c ) 0, i,..., i 1 = N

10 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu rozpuštěných áte - transport rozpuštěných áte je popsán soustavou advečně-disperzně-reačních parciáních diferenciáních rovnic s agebraicými vazbami zastupujícími rovnovážné reace: R c + +. t ε 1 * ( uc ). ( D c ) = ( c q + c q + R ), { 1,..., N} retardační fator intenzita čerpání intenzita vtáčení { 1 M} C ( c,..., c ) 0, i,..., i 1 = N

11 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu rozpuštěných áte - transport rozpuštěných áte je popsán soustavou advečně-disperzně-reačních parciáních diferenciáních rovnic s agebraicými vazbami zastupujícími rovnovážné reace: c + R +. t ε ineticé reace 1 * ( uc ). ( D c ) = ( c q + c q + R ), { 1,..., N} retardační fator intenzita čerpání intenzita vtáčení { 1 M} C ( c,..., c ) 0, i,..., i 1 = N

12 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu nanočástic ( ) ( ) } { t b N R t s q c q c c c t c 1,...,, 1.. * + + = + + ρ ε D u, s c t s d b s b ε ρ = ε ρ - záadní mechanizmy transportu nanočástic jsou stejné ja v případě transportu rozpuštěných áte - vivem eetrostaticé interace mezi nanočásticemi a horninovým prostředím dochází nerovnovážné sorpci, terá může vést oání změně porozity - agregaci nanočástic popisujeme ineticou reací 2. řádu

13 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Mode transportu nanočástic ( ) ( ) } { t b N R t s q c q c c c t c 1,...,, 1.. * + + = + + ρ ε D u, s c t s d b s b ε ρ = ε ρ - záadní mechanizmy transportu nanočástic jsou stejné ja v případě transportu rozpuštěných áte - vivem eetrostaticé interace mezi nanočásticemi a horninovým prostředím dochází nerovnovážné sorpci, terá může vést oání změně porozity - agregaci nanočástic popisujeme ineticou reací 2. řádu nerovnovážná sorpce

14 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Počáteční a orajové podmíny - pro výpočet sanace zavádíme obvyé orajové podmíny (Dirichetovy, Neumannovy a Newtonovy), navíc pro úohu transportu předepisujeme počáteční podmínu pro distribuci oncentrací jednotivých áte. Vstupní data modeu sanace - za předpoadu adevátního popisu procesů probíhajících při sanaci, přesnost numericých výpočtů záeží na přesnosti vstupních dat a parametrů modeu.

15 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Vstupní data modeu Loaita sanačního zásahu: - geoogicá sadba oaity (mapové podady ČGS, geoogicý průzum) - hydrogeoogie - oncentrace chemicých áte v podzemí (terénní průzum) Vastnosti horninového prostředí: - propustnost hornin, disperzivita (vtáčecí a stopovací zoušy na oaitě) - porozita,... (aboratorní experimenty) Příad geoogicé Kuřívody. stavby oaity

16 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Vstupní parametry modeu Vastnosti nanočástic: - distribuce veiosti nanočástic a jejíčasová závisost, tj. ineticé onstanty agregace (eetronová mirosopie, obrazová anaýza) - měrný povrch nanočástic (BET anayzátory) - chemicé sožení nanočástic a jejich povrchové vrstvy

17 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Vstupní parametry modeu Chemicé reace: - rychostní onstanty jednotivých reací (vsádové experimenty) - parametry sorpce pro jednotivé áty (oonové experimenty) Data zísané při aboratorních a terénních experimentech se násedně využijí pro aibraci modeu.

18 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Strutura numericého modeu mode proudění podzemí vody je disretizován smíšenou hybridní variantou metody onečných prvů mode transportu je v prostoru disretizován metodou onečných objemů a v časové obasti metodou děení operátoru

19 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Verifiace - testovací úoha síť 200 x 30 x 2 eementy uvažujeme ineticou reaci: C H C Fe + 2H C2H 4 + 2Fe + C

20 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Testovací výpočet

21 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Testovací výpočet C 2 H 2 C 2 Fe C 2 H 4

22 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Testovací výpočet C 2 H 2 C 2 Fe C 2 H 4

23 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Verifiace modeu V současné době probíhají daší testovací výpočty, teré ověřují fyziání správnost modeu sanace a pomáhají odstranit případné chyby v popisu procesů sanace nebo chybně napsaný ód numericého modeu. Daší postup práce - doončení testování - aibrace modeu pomocí programu UCODE - výpočet reáné úohy sanace na oaitě Kuřívody výběr nejvhodnějšího scénáře sanačního zásahu

24 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Závěr/Shrnutí - je sestaven matematicý mode sanace Fe nanočásticemi - mode je impementován do podoby obecného simuačního nástroje - probíhá verifiace modeu - bude násedovat výpočet reáné úohy Poděování Prezentované výsedy vzniají díy finanční podpoře GA AV ČR v rámci programu Informační spoečnost, grant 1ET Matematicé modeování migrace a interace nanočástic.

25 Technicá univerzita v Liberci Fauta mechatroniy a mezioborových inženýrsých studií Děuji Vám za pozornost.