MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI"

Zbyněk Havlíček
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Technická univerzita v Liberci MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI J. Nosek, M. Černík, P. Kvapil

2 Cíle Návrh a verifikace modelu migrace nanofe jednoduše aplikovatelného při sanacích na lokalitách Prostředky Laboratorní studium migrace nanofe Měření velikostní distribuce částice pomocí DLS Kolonové testy migrace nanofe Numerické modelování v Processing Modflow Pro

studium migrace nanofe Měření velikostní distribuce částice pomocí

3 nanofe -migrace Migrace horninou = hlavní inovativní prvek NANO IRON (28) Řada vlivů Velikost částice Brownův pohyb (molekulární difůze) konvekční pohyb částic v proudu vody gravitační pohyb (sedimentace) optimální rozměr pod 1 nm Agregace částic elektrostatické, magnetické síly (koncentrace částic) vlivy prostředí hydrogeologické (rychlost proudění, K f, velikost pórů) geochemické (iontový náboj vody, ph, sorpce, ORP, O 2, )

optimální rozměr pod 1 nm Agregace částic elektrostatické, magnetické síly (koncentrace částic) vlivy

4 nanofe -migrace Model migrace nanofe horninou Komplexní model vs. Zjednodušený zahrnutí všech mechanismů mnoho vstupních dat pro praktické aplikace velmi složité pouze vybrané mechanismy kalibrace na základě lab. testu jednoduchá implementace Retardace - kalibrace kolonovým testem Agregace - kolonový test, měření vývoje velikostní distribuce ( DLS )

složité pouze vybrané mechanismy kalibrace na základě lab.

5 Metodika kolonových testů Dnešní stav vertikální umístění, proudění proti gravitaci, nanofe aplikováno čerpadlem válec 34 cm, průměr 7 cm výstupní voda kontinuální měření ph, ORP, vodivost, měření Fe, DLS měření Fe v koloně (zmražení a rozřezání) systém pro automatický vizuální záznam migrace kolona fotoaparát míchadlo PC měřící cela výstup ICP-OES DLS ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ mechanismus otáčení ph Vodivost ORP nanofe zásobník vody peristaltické čerpadlo (dávkovací) peristaltické čerpadlo (oběhové)

pro automatický vizuální záznam migrace kolona fotoaparát míchadlo PC měřící cela výstup ICP-OES DLS ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

6 Metodika kolonových testů Dnešní stav

7 Kolonový test Piešťany Lokalita Piešťany (SR) dvouvrstvé horninové prostředí svrchní vrstva hlín (mocnost 1 2 m) štěrkopísky (mocnost 1 15 m, K f = 1,5 1-3 m/s, n ef =,22) hladina p.v. 2 2,5 m pod terénem rychlost proudění 1 1 m/den kontaminace CHC

štěrkopísky (mocnost 1 15 m, K f = 1,5 1-3 m/s, n ef =,22)

8 Kolonový test Piešťany Aplikace nanofe DLS měřením identifikovány 3 frakce velikostní distribuce částic: frakce I. 1 nm frakce II. 5 nm frakce III. 1 1 µm použito staré nanofe Toda RNIP-1E 85 % agregováno ve formě frakce III. K f [m/s] Pórovitost 1 pórový objem [ml] Průtok [ml/min] Darcyho rychlost [m/den] Doba dávkování nanofe [min] Koncentrace nanofe na vstupu [g/l] Celková dávka nanofe [g] 1,6 1-3, ,1 119,3 52,3 1,6

1 1 µm použito staré nanofe Toda RNIP-1E 85 % agregováno ve formě frakce III.

9 Kolonový test Piešťany Migrace nanofe V = 9,1

10 Kolonový test Piešťany Migrace nanofe V = 16,8

11 Kolonový test Piešťany Migrace nanofe V = 44

12 Kolonový test Piešťany Migrace nanofe V = 69

13 Kolonový test Piešťany Rozložení kolony 1-16 g g g g g 6-13 g g 8-131,5 g g 1-142,5 g ,5 g g g g

14 Kolonový test Piešťany Fe celk. v koloně Fe 1[mg/g] 8 koncentrace Fe v koloně proložení 6 4 Fe celk. ve výstupní vodě Fe 1[mg/L] 6 nm Fe Lineární (Fe) 1 nm 3 nm Délka [cm] Pórový 6 objem 44 nm 55 nm 34/43 nm 19 nm 9 nm 6 nm 11 nm Bilance Fe Vzorek Vstupní suspenze nanofe (5,3 L - koncentrace Fe 29 mg/l) Celkové množství změřeného Fe v koloně Fe ve vodě proteklé kolonou Fe [g] 1,6 9,6 1

[cm] 4 2 1 2 3 4 5 Pórový 6 objem 44 nm 55 nm 34/43 nm 19 nm 9 nm 6 nm 11 nm Bilance Fe Vzorek Vstupní

15 Model migrace nanofe Model migrace nanofe jednoduše aplikovatelný při sanacích na lokalitách Processing Modflow Pro (Modflow, RT3D) Model popisuje migrační schopnosti v konkrétním prostředí a přechod mezi frakcemi Stejný postup jako modelování transportu rozpuštěné látky retardace nanofe lineární sorpcí R = 1+ agregace kinetikou 1. řádu (s ohledem na stáří nanofe nemodelována) ρ b K n ef D

a přechod mezi frakcemi Stejný postup jako modelování transportu rozpuštěné látky retardace

16 Model migrace nanofe kolonou 1D model migrace s postupnou agregací Frakce I. 1 nm Frakce II. 5 nm k 12 k 23 Advekčně disperzně reakční rovnice R R R F1 F2 F3 2 [ F1] [F1] [ F1] t 2 [ F2] [F2] [ F2] t 2 [ F3] [F3] [ F3] t = D = D = D x x x v v v x x x q + n s ef q + n q + n s ef s ef [ F1] k [ F1] x= [ F2] k [ F2] + k [ F1] x= [ F3] + k [ F2] x= Frakce III. 1 1 µm Modelově stanovit D, R F1, R F2, R F3, k 12, k 23 F Celk. = [Fi] i D podélná disperze; R retardace; k rychlostní koef. kinetiky 1.řádu; [Fi] koncentrace i-té frakce q s jednotkový tok n ef efektivní pórovitost

2 2 v v v x x x q + n s ef q + n q + n s ef s ef [ F1] k [ F1] x= [ F2] k [ F2] + k [ F1] x= [ F3] + k [ F2] x= 12 23 23 12 Frakce III.

17 Model kolony Piešťany 1D model, obdélníková síť, pouze numerická disperze Kalibrace num. disperze Modelový grid C/C 1, zdrojový element 3 cm, ,6,4,2 Experiment - stop.zk.3 Model - 12 elementů Model - 7 elementů Model - 5 elementů modelová sít okrajová podmínka konstatní hladiny [ cm ] 5 1, Čas [s] Počet elementů S(Cond Stop.Zk.3, Cond Model ),33,28,144,131,137,171

3 Model - 12 elementů Model - 7 elementů Model - 5 elementů 5 1 15 2 25 3 modelová sít okrajová

18 Model kolony Piešťany Výsledky modelu migrace nanofe kolonou Parametry pro chemické reakce typ sorpce lineární distribuční koeficient K D - frakce I cm 3 /g (R = 1) - frakce II 12 cm 3 /g (R = 86) - frakce III 35 cm 3 /g (R = 25) Fe [mg/l] 4 2 Empiricky určený podíl frakce I Empiricky určený podíl frakce II Empiricky určený podíl frakce III Model frakce I Model frakce II Model frakce III Pórový 6 objem 1 Fe [mg/l] 8 6 Změřené Fe Suma modelových frakcí 3 Fe [mg/l] 25 2 Změřené Fe Suma modelových frakcí Pórový 6 ob jem Pórový 25 objem a) b)

určený podíl frakce II Empiricky určený podíl frakce III Model frakce I Model frakce II Model frakce III 1 2 3 4 5 Pórový 6 objem 1 Fe [mg/l] 8 6

19 Model pilotní aplikace Piešťany Modelové parametry migrace nanofe získané při kolonovém testu Model sanačního zásahu Číslo časového kroku Délka [s] 1 8 (3 hod) 75 6 (21 hod) 25 2 (7 hod) (3 měsíce) - aplikační vrt,56 L/s - aplikační vrt,56 L/s Charakteristika - nanofe 1 g/l (celkem 6 kg) - neovlivněné proudění - nanofe 1 g/l (celkem 14 kg) - neovlivněné proudění

(7 hod) 7 776 (3 měsíce) - aplikační vrt,56 L/s - aplikační vrt,56 L/s Charakteristika -

20 Model pilotní aplikace Piešťany Jednotky a časové kroky Okrajové podmínky počet simulačních period 4 (rovnovážný stav) I. okrajová podmínka - Dirichletova okraj modelu Počet vrstev a elementů Další parametry počet vrstev 1 efektivní pórovitost,22 počet řádek počet sloupců 8 9 koeficient filtrace 1, rozměr modelového elementu 1 1 m infiltrace 142 mm/rok Typ hladiny a vrstvy počáteční piezometrické výšky 156,8 156,9 m hladina volná Parametry disperzního modelu strop kolektoru 159,3 159,5 m podélná disperzivita 5 m báze kolektoru 15 m horizontální; vertikální disperzivita,5;,5 N MRN Detail A MRN MRN-3 MRN-5B MRN-4 MRN-6B Legenda: zasakovací vrt okrajová podmínka konstatní hladiny modelový grid monitorovací (zasakovací) vrt

modelového elementu 1 1 m infiltrace 142 mm/rok Typ hladiny a vrstvy počáteční piezometrické výšky 156,8 156,9 m hladina volná Parametry disperzního modelu strop kolektoru 159,3 159,5 m podélná

21 Model pilotní aplikace Piešťany 2 Fe [mg/l] Fe 1 [mg/l] Vrt A3 Vrt A3 - model (suma frakce I a II) 8 15 Vrt MRN-1 Vrt MRN-1 - model (suma frakce I a II) Čas [den] 8 Fe 15 [mg/l] Vrt MRN-2 Vrt MRN-2 - model (suma frakce I a II) Čas [den] 8 15 Fe [mg/l] Vrt MRN-5B Vrt MRN-5B - model (suma frakce I a II) Čas [den] Čas [den] 8

22 Závěr Postup k vytvoření modelu migrace nanofe na základě kolonových testů s reálnou horninou Verifikace metodiky modelem sanační aplikace nanofe na lokalitě Piešťany bez nutnosti dodatečné kalibrace modelových parametrů

23 Děkuji za pozornost.

Podobné dokumenty

PODPORA ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC ELEKTRICKÝM PROUDEM LABORATORNÍ TESTY

PODPORA ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC ELEKTRICKÝM PROUDEM LABORATORNÍ TESTY TA01021304 J. Nosek, L. Cádrová, M. Černík J. Hrabal, M. Sodomková Sanace pomocí nzvi Ekologicky šetrná sanační metoda Hlavní inovativní