V2: Processes (1) Partitioning equilibrium. V3: Processes (2) Kinetics, Risk analyses V4: Processes (3) NAPL-Transport

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1 V2: Processes (1) Partitioning equilibrium V3: Processes (2) Kinetics, Risk analyses V4: Processes (3) NAPL-ransport 1

2 Definitionen: 3-Phasensystem Poröses Medium NAPL Wasser 1. LNAPL-Szenario: Processes, Phase-Partitioning, Risk analysis 2. DNAPL-Szenario: Processes, Phase-Partitioning, Risk analysis 2

3 Porous Media V Porosity Definitions: - porous Media - Multi-phase-system - Concentration V s V p V p V Multi-phase-system saturated Zone: Solid, Water, NAPL unsaturated Zone:??? V s V w VN Volumetric Phase content: V w w V V NAPL NAPL V Saturation: S w V V w p S NAPL V V NAPL p Molar Concentration in Water: Component-Index Phase-Index C i w 6mol( i) V w Mass-Concentration in Water: c i w C i w M ÜA: molare Masse von Benzen? i 3

4 Skizze: Verteilungsgleichgewichte + ransportprozesse (s. 24, Heft 1) Beispiel: Benzen (S. 23b, Heft 1) Verteilungsgleichgewichte zwischen Phasen GOK (Boden-) Gasphase C g,equ = H C w,equ GW-Oberfläche C w,equ = C w,max Grundwasserkörper: Wasserphase + Festphase Schadstoff- Pool: CE Adsorption an Sediment: C s,equ = K d C w,max Aquitard: Rupelton Hausübung 2: Aufgabe 2 5 (MCB), 41 (Mischphase 4) in der Aufgabensammlung 4

5 LERN-MODUL 1: Risikoanalyse einer LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: ransport (verschiedene Pfade!) einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Hausübung 1 Phasengleichgewichte: Phasen: Festphase, Gas, Wasser, NAPL Festphase, Wasser, NAPL (3) ransportpfade: (1) (2) Prozesse: - (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer 5

6 LERN-MODUL 2: 1: Risikoanalyse einer DNAPL-Schadstofffahne LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: Idealisierte ransport Migration (verschiedene einer DNAPL-Schadstofffahne Pfade!) einer DNAPL-Schadstofffahne (CE) (CE) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Mobilitätsparameter: Water, NAPL ÜA: Berechne Mobilitätsparameter für Benzen und CE! 6 1 Poise = 1 g/cm/s = 0.1 Pa s LNAPL (BEX) DNAPL

7 Prozess (2) : Strömung Konvektion i) einfach: mittlere Frontgeschindigkeit ii) kompliziert: ransportgleichung 0 X X R Risikoanalyse (einfach): Welche Zeit braucht Schadstoff Benzen Bis zum Rezeptor (rinkwasserbrunnen)? 7

8 Contaminant ransport: Mathematical description (1) Definitions: - convective transport - advective transport - Darcy-law 1. Convective transport (Darcy law): Process: Water flow (Convection) mean transport velocity: u w q w / eff q W ( x, t) QW A k f dh dx kw w dp dx Why minus sign? Why (Filter)- or Darcy-velocity q w? w Water volume flux Qw Vw / t 2. Advectiver transport: Process: Adsorption Particles move slower than water they are retarded Phasengleichgewicht Festphase-Wasserphase: C i ads K i d C Mean particle velocity: i w K i d f oc u u / R i w K i oc w i retardation coefficient: R i b 1 tot i K d Solid density: s M V s s Bulk volume density: b M s V ) b ( 1 s 8

9 able: Remediation relevant processes (1) 9

10 Hausübung 1: Aufgabe 1 bis 5, aber andere Schadstoffe und andere Geometrie! oluen Datenblatt Org. Schadstoffe 10

11 HÜ1 vorrechnen! ask 1: Calculate time and mean velocity? ime? X 1 : contaminant source X 2 : Receptor: Man Drinking water well rivers, lakes, animals, fishes Convection - Advection: Darcy-law Darcy-velocity mean (distance) velocity retardation particle velocity 11

12 Vorrechnen + Diskutieren! Ende der Vorlesung1 12

13 LERN-MODUL 1: Risikoanalyse einer LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: ransport (verschiedene Pfade!) einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Hausübung 2 Phasengleichgewichte: Phasen: Festphase, Gas, Wasser, NAPL Festphase, Wasser, NAPL (3) ransportpfade: (1) (2) Prozesse: - (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer 13

14 Verteilungsgleichgewichte zwischen Phasen (Boden-) Gasphase C g,equ = H C w,equ Partialdruck: p equ = R C g,equ GOK GW-Oberfläche C w,equ = C w,max Grundwasserkörper: Wasserphase + Festphase Schadstoff- Pool: CE Adsorption an Sediment: C s,equ = K d C w,max Aquitard: Rupelton 14

15 Beispielaufgabe:

16 MCB Hausübung 2 14m x 11m x 1m 14m x 11m x 1m 14m x 11m x 1m 16

17 Hausübung 2 41B) Weisen Sie nach, dass in Abbildung: Henry s law - Raoult s law (Folie 48) kein Verteilungsgleichgewicht besteht! Beachten Sie, dass foc maximal gleich 1 sein kann (Koc =38)! 17

18 NAPL-Dissolution processes: Pore scala A) Convections-controlled dissolution B) diffusions-controlled dissolution ask: Which process takes longer? 18

19 Solubility of organic Contaminants Henry s law ~ i i i C K C s d w Abbildung: Henry s law - Raoult s law Raoult s law i i i C X S w Mikro-Scale No NAPL Warum konstante Benzen-Konzentration? Mikro-Scale NAPL solubility is defined for a pure NAPL-Phase! S i C i w, max ask: erm/name the phase equilibria! Welche Benzen-Konzentration misst man in Bodenprobe? 19

20 able V2-1: Effective solubility of a LNAPL-Mixed phase: BEX ask: Raoult s law: A LNAPL-Mixed phase contains that in able V2-1 listed Mol-fractions. Calculate the maximal concentrations for Benzene, oluene, Ethylbenzene and Xylene within the water phase! Calculate also the corresponding partial pressures of the gas phase, if partitioning eqilibrium holds! 20

21 Datenblatt 1 zu Hausübungen 1+2 homepage (deutsch + englisch) 21

22 Datenblatt 2 zu Hausübungen

23 V3: Processes (2) Diffusive and Advective ransport Processes V3: LNAPL-Risk analyses V4: DNAPL-Risk analyses 23

24 LERN-MODUL 1: Risikoanalyse einer LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: ransport (verschiedene Pfade!) einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Hausübung 3: Risikoanalyse LNAPL-Szenario (o-xylen) Phasengleichgewichte (HÜ2): Phasen: Festphase, Gas, Wasser, NAPL Festphase, Wasser, NAPL (3) ransportpfade: (1) (2) Prozesse: - (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer 24

25 ÜA 22: Risiko-Analyse für SAFIRA-Standort Leuna Hausübung 3: Risikoanalyse LNAPL-Szenario (o-xylen) 25

26 (o-xylen) 26

27 LERN-MODUL 1: Risikoanalyse einer LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: ransport (verschiedene Pfade!) einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Hausübung 3: Risikoanalyse LNAPL-Szenario (o-xylen) Phasengleichgewichte (HÜ2): Phasen: Festphase, Gas, Wasser, NAPL Festphase, Wasser, NAPL (3) ransportpfade: (1) (2) Prozesse: - (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer 27

28 ransport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (2) Beachte: Komponentenindex i ist weggelassen! 3.1. diffusiver ransport (1. Ficksches Gesetz): treibende Kraft Konzentrationsgradient: Übergang von Differenz zu Differenzial: d: Q eilchenstrom durch Fläche A: N ( x, t) t A D C x eilchenstromdichte: N C j ( x, t) D, w, g t A x dc j ( x, t) D, w, g dx 3.2. diffusiver ransport (2. Ficksches Gesetz): dc dt d( j dx C = 3 ) dc dt D 2 d C dx 2 C ( x, t) C0 Erfc g( x, t) g( x, t) 2 x D t 28

29 LERN-MODUL 1: Risikoanalyse einer LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: ransport (verschiedene Pfade!) einer LNAPL-Schadstofffahne (Benzen) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Phasengleichgewichte: Phasen: Festphase, Gas, Wasser, NAPL Festphase, Wasser, NAPL (3) ransportpfade: (1) (2) Prozesse: - (1) Diffusion - (2) Strömung - (3) Massentransfer 29

30 ransport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (2) Beachte: Komponentenindex i ist weggelassen! 3.1. diffusiver ransport (1. Ficksches Gesetz): treibende Kraft Konzentrationsgradient: Übergang von Differenz zu Differenzial: d: Q eilchenstrom durch Fläche A: N ( x, t) t A D C x eilchenstromdichte: N C j ( x, t) D, w, g t A x dc j ( x, t) D, w, g dx 3.2. diffusiver ransport (2. Ficksches Gesetz): dc dt d( j dx C = 3 ) dc dt D 2 d C dx 4. advektiver, dispersiver ransport ( diffusiver ransport im strömenden Grundwasser) : 2 dc dt 2 d( j u C ) d C Ddisp 2 dx dx ask 22-3, ask 23-2 u dc dx u uw / R D disp = Dispersionskoeffizeint siehe Skript! 30

31 ransport von Schadstoffen: Mathematische Beschreibung (3) 4. advektiver, dispersiver ransport ( diffusiver ransport im strömenden Grundwasser) : dc dt 2 d( j u C ) d C Ddisp 2 dx dx u dc dx u u w / R, D disp D 0 disp / R, D disp D disp = Dispersionskoeffizeint siehe Skript! u l Lösung für konstante Randbedingung (ÜA 22): C C 0 ( x, t) Erfc t 2 Ddisp u x g ( x, t) Exp Erfcg ( x, ) C ( x 0, t) C 0 g ( x, t) 2 x u D t disp t ask 22-3, ask 23-2 Weiter an afel! 31

32 Prozess (2) : Strömung Konvektion i) einfach: mittlere Frontgeschindigkeit ii) kompliziert: ransportgleichung 0 X X R Risikoanalyse (kompliziert): Welche Zeit braucht Schadstoff Benzen Bis zum Rezeptor (rinkwasserbrunnen)? 32

33 able: Remediation relevant processes (2) 33

34 34

35 LERN-MODUL 2: 1: Risikoanalyse einer DNAPL-Schadstofffahne LNAPL-Schadstofffahne Prozesse: Idealisierte ransport Migration (verschiedene einer DNAPL-Schadstofffahne Pfade!) einer DNAPL-Schadstofffahne (CE) (CE) Ziel: Risikoanalyse + Prozessverständnis Sanierung Mobilitätsparameter: Water, NAPL ÜA: Berechne Mobilitätsparameter für Benzen und CE! 1 Poise = 1 g/cm/s = 0.1 Pa s LNAPL (BEX) DNAPL 35

36 Definitionen: - poröses Medium - Mehrphasensystem - Konzentration - konvektiver ransport - advektiver ransport - Darcy-Gesetz 36

37 37

38 38

39 Geschafft! 39

40 Sanierung von Altlasten: Innovative Grundwasser Sanierungsmethoden 1. V2: Übersicht Einführung Definitionen 40

41 ÜA23: Risikoabschätzung für SAFIRA-Standort Bitterfeld Fragen: 1. Welche Menge Chlorbenzen/CE löst sich maximal im Grundwasser? 2. Nach welcher Zeit erreicht ClBz/CE Vorfluter Mulde mit und ohne Adsorption am Kohleflöz? 3. Welche Menge ClBz/CE gelangt pro ag beim Erreichen der Fuhne-Aue in die Atmosphäre? 4. Nach welcher Zeit erreicht ClBz durch Kohleflöz den tertiären Aquifer? 41