Μοντελοποίηση πειραμάτων έκπλυσης DNAPL με αιθανόλη με τη χρήση του μοντέλου προσομοίωσης UTCHEM

Abstract

Η ρύπανση των υπογείων υδάτων από υγρά μη υδατικής φάσης αποτελεί ένα από τα σοβαρότερα και ταυτόχρονα πιο απαιτητικά περιβαλλοντικά προβλήματα. Τα προϊόντα πετρελαίου καθώς και οι χλωριωμένοι διαλύτες συγκαταλέγονται μεταξύ των συνηθέστερων παραπροϊόντων βιομηχανικών διεργασιών. Ένα κύριο χαρακτηριστικό των παραπάνω ενώσεων είναι η μικρή διαλυτότητα που παρουσιάζουν στο νερό με αποτέλεσμα συχνά να συναντώνται ως ξεχωριστή φάση με τη μορφή NAPLs (Non Aqueous Phase Liquids). Το γεγονός ότι τα NAPLs χαρακτηρίζονται από μικρές τιμές κινητικότητας, διαλυτότητας και πτητικότητας τα καθιστά συνεχείς πηγές ρύπανσης των υπόγειων υδάτων και άρα ιδιαίτερα επιβλαβή για το περιβάλλον. Η επιτυχής αποκατάσταση των ρυπασμένων περιοχών είναι υψίστης σημασίας για τη διασφάλιση της προστασίας των υπογείων υδάτινων πόρων και της ανθρώπινης υγείας. Μεταξύ των πιο υποσχόμενων τεχνολογιών που έχουν αναδειχθεί είναι η επί τόπου έκπλυση με συνδιαλύτη η οποία ενισχύει τη διαλυτότητα του NAPL και ενδεχομένως υποκινεί την κινητικότητα του ως ξεχωριστή φάση, μειώνοντας τη διεπιφανειακή τάση. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη των διαδικασιών που λαμβάνουν χώρα σε ένα πολυφασικό σύστημα DNAPL-συνδιαλύτη-νερού σε κορεσμένα πορώδη μέσα και στη συνέχεια η σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα αποτελέσματα του πολυφασικού προσομοιωτή ροής UTCHEM (University of Texas CHEMical flood simulator). Στη θέση του συνδιαλύτη χρησιμοποιήθηκε η αιθανόλη ενώ στη θέση του DNAPL χρησιμοποιήθηκε τριχλωροαιθυλένιο (TCE). Τα εργαστηριακά πειράματα διενεργήθηκαν από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Βοσπόρου, τα αποτελέσματα των οποίων χρησιμοποιήθηκαν ως παράμετροι εισόδου και βαθμονόμησης κατά τη διαδικασία της μοντελοποίησης. Προκειμένου να καθοριστούν τα χαρακτηριστικά του συστήματος TCE-αιθανόλης-νερού διενεργήθηκαν τεστ κατά παρτίδες (batch tests). Οι παράμετροι που μετρήθηκαν ήταν: η διαλυτότητα, η αναμειξιμότητα με τη χρήση του διαγράμματος τριαδικής φάσης (Ternary Phase Diagram ή TPD) καθώς και η διεπιφανειακή τάση (IFT) σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης του διαλύτη (παράμετροι εισόδου στο μοντέλο). Τα πειράματα έκπλυσης πραγματοποιήθηκαν σε δεξαμενή διαστάσεων 0,64m μήκους, 0,05m πλάτους και 0,3m ύψους. Διενεργήθηκαν τρία τεστ έκπλυσης, εκ των οποίων το πρώτο περιείχε μόνο νερό, το δεύτερο 20% και το τρίτο 50% αιθανόλη (έγιναν παρουσία υψηλής ταχύτητας ροής). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη αιθανόλης οδήγησε στην ενίσχυση των μηχανισμών της κινητοποίησης και διαλυτοποίησης του TCE με αποτέλεσμα να παρουσιάζονται αυξημένες οι συγκεντρώσεις του TCE στις θύρες εξόδου και ιδιαίτερα στην περίπτωσης της προσθήκης αλκοόλης σε ποσοστό 50% (παράμετροι βαθμονόμησης στο μοντέλο). Στην παρούσα εργασία έγινε η χρήση του μοντέλου UTCHEM προκειμένου να καταστεί εφικτή η μοντελοποίηση των πειραμάτων αυτών. Έγινε εισαγωγή των πειραματικών δεδομένων που αφορούν τα εδαφικά χαρακτηριστικά καθώς και τα χαρακτηριστικά του πολυφασικού συστήματος DNAPL-συνδιαλύτη-νερού. Επίσης, ορίστηκαν αρχικές και οριακές συνθήκες πίεσης και συγκέντρωσης. Αρχικά, έγινε βαθμονόμηση του μοντέλου (σε ό,τι αφορά τα χαρακτηριστικά της ροής) με τη διόρθωση της τιμής της εγγενούς διαπερατότητας που είχε προσδιοριστεί πειραματικά. Η βαθμονόμησης της μεταφοράς μάζας (συγκέντρωση TCE) έγινε σε πρώτο βαθμό με τη διόρθωση της πειραματικής τιμής του συντελεστή εγκάρσιας και διαμήκους διασποράς. Επειδή όμως τα αποτελέσματα απείχαν αρκετά από τα πειραματικά, έγινε προσπάθεια βαθμονόμησης της μάζας με αλλαγή του συντελεστή μεταφοράς μάζας και κατ’ επέκταση την εφαρμογή συνθήκης μη ισορροπίας. Αυτό που είναι εμφανές είναι ότι το μοντέλο UTCHEM αρχικά προσομοιώνει ικανοποιητικά τα πειραματικά αποτελέσματα, όμως οι τελευταίες χρονικά μετρήσεις παρουσιάζονται ιδιαίτερα υπερτιμημένες. Έτσι, γίνεται η πρόταση της χρήσης ενός μειούμενου συντελεστή μεταφοράς μάζας για την ακριβέστερη προσομοίωση των αποτελεσμάτων. Μετά από τις κατάλληλες ενέργειες για τη ρύθμιση και βαθμονόμηση του μοντέλου, εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με τις δυνατότητες προσομοίωσης της διεργασίας έκπλυσης με το συγκεκριμένο μοντέλο προσομοίωσης και την ακρίβειά του.