Development of a model for coupled colloid and contaminant transport (COLTRAP)

Abstract

Het transportgedrag van verontreinigingen in poreuze media kan worden beinvloed door binding van verontreinigingen aan natuurlijke kolloiden. Afhankelijk van de interactie tussen verontreinigingen, kolloiden en de vaste matrix en van chemische omstandigheden en watersnelheden in het medium kan het transport van verontreinigingen versneld of vertraagd worden door de aanwezigheid van kolloiden. In dit rapport wordt een numeriek model voor gekoppeld transport van kolloiden en verontreinigingen (COLTRAP) gepresenteerd. In het model worden acht verschillende species (verschijningsvormen) onderscheiden. De verontreiniging kan voorkomen in vijf verschillende vormen: 1) vrije verontreinigingen; 2) verontreinigingen gesorbeerd aan de vaste matrix; 3) verontreinigingen gesorbeerd aan mobiele kolloiden; 4) verontreinigingen gesorbeerd aan immobiele kolloiden en 5) verontreinigingen die een brug vormen tussen kolloiden en de vaste matrix. Kolloiden kunnen in drie verschillende vormen voorkomen: 1) kolloiden in de oplossing; 2) kolloiden direct gesorbeerd aan de vaste matrix en 3) kolloiden via verontreinigingen gebonden aan de vaste matrix. In COLTRAP worden de interacties tussen de verschillende species beschreven door niet-lineaire tijdsafhankelijke (kinetische) relaties. Deze interacties worden samen met de massabalansen voor de verschillende species simultaan opgelost. Met behulp van analytische oplossingen is COLTRAP geverifieerd. COLTRAP is toegepast in situaties met en zonder mobiele, stabiele kolloiden. De modelparameters zijn functies van eigenschappen van het poreuze medium. Resultaten van de modelsimulaties komen in het algemeen goed overeen met experimentele resultaten. In een gevoeligheidsanalyse is aangetoond dat een snelle doorbraak van verontreinigingen die sterk aan de vaste fase adsorberen, optreedt in aanwezigheid van mobiele kolloiden, als verontreinigingen zich binden aan kolloiden, en desorptie van verontreinigingen langzaam is vergeleken met de tijd nodig voor transport over een bepaalde afstand.

Binding of contaminants to natural colloids may significantly modify their transport behaviour through porous media. Depending on the interaction between contaminants, colloids and the solid matrix, and on chemical properties and flow rate, contaminant transport can be enhanced or retarded as a result of the presence of colloids. In this report a numerical model for coupled colloid and contaminant transport (COLTRAP) for porous media is presented. In the model eight different species are distinguished. The contaminant is distributed among five different species: 1) free contaminants in the liquid phase; 2) contaminants sorbed on the solid matrix; 3) contaminants sorbed on mobile colloids; 4) contaminants sorbed on immobile colloids; 5) contaminants acting as a bridge between the solid matrix and colloidal particles. Colloids are distributed among three species: 1) colloids in solution; 2) colloids sorbed directly on the solid matrix; 3) colloids sorbed to the solid matrix via contaminants. All interaction between the different species are described by non-linear time dependent (kinetic) relationships. In COLTRAP the mass balances for all species are solved simultaneously with interaction and degradation terms. The model is verified against analytical solutions. COLTRAP has been applied to cases with and without mobile, stable colloids. Model parameters are a function of system properties. Simulation results in general are in agreement with experimental results. Sensitivity analysis shows that breakthrough of contaminants that adsorb strongly to the solid phase can be fast in the presence of mobile colloids, if desorption of contaminants from colloids is slow compared to the time of migration.