Transporte de Contaminantes en Medios Porosos PDF

TRANSPORTE DE CONTAMINANTES Tema 6: Transporte de materia en medios porosos Asignatura: Transporte de Contaminantes. Modelización y Riesgos Asociados...

TRANSPORTE DE CONTAMINANTES Tema 6: Transporte de materia en medios porosos Asignatura: Transporte de Contaminantes. Modelización y Riesgos Asociados Grado en Ingeniería Ambiental Profesor: L. Fernando Bautista L. Fernando Bautista 1  Introducción Ecuación general de conservación de materia [ENTRADA] - [SALIDA] + [GENERACIÓN] = [ACUMULACIÓN] TRANSPORTE DE CONTAMINANTES [ENTRADA], [SALIDA] – Advección – Difusión: molecular, turbulenta – Dispersión: mecánica (longitudinal, transversal), hidrodinámica [GENERACIÓN] propia de medios – Transformaciones: físicas, químicas, biológicas porosos – Fuentes, sumideros – >0, 0, 1) Expresados mediante la ley de Fick: 𝜕𝜕𝐶𝐶𝐴𝐴 𝐽𝐽𝐴𝐴,𝑥𝑥 = −𝐷𝐷𝑥𝑥 ⋅ 𝜕𝜕𝜕𝜕 – Dx es el coeficiente de dispersión hidrodinámica Dmec,x: coeficiente de dispersión mecánica 𝐷𝐷𝑥𝑥 = 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝑥𝑥 + 𝐷𝐷𝑚𝑚,𝑒𝑒 Flujo por advección coincidente con la dirección x: – Dx ≡ DL (coeficiente de dispersión longitudinal) – Dy ≡ DT (coeficiente de dispersión transversal) L. Fernando Bautista 11  Difusión y dispersión en aguas subterráneas (ii) El coeficiente de dispersión mecánica (Dmec) puede considerarse proporcional a la velocidad de flujo por advección (u): TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝑥𝑥 ≡ 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝐿𝐿 = 𝛼𝛼𝐿𝐿 ⋅ 𝑢𝑢 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝑦𝑦 ≡ 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝑇𝑇 = 𝛼𝛼 𝑇𝑇 ⋅ 𝑢𝑢 𝐷𝐷𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚,𝑧𝑧 = 𝛼𝛼𝑧𝑧 ⋅ 𝑢𝑢 – Correlaciones para el cálculo de αL, αT y αz – Aproximación útil: y 𝛼𝛼𝐿𝐿 ≅ 0.1 ⋅ Δ𝑥𝑥 𝛼𝛼 𝑇𝑇 ≅ 0.1 ⋅ 𝛼𝛼𝐿𝐿 t0 𝛼𝛼𝑧𝑧 ≅ 𝛼𝛼 𝑇𝑇 t1 t2 x L. Fernando Bautista 12  Adsorción: isotermas Adsorción lineal – Coeficiente de reparto suelo-agua, KD (constante de adsorción) TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑠𝑠 = 𝐾𝐾𝐷𝐷 ⋅ 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑤𝑤 Isotermas de adsorción (T = constante) Adsorción no lineal: – Modelo de Langmuir concentración de i en el suelo 𝑠𝑠 𝐶𝐶max, 𝑤𝑤 Freundlich 𝑖𝑖 ⋅ 𝑏𝑏𝑖𝑖 ⋅ 𝐶𝐶𝑖𝑖 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑠𝑠 = 1 + 𝑏𝑏𝑖𝑖 ⋅ 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑤𝑤 Langmuir lineal – Modelo de Freundlich 1 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑠𝑠 = 𝐾𝐾𝐹𝐹 ⋅ 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑤𝑤 𝛽𝛽 concentración de i en el agua L. Fernando Bautista 13  Adsorción: Retardo Factor de retardo: velocidad del agua 𝑢𝑢𝑥𝑥 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 𝑅𝑅 = = velocidad del contaminante 𝑢𝑢𝐶𝐶 – Depende de: propiedades del suelo compuesto h compuesto i propiedades del contaminante interacción contaminante-suelo factor de retardo tiempo (cinética de adsorción) compuesto j – Adsorción lineal 𝜌𝜌𝑎𝑎 𝑅𝑅 = 1 + 𝐾𝐾 compuesto k 𝜀𝜀 𝐷𝐷 R=1 tiempo L. Fernando Bautista 14  Transporte de contaminantes en el suelo (fuente continua) Advección L TRANSPORTE DE CONTAMINANTES C0 t1 t2 Ci C0 t1 t2 x 0 L Ci (x = L) C0 t 0 t1 t2 L. Fernando Bautista 15  Transporte de contaminantes en el suelo (fuente continua) (i) Advección + dispersión (i) L TRANSPORTE DE CONTAMINANTES C0 t1 t2 Ci C0 t1 t2 x 0 L Ci (x = L) C0 t 0 t1 t2 L. Fernando Bautista 16  Transporte de contaminantes en el suelo (fuente continua) (ii) Advección + dispersión (1D) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 2 𝐶𝐶 Una dimensión (x) = −∇ 𝑢𝑢 ⋅ 𝐶𝐶 − ∇ −𝐷𝐷 ⋅ ∇𝐶𝐶 + −𝑟𝑟 = −𝑢𝑢𝑥𝑥 + 𝐷𝐷 2 TRANSPORTE DE CONTAMINANTES 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥 Sin reacción química, (-r) = 0 – Solución (ecuación de transporte): 𝐶𝐶0 𝑥𝑥 − 𝑢𝑢𝑥𝑥 𝑡𝑡 𝑢𝑢𝑥𝑥 𝑥𝑥 𝑥𝑥 + 𝑢𝑢𝑥𝑥 𝑡𝑡 𝐶𝐶 𝑥𝑥, 𝑡𝑡 = ⋅ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 + exp ⋅ 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 2 2 𝐷𝐷𝐿𝐿 𝑡𝑡 𝐷𝐷𝐿𝐿 2 𝐷𝐷𝐿𝐿 𝑡𝑡 – Si Dm