Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο - Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Περιβαλλοντική Γεωτεχνική - 3 η σειρά ασκήσεων - 8 Νοεμβρίου 2018

Transcript

1 Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο - Σχολή Πολιτικών Μηχανικών Περιβαλλοντική Γεωτεχνική - 3 η σειρά ασκήσεων - 8 Νοεμβρίου 2018 Παράδοση: 22 Νοεμβρίου 2018 (συρραμμένη, όχι μέσα σε πλαστικό) Ακόμα καλύτερη παράδοση: Ερωτήματα 1-3: 15 Νοεμβρίου 2018 (ή θεωρήστε αυτήν την ημερομηνία ως «εσωτερική σας» προθεσμία) - Ερώτημα 4: 22 Νοεμβρίου [Σε αυτό το ερώτημα εξασκείστε να συνοδεύετε περιγραφές και λύσεις προβλημάτων με σχήματα.] Φτιάξτε ένα σκίτσο διαρροής στο υπέδαφος που να αντιστοιχεί στην εκφώνηση του μικρού προβλήματος εξάσκησης Νο 2 από την ιστοσελίδα του μαθήματος: Εκφώνηση: Μικρό πρόβλημα εξάσκησης Νο 2: ποιές είναι οι μέγιστες συγκεντρώσεις ρύπων στον αέρα των εδαφικών πόρων κατόπιν διαρροής μείγματος τριχλωροαιθένιου (TCE) και 1,1,1-τριχλωροαιθάνιου (1,1,1- TCA); Φτιάχνω μια εικόνα που δείχνει ένα σενάριο διαρροής συμβατό με την εκφώνηση και την περιοχή όπου έχω κυρίως δύο φάσεις, NAPL και αέρα (καθώς είμαι μακρυά από τον Υ.Ο.) και έτσι έχει πρακτικό ενδιαφέρον η απάντηση στο μικρό πρόβλημα εξάσκησης Νο 2 2. [Σε αυτό το ερώτημα από παλιά πρόοδο, στο οποίο αναφερθήκαμε και στο μάθημα, εξασκείστε στην κατανόηση των φαινομένων.] Το Σχήμα 1 απεικονίζει το ξεκίνημα ενός πειράματος που μπορείτε να κάνετε στο σπίτι. Στο αριστερό ποτήρι, (α), βάζετε ένα δάχτυλο οινόπνευμα και καλύπτετε το ποτήρι με ένα κομμάτι μεμβράνης (για να κολλήσει καλά στα τοιχώματα του ποτηριού) και ένα κομμάτι αλουμινόχαρτο (για να μην ξεφύγουν ατμοί οινοπνεύματος από τους πόρους της μεμβράνης). Στο δεξί ποτήρι, (β), βάζετε μια σταγόνα οινόπνευμα και το καλύπτετε με τον ίδιο τρόπο. Αφήνετε τα δυο ποτήρια στον πάγκο της κουζίνας και πάτε για ύπνο. Αν την επόμενη μέρα μπορούσατε να μετρήσετε τη συγκέντρωση του οινοπνεύματος στον αέρα των ποτηριών, τι θα περιμένατε να μετρήσετε στο κάθε ποτήρι; Σημείωση: Αν και το οινόπνευμα αποτελείται κυρίως από αιθανόλη (C2H6O), η ερώτηση δεν θέλει να βρείτε νούμερα (χωρίς όμως και να απαγορεύεται).

2 (α) (β) ένα δάχτυλο οινόπνευμα μια σταγόνα οινόπνευμα Σχήμα 1. Πείραμα αλληλεπίδρασης φάσεων στην κουζίνα μας: αρχικές συνθήκες (πριν πάμε για ύπνο). Μια απάντηση από την πρόοδο: αυτό ελέγχεται εύκολα κάνοντας κάποιες παραδοχές για τον όγκο μιας σταγόνας και ενός ποτηριού

3 3. [Σε αυτό το ερώτημα εξασκείστε στην αναζήτηση των παραμέτρων που απαιτούνται στα προβλήματα της ενότητας της αλληλεπίδρασης. Η ερώτηση έχει εκπαιδευτικό χαρακτήρα, δεν αντιστοιχεί σε πραγματική εφαρμογή (άντληση εδαφικού αέρα εφαρμόζουμε όταν ο ρύπος βρίσκεται κυρίως στην ακόρεστη ζώνη).] Συγκρίνατε την αποτελεσματικότητα (= μάζα που απομακρύνεται στον ίδιο όγκο αέρα) της απορρύπανσης με τη μέθοδο άντλησης εδαφικού αέρα (soil vapor extraction) για δύο περιπτώσεις ρύπανσης του υπόγειου νερού: (α) τετραχλωροαιθένιο (tetrachloroethene, ) με μέση συγκέντρωση 100 μg/l και (β) 1,1- διχλωροαιθένιο (1,1-dichloroethene, 1,1-) με μέση συγκέντρωση 100 μg/l. άντληση αέρα και ατμών Ρύπος Α διαλυμένος στο υπόγειο νερό Σχήμα 2. Αυτό το σχήμα το οποίο συνοδεύει την εκφώνηση δεν είναι απαραίτητο για να απαντήσετε στο Ερώτημα 3, αλλά δεν είναι καλύτερα που υπάρχει; Αυτή ακριβώς είναι η ιδέα του Ερωτήματος 1: πάντα να φτιάχνετε ένα σχηματάκι, μας βοηθάει να σκεφτόμαστε καλύτερα. Η πίεση, και άρα η συγκέντρωση, στον αέρα είναι ανάλογη της συγκέντρωσης στο υδατικό διάλυμα και της σταθεράς του νόμου του Henry, την οποία πρέπει να αναζητήσουμε στη βιβλιογραφία. Γενικά, επειδή η αξιοπιστία των πηγών δεν είναι προφανής, καλόν είναι να αναζητάει κανείς τουλάχιστον δύο πηγές. Γενικά αποφεύγουμε πηγές από το διαδίκτυο. Προτιμάμε είτε πηγές από επιστημονικά περιοδικά είτε πηγές για τις οποίες κάποιοι έχουν βάλει δουλειά και κόπο που αξίζει να πληρωθεί (πχ επιστημονικά βιβλία, handbooks) και που απευθύνονται σε μεγάλο αναγνωστικό κοινό, όπως πχ το βιβλίο των LaGrega et al. (1994). Προσοχή! Ακόμα και οι ίδιοι οι LaGrega et al. (1994) στη σελίδα 1038 του παραρτήματος Α προειδοποιούν να μην χρησιμοποιούμε άκριτα τις τιμές που δίνουν, αλλά να ανατρέχουμε στην πρωτογενή πηγή. Καταλαβαίνουμε λοιπόν ότι δεν βρήκαμε μια τιμή και «κάναμε τη δουλειά μας». Όμως, όταν ανατρέχουμε σε ποικιλία πηγών ή σε πηγές που δίνουν πολλές τιμές, αναρωτιόμαστε ποια να κρατήσουμε. Σ αυτήν την περίπτωση, ή κρατάει κανείς τη δυσμενέστερη τιμή (αναλόγως εφαρμογής, αν επρόκειτο για ένα ρύπο θα κρατούσαμε τη μικρότερη, όχι απαραίτητα εδώ που συγκρίνω δύο ρύπους) ή διαλέγει να εμπιστευτεί μία από τις πηγές αν την κρίνει ως σούπερ-αξιόπιστη πηγή, όπως πχ η ακόλουθη αναφορά από τις σημειώσεις του μαθήματος και τον Καββαδά (2013): Mackay, D. and W.Y. Shiu (1981). Critical review of Henry's Law constants for chemicals of environmental interest, J. Phys. Chem. Ref. Data, Vol. 10, No 4, pp

4 ΠΡΟΣΟΧΗ!! Αυτήν την πηγή την βλέπω με τα ίδια μου τα μάτια! Δεν αντιγράφω τιμές που έχουν πάρει από αυτήν την πηγή άλλοι συγγραφείς, πχ η διδάσκουσα ή ο Καββαδάς (2013), γιατί σε αυτήν την περίπτωση η πηγή μου είναι οι σημειώσεις του μαθήματος ή ο Καββαδάς (2013), πολύ μικρότερης αξιοπιστίας από τους Mackay and Shiu (1981) γιατί; Διευκρίνηση: η παραπάνω πρόταση δεν συγκρίνει αξιοπιστία ανθρώπων (Πανταζίδου, Καββαδάς και Mackay and Shiu) αλλά αξιοπιστία κατηγοριών πηγών δεδομένων. ΠΡΟΣΟΧΗ!! Στο επιστημονικό και τεχνικό γράψιμο είναι ΑΠΑΤΗ να αναφέρω μια πηγή από δεύτερο χέρι. Κανείς σπουδαστής της Περιβαλλοντικής Γεωτεχνικής δεν συγχωρείται αν διαπράξει αυτήν την απάτη σε οποιοδήποτε γραπτό της σπουδαστικής ή επαγγελματικής του καριέρας. Αν βέβαια η πηγή ήταν δυσεύρετη, τότε θα μπορούσα να γράψω: «οι Mackay and Shiu (1981), σύμφωνα με τον Καββαδά (2013), παραθέτουν τους εξής συντελεστές Henry». (Οχι τεμπελιές!! Η συγκεκριμένη πηγή δεν είναι δυσεύρετη.) Για να δούμε λοιπόν τι έχουμε από αυτές τις δύο παραπάνω πηγές. Οι LaGrega et al. (1994) χρησιμοποιούν την εξής σχέση B A T για το συντελεστή Henry: H e και δίνουν τιμές για τους συντελεστές Α και Β. Η θερμοκρασία Τ είναι σε βαθμούς Kelvin, και ο συντελεστής Henry προκύπτει σε μονάδες atm.m 3 /mol, που χάριν συγκρίσεως εδώ μετατρέπονται σε kpa.m 3 /mol. Επειδή ο συντελεστής Henry προκύπτει από εξίσωση, οι τιμές των LaGrega et al. (1994) [1] κατατάσσονται στην κατηγορία «υπολογισμένες». Οι Mackay and Shiu (1981) [2], έχοντας κάνει πάρα πολλή δουλειά, δίνουν τρεις κατηγορίες τιμών: υπολογισμένες τιμές, πειραματικώς μετρημένες τιμές και μια συνιστώμενη τιμή, όταν κρίνουν ότι τα δεδομένα επιτρέπουν μια τέτοια σύσταση, όπως φαίνεται στον Πίνακα 1. Πίνακας 1. Σύγκριση τιμών συντελεστή Henry από δύο πηγές σε 20C. Πηγή LaGrega et al. (1994) Mackay and Shiu (1981) Συντελεστής Henry οργανικών ρύπων (kpa.m 3 /mol) Τετραχλωροαιθένιο () (ΜΒ: ) 1,1-Διχλωροαιθένιο (1,1-) (ΜΒ: 96.94) (0.012 atm.m 3 /mol) ( και atm.m 3 /mol) και 2.24 υπολογ.: 1.99 και 2.62 υπολογ.: 1.16 και πείραμα: 2.03 πείραμα: συνιστώμενη: συνιστώμενη: δεν δίνεται Βλέπουμε ότι μεταξύ των πηγών υπάρχει απόκλιση, όμως φαίνεται ότι ο συντελεστής Henry είναι γενικά μεγαλύτερος για το 1,1-. Οπότε καταλήγω ότι θα έχω πιο πολύ 1,1- στον αέρα. Τι εννοώ όμως λέγοντας «πιο πολύ»; Θα έχει ο αέρας περισσότερα γραμμάρια 1,1- για να μπορώ να πω ότι θα έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση; Μήπως όχι επειδή το μόριο του είναι πιο βαρύ; Για να ξαναγυρίσω στις αρχικές παραδοχές μου (σελ. 1): «Η πίεση, και άρα η συγκέντρωση, στον αέρα είναι ανάλογη της συγκέντρωσης στο υδατικό διάλυμα και της σταθεράς του νόμου του Henry...». Ωπ! Διαπιστώνω μια χαλαρότητα. Το απολύτως σωστό είναι: «Η πίεση, και άρα η μοριακή συγκέντρωση, στον αέρα είναι ανάλογη της μοριακής συγκέντρωσης στο υδατικό διάλυμα και της σταθεράς του νόμου του Henry...». Για να σιγουρευτώ, ανατρέχω στο μικρό πρόβλημα εξάσκησης Νο 3 [Παράδειγμα 4.3, στον Καββαδά (2013)]. Από το παράδειγμα βλέπω ότι για ίσες συγκεντρώσεις των ρύπων στο νερό (Cw = Cw), οι συγκεντρώσεις στον αέρα είναι πράγματι ανάλογες των συντελεστών Henry:

5 C C a a P P MB MB H H C w C w / MB H / MB MB MB H Με άλλα λόγια, αυτό το ερώτημα δεν ήθελε υπολογισμούς, αλλά προσεκτική αναζήτηση αξιόπιστων πηγών για τις σταθερές του νόμου του Henry. Επειδή η αξιοπιστία των πηγών δεν είναι προφανής, καλόν είναι να αναζητάει κανείς τουλάχιστον δύο πηγές. Γενικά αποφεύγετε πηγές από το διαδίκτυο. Βεβαίως και τα ξαναείπαμε αυτά στην πρώτη σελίδα, όμως «επανάληψις μήτηρ πάσης μαθήσεως». Για εξάσκηση, θα κάνω τους υπολογισμούς με βάση τις τιμές των LaGrega et al. (1994). H = 1.22 kpa.m 3 /mol Cw = 100μg/l = 100x10-3 g/m 3 Cw(m) = (100x10-3 g/m 3 )/(165.82g/mol)=0.6x10-3 mol/m 3 P = H x Cw(m) = 0.736x10-3 KPa Cα(m) = n/v = P / = 3x10-4 mol/m 3, για T=293 K Cα= 3x10-4 mol/m 3 x g/mol = 0.05 g/m 3 H = 2.16 kpa.m 3 /mol (πήρα μέση τιμή, καθώς οι δύο τιμές δεν διαφέρουν πολύ) Cw = 100x10-3 g/m 3 Cw(m) = (100x10-3 g/m 3 )/(96.94g/mol)=1.03x10-3 mol/m 3 P = H x Cw(m) = 2.22x10-3 KPa Cα(m) = n/v = P / = 9.1x10-4 mol/m 3, για T=293 K Cα= 9.1x10-4 mol/m 3 x96.94 g/mol = g/m 3 Πράγματι, βλέπω ότι για το απομακρύνεται μεγαλύτερη συγκέντρωση (=μεγαλύτερη μάζα στον ίδιο όγκο αέρα). Κι όπως είδαμε παραπάνω, ο λόγος των συγκεντρώσεων (0.088/0.05) είναι ίσος με τον λόγο των σταθερών του νόμου Henry (2.16/1.22). 4. [Οι πράξεις που απαιτούνται για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα είναι παρόμοιες με αυτές του λυμένου παραδείγματος στις σημειώσεις.] Ας υποθέσουμε ότι θέλετε να προσδιορίσετε ανώτατα όρια για περιστατικά διαρροών οργανικών μη υδατικών ρύπων σε κορεσμένο έδαφος, έχοντας αποφασίσει ότι μπορείτε να επιτρέψετε κάποιον μικρό (παραμένοντα) βαθμό κορεσμού, αφού λόγω των τριχοειδών δυνάμεων η μη υδατική φάση είναι ακινητοποιημένη. Με αυτό το σκεπτικό, υπολογίστε τη μέγιστη συγκέντρωση σε έδαφος που περιέχει τετραχλωροαιθένιο (tetrachloroethene ) με μέσο παραμένοντα βαθμό κορεσμού 5%, χρησιμοποιώντας τις εξής παραμέτρους για το έδαφος: πορώδες 0.3 και ειδική πυκνότητα εδαφικών κόκκων Αν κάνετε επιπλέον παραδοχές για να ολοκληρώσετε τους υπολογισμούς σας, να τις αναφέρετε σαφώς. Αν χρειαστείτε τις τιμές επιπλέον παραμέτρων, επιλέξατε κάποιες λογικές τιμές: συνιστάται να αναζητάτε τιμές που έχουν μετρηθεί σε πραγματικά περιστατικά. Σε κάθε περίπτωση, αναφέρατε τις πηγές σας (δηλ. δώστε όποια πληροφορία χρειάζεται για να μπορεί ένας τρίτος να βρει αυτό που βρήκατε εσείς). [Σε ποια εφαρμογή αντιστοιχεί αυτό το πρόβλημα:

6 κατά τον χαρακτηρισμό ενός ρυπασμένου χώρου, παίρνω εδαφικά δείγματα και προσδιορίζω τη συγκέντρωση του τετραχλωροαιθενίου στο έδαφος: στην περιοχή όπου ξεπερνιέται το ανώτατο όριο που έχω προσδιορίσει με τους υπολογισμούς μου, λαμβάνω κάποια δραστικά μέτρα αποκατάστασης, ενώ για μικρότερες τιμές επιλέγω πιο ήπια μέτρα. Ανάλογο σκεπτικό συναντήσαμε στο περιστατικό ρύπανσης με ορυκτέλαια σε χώρο αποθήκευσης της ΔΕΗ.] Σχόλιο: το έδαφος παραμένει κορεσμένο, δηλ. χωρίς αέρα, απλά το έχει διώξει (αντικαταστήσει) το 5% του νερού. Συμβουλή: όταν δουλεύω με συγκεντρώσεις μόνο, επιλέγω εγώ έναν βολικό όγκο αναφοράς, ας πούμε 1 cm 3. Σύμφωνα με το λυμένο παράδειγμα στο Κεφάλαιο 4 (Ενότητα 4.7): V = 1 cm 3 Vv = V n = 0.3 cm 3 Vn Vs = V Vv = 0.7 cm 3 Ms = Gs ρw Vs = 2.65 x 1g/cm 3 x 0.7 cm 3 = g Vw = Vv x Sw = 0.3 cm 3 x 0.95 = 0.285cm 3 Vn = Vv x Sn = 0.3 cm 3 x 0.05 = 0.015cm 3 Vw Vs, Ms Μάζα στην υδατική φάση = συγκέντρωση στο νερό x όγκος νερού - Η συγκέντρωση στο νερό είναι ίση με τη διαλυτότητα (150 mg/l) (1) αφού έχουμε ξεχωριστή μη υδατική φάση. Μ1 = Vw x Cw = cm 3 x 0.15 mg/cm 3 = mg Μάζα (ροφημένη) στη στερεά φάση = συγκέντρωση στη στερεά φάση x ξηρή μάζα στερεάς φάσης - Για να βρω τη συγκέντρωση στη στερεά φάση πρέπει να εκτιμήσω τον συντελεστή διαχωρισμού Kp. Aπό τους LaGrega et al. (1994) βρίσκω για το Koc = 364 ml/g (2). Για το ποσοστό οργανικού άνθρακα (ή οργανικό κλάσμα), ψάχνω μια τιμή που να έχει μετρηθεί σε πραγματικό έδαφος. Ψάχνω στη βιβλιογραφία με λέξεις-κλειδιά organic carbon και sorption και βρίσκω το άρθρο των Allen-King et al. (1997) (4). [Σημ: έτσι αναφερόμαστε σε μια αναφορά εντός κειμένου: Επίθετο Συγγραφέα (έτος), ή Επίθετο Πρώτου Συγγραφέα και άλλοι (έτος) (= et al., συντομογραφία για το «και άλλοι» στα λατινικά), ή Επίθετο Πρώτου Συγγραφέα και συνεργάτες (έτος) (για ελληνική αναφορά), ενώ παραθέτουμε την πλήρη αναφορά στο τέλος, σε ξεχωριστή ενότητα).] Οι Allen-King et al. (1997) μελετούν σε λεπτομέρεια την ρόφηση τριχλωροαιθενίου σε ένα παγετογενές έδαφος (till) πλούσιο σε άργιλο. (Συγκεκριμένα, υπολογίζουν πειραματικά τον συντελεστή διαχωρισμού Kp, μετρούν το οργανικό κλάσμα foc, κι έτσι μπορούν να υπολογίσουν τον συντελεστή διαχωρισμού Koc που αντιστοιχεί στο οργανικό υλικό του χώρου που μελετούν, αντί να τον πάρουν από την βιβλιογραφία, όπως εμείς.) Δίνουν αποτελέσματα για δύο εδαφικά δείγματα, με τιμές foc= 0.68% και 1.95%, δηλ. πρόκειται για ένα έδαφος με σημαντικό ποσοστό οργανικού άνθρακα. Θα κάνω τους υπολογισμούς μου με τον μέσο όρο αυτών των τιμών, δηλ. foc=1.3%. Γι αυτές τις τιμές υπολογίζω Kp = Koc x foc = 364 ml/g x = 4.73 ml/g = 4.73 l/kg. Συγκέντρωση στη στερεά φάση Cs = Kp Cw = 4.73 l/kg x 150 mg/l = 710 mg/kg = 0.71 mg/g Μάζα στη στερεά φάση

7 Μ2 = Μs x Cs = g x 0.71 mg/g = 1.32 mg Τέλος, μάζα τετραχλωροαιθένιου στη μη υδατική φάση Μ3 = Vn x d (3) x ρw= cm 3 x x 1 g/cm 3 = g = 24 mg Άρα, η οριακή συγκέντρωση που ψάχνουμε είναι ίση με: Cχώμα (mg/kg) = Μ /Μs = (Μ1+ Μ2+ Μ3)/ Μs = mg / g = mg/g = mg/kg = 13.7 g/kg Σύμφωνα με τις παραδοχές της άσκησης, σε όποια περιοχή του ρυπασμένου χώρου βρίσκουμε τιμή μικρότερη από αυτήν την οριακή συγκέντρωση στο έδαφος, δεν απαιτείται αποκατάσταση. Παράμετροι - Πηγές (1) Διαλυτότητα: S = 150 mg/l (LaGrega et al., 1994) = Cw (2) Συντελεστής διαχωρισμού υδατικής φάσης οργανικού άνθρακα: Koc = 364 ml/g (LaGrega et al., 1994) (3) Ειδική πυκνότητα: d= (M. Pantazidou and K. Liu, 2008, DNAPL Distribution in the Source Zone: Effect of Soil Structure and Uncertainty Reduction with Increased Sampling Density, Journal of Contaminant Hydrology, 96:1-4: ) (4) Ποσοστό οργανικού άνθρακα: Αllen-King, R.M., L.D. McKay and M.R. Trudell, 1997, Organic Carbon Dominated Trichloroethene Sorption in a clay-rich glacial deposit, Groundwater, No. 35, No 1, pp