Trasporto di permanganato per elettrocinesi in terreni saturi a bassa permeabilità : indagine sperimentale e modello numerico

The high number of contaminated sites and the need for their remediation demonstrate the importance of optimizing the most used remediation technologies and developing innovative technics; their aim is to get over the limitations of existing technologies, simultaneously enhancing their environmental and economic sustainability. In this context, we find the electrokinetic remediation (EKR), a solution based on the application of an electric field to the soil, to take advantage of the mechanisms that arise in it: the transport of dissolved species through electromigration, electroosmosis and electrophoresis, and their degradation by electrochemical oxidation. It is demonstrated that EKR Is an efficient solution for the remediation of low permeability soils, both as a standalone technology, and coupled with other existing ones, such as in situ chemical oxidation (ISCO). This thesis aims at studying the mechanisms that control the electrokinetic delivery of permanganate in low permeability saturated soils by means of experimental analysis and numerical modeling. In the first part of the work, the electrokinetic transport of permanganate in two different soils was investigated at lab scale and data was collected for implementation and validation of a numerical model. With equal conditions, the measured electroosmotic flux was higher in the soil with lower hydraulic conductivity (2-5 times higher, with values in the range of 10-7 e 10-9 m/s). Furthermore, electromigration showed to be the dominant transport mechanism, causing the permanganate to move in the direction of the anode. Lastly, the stability and degradation reaction of permanganate at different pH was studied; degradation resulted faster at non-neutral pH, a factor to be considered in the electrokinetic treatment design. In the second phase of the thesis, a numerical model was implemented in COMSOL Multiphysics, for the description of transport of permanganate in low permeability saturated soils and its mechanisms. Various simulations were run to evaluate the behaviour of the system in different operating conditions, with particular attention to the influence of changes in applied electric field and soil hydraulic conductivity. The permanganate transport showed to be quicker if a higher electric field was applied, and the values of electroosmotic flow agreed with experimental results. In conclusion, the electrokinetic delivery demonstrated to be an efficient solution to enhance permanganate transport during ISCO remediation of low permeability saturated soils. The aspects influencing transport during the treatment were analyzed, together with the issues that arose during the study and the possibility to take advantage of numerical modeling to investigate the system response to changes in operating conditions. The integration between lab scale analysis and numerical modeling turns out to be an efficient and beneficial approach for the design and optimization of an in-situ remediation treatment.

L’elevato numero di siti contaminati, censiti in tutto il mondo, e la necessità della loro bonifica testimoniano l’importanza rivestita dall’ottimizzazione delle tecnologie di risanamento più utilizzate e dallo sviluppo di tecnologie innovative. Queste ultime rispondono alla necessità di superare le limitazioni delle tecnologie esistenti, migliorandone allo stesso tempo la sostenibilità economica ed ambientale. All’interno di questo contesto emerge l’elettrocinesi (EK), una tecnologia di risanamento che si basa sull’imposizione di un campo elettrico su una porzione di suolo e che sfrutta i fenomeni che si originano al suo interno: il trasporto di specie disciolte tramite elettromigrazione, elettrosmosi ed elettroforesi, e la loro degradazione tramite ossidazione elettrochimica. L’elettrocinesi si è rivelata efficace come soluzione nel trattamento di suoli a bassa permeabilità e nell’impiego integrato con altre tecniche di risanamento, tra cui l’ossidazione chimica. Il lavoro di tesi qui presentato ha lo scopo di approfondire i meccanismi che regolano il trasporto mediante elettrocinesi del permanganato in suoli saturi a bassa permeabilità, tramite una fase di indagine sperimentale e lo sviluppo di un modello numerico. Nella prima fase del lavoro è stato indagato a scala di laboratorio il trasporto del permanganato per elettrocinesi applicato a due terreni a diversa granulometria, con l’obiettivo di raccogliere dati per l’implementazione e la validazione di un modello numerico. A parità di condizioni operative il flusso elettrosmotico si è dimostrato mediamente maggiore nel terreno avente permeabilità più bassa (da 2 a 5 volte maggiore, con valori compresi tra 10-7 e 10-9 m/s). Inoltre, l’elettromigrazione è risultato il meccanismo di trasporto dominante, causando un flusso di permanganato in direzione dell’anodo. Infine, si è valutata la stabilità e il consumo del permanganato in funzione di diverse condizioni di pH, da cui si è osservata una maggiore degradazione per pH estremi, fattore da considerare nella progettazione e gestione di un trattamento di bonifica tramite elettrocinesi. Nella seconda fase è stato implementato un modello numerico per la descrizione del trasporto di permanganato in suoli saturi a bassa permeabilità, tramite il software COMSOL Multiphysics, con l’obiettivo di studiare più dettagliatamente i singoli fenomeni che lo governano. Sono state svolte diverse simulazioni per valutare il comportamento del sistema anche in condizioni operative diverse da quelle delle prove sperimentali, porgendo particolare attenzione agli effetti dovuti a variazioni di campo elettrico applicato e permeabilità del terreno trattato. Si è osservato quindi che la velocità di trasporto del permanganato aumenta all’aumentare dell’intensità del campo elettrico applicato, ed i risultati relativi al flusso elettrosmotico si sono rivelati in accordo con l’analisi sperimentale. In conclusione, l’utilizzo di un sistema elettrocinetico si è dimostrato una soluzione efficacie per facilitare il trasporto del permanganato durante un trattamento di ossidazione chimica in situ in un terreno saturo a bassa permeabilità; sono stati valutati gli aspetti che incidono sul trasporto durante un trattamento, le criticità emerse e la possibilità di utilizzare la modellazione numerica per analizzare la risposta del sistema in diverse condizioni operative. L’integrazione di analisi sperimentale e modellazione numerica si presenta come un approccio utile ed efficiente per la progettazione e l’ottimizzazione di un trattamento di bonifica in situ.