| 4 | | Um das Phasenverhalten der tensidstabilisierten Emulsion unter realistischeren Bedingungen zu untersuchen, als dies mit Batchversuchen möglich ist, wurden Versuche mit einer eindimensionalen Strömung im porösen Medium durchgeführt. Hierzu wurden Glassäulen mit Sand gepackt und ein künstlicher Sanierungsfall erzeugt. Durch eine Tensidspülung sollte die Verunreinigung wieder beseitigt werden. |
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| 6 | | Durch die Versuche sollte zum einen gezeigt werden, wie effizient die Tensidspülung ist, zum anderen sollte das Fließverhalten, einschließlich der Gefahr einer vertikalen Mobilisierung, untersucht werden. Es wurden fünf Säulenexperimente durchgeführt, wobei bis zu vier Säulen gleichzeitig betrieben werden konnten. Die einzelnen Versuchsreihen variierten im verwendeten Sand, der Tensidkonzentration, sowie der Fließrate. |
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| 9 | | \section{(Mess-)technik und Versuchsaufbau} |
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| 12 | | Der Versuchsaufbau bestand aus vier mit Sand gepackten Glassäulen, vier Druckaufnehmern (Simatic Sitrans PDS, Siemens, Karlsruhe), vier Membranpumpen (Stepdos FEM 03, KNF Neuberger, Freiburg), Vorratsflaschen für Wasser bzw. Spüllösung (2L, Braunglas), Waagen für die Vorratsflaschen, Gassäcken (Keflar) mit Argon für den Druckausgleich in den Flaschen, einem Vorratsgefäß für das CS$_2$ (Edelstahl), Zu- und Ausleitungen (PFA oder Edelstahl), verschiedenen Ventilen und einem Fraktionensammler (Autosampler). |
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| 14 | | %Hier muss eine Skizze vom Säulenstand und den Verbindungen zu den Pumpen und Gefäßen rein |
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| 15 | | %Beschreibung der Pumpen (Stepdos FEM 03, KNF Neubergegr, Freiburg), Druckaufnehmer (Simatic ??, Siemens), Ventile (Dreiwegeventile PTFE, Bohlender GmbH, Waltersberg)(Ballventile??, Edelstahl, Swagelog Typ SS41GXS2, Swagelog, Solon, OH, USA), Schläuche (1/16", 4mm, PFA), Edelstahlleitungen (1/8" AISI316 high-grade steel capilaries, Innendurchmesser 2mm, Cs-Chromatographie, Langerwehe) |
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| 18 | | \subsection{Säulen} |
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| 19 | | \label{S"aulen} |
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| 21 | | Die verwendeten Glassäulen hatten einen Innendurchmesser von 4cm und waren 50cm lang. Die Verwendung von Glas als Säulenmaterial ermöglicht die optische Überwachung der Strömung. Effekte wie z.B. Fingering und Mobilisierung können gut beobachtet und der Sanierungsverlauf photografisch dokumentiert werden. |
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| 22 | | Das weitere Säulenzubehör ist in Abbildung \ref{pic:S"aule} |
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| 23 | | vollständig zu sehen und in Tabelle \ref{tab:S"aulenzubehör} aufgeführt. |
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| 25 | | \begin{table} |
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| 26 | | \caption{S"aulenzubehör} |
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| 27 | | \begin{tabular}{|c|l|l|c|} |
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| 28 | | \hline |
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| 29 | | \textbf{ID}&\textbf{Bezeichnung}&\textbf{Material}&\textbf{Anzahl}\\ \hline |
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| 30 | | a&Säule&Glas&1\\ \hline |
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| 31 | | b&Deckplatte mit Anschluss&Edelstahl&2\\ \hline |
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| 32 | | c&Ringscheibe&Edelstahl&2\\ \hline |
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| 33 | | d&Dichtring&Kunststoff&2\\ \hline |
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| 34 | | e&Abdeckung&PFFE&2\\ \hline |
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| 35 | | f&O-Ring innen&Viton&2\\ \hline |
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| 36 | | g&O-Ring außen&Viton&2\\ \hline |
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| 37 | | h&O-Ring Dichtring&Viton&2\\ \hline |
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| 38 | | i&Schrauben mit Sechskantkopf&Stahl&6\\ \hline |
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| 39 | | j&Gewindestangen mit Sechskantkopf&Stahl&3\\ \hline |
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| 40 | | k&Unterlegscheibe&Stahl, verzinkt&9\\ \hline |
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| 41 | | l&Federring&Stahl, verzinkt&9\\ \hline |
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| 42 | | m&Netz&Stahl&2\\ \hline |
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| 43 | | n&Lochplatte&Stahl&2\\ \hline |
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| 44 | | o&Feder&Stahl&1\\ \hline |
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| 45 | | p&Abstandshalter innen&PTFE&1\\ \hline |
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| 46 | | q&Abstandshalter außen&PTFE&1\\ \hline |
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| 47 | | r&Mutter&Edelstahl&9\\ \hline |
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| 48 | | s&Füße&Stahl, verzinkt&3\\ \hline |
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| 49 | | \end{tabular} |
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| 50 | | |
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| 51 | | \label{tab:S"aulenzubehör} |
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| 52 | | \end{table} |
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| 54 | | \begin{figure} |
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| 55 | | \includegraphics[width=0.8\textwidth]{Material} |
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| 56 | | \caption{S"aulenzubehör} |
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| 57 | | \label{pic:S"aule} |
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| 58 | | \end{figure} |
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| 60 | | %Einzelteile beschreiben und ihre Funktion |
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| 62 | | Zunächst wurde der untere Teil an die Säule angebaut. Eine Ringscheibe (c) und ein mit O-Ring (h) ausgestatteter Dichtring (d) wurden über die Säule geschoben. Der innere O-Ring (f), der für die Dichtigkeit zwischen Abdeckung (e) und Säulenrand sorgt, wurde so in die Vertiefung der Abdeckung eingelegt, dass er auch beim Umdrehen nicht mehr heraussprang. Die Abdeckung wurde dann auf die umgedrehte Säule aufgelegt und der O-Ring (g), der für die Dichtigkeit zwischen Abdeckung und Deckplatte (b) sorgt, in die vorgesehene Vertiefung gelegt. Die Deckplatte (b) wurde aufgesetzt und alle Komponenten mit drei Schrauben (i) und Muttern fest miteinander verbunden. Auf die überstehenden Schraubenenden wurden die Füße (s) geschraubt und die Säule auf diese gestellt. Auf dem Säulenboden wurde nun zuerst eine Lochplatte und dann ein Netz, bzw. für Feinsand eine direkt mit einem feinen Netz umwickelte Lochplatte platziert. Die Säulen wurden mit einem temporären Schutz am oberen Glasrand ausgestattet und mit Sand gepackt, siehe Abschnitt \ref{subsubsec:packen}. |
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| 64 | | Die Höhe der Sandfüllung wurde mit einem Abstandshalter überprüft und falls nötig durch vorsichtiges Entfernen oder Zugeben von Sand mittels eines Löffels ausgeglichen. Auf den Sand wurde wiederum ein Netz und eine Lochscheibe gelegt. Die Lochscheibe war mittels Draht mit der Feder (o) verbunden. Um die Feder herum bzw. in deren Mitte wurden die Abstandshalter (p und q) platziert. Ringscheibe (c), Dichtring (d), Abdeckung (e) und O-Ringe wurden wie im Bodenteil verbaut und verschraubt. Boden und Kopf der Säule wurden mit den Gewindestangen (j) verbunden. Alle Muttern (r) wurden mit $9$ kN/m angezogen. |
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| 66 | | \subsubsection{Poröses Medium} |
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| 68 | | Es wurden zwei Sande der Firma Dorfner als poröse Medien verwendet. Diese wurden vor dem Einbau noch weiter aufbereitet. Um Feinanteile, die durch den Transport entstehen können, sowie gröbere Anteile und sonstige Verunreinigungen zu entfernen, wurde der Sand gesiebt, gewaschen und getrocknet. |
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| 69 | | Der Mittelsand (Dorfner Dorsilit No.8) wurde mit Sieben der Maschenweite 0,04cm sowie 1,25cm gesiebt. Für den Feinsand (Dorfner GEBA) wurden Siebe der Maschenweite 0,063cm und 0,315cm verwendet. |
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| 70 | | Die jeweilige Mittelfraktion wurde im Sieb gewaschen um die Feinbestandteile zu entfernen und anschließend im |
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| 71 | | Trockenofen bei 105°C mindestens 24 Stunden getrocknet. |
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| 73 | | \subsubsection{Packen der Säulen} |
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| 74 | | \label{subsubsec:packen} |
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| 76 | | Für das Packen der Säulen wurde eine Fallrohrvorrichtung benutzt, welche ein gleichmäßiges Verrieseln des Sandes |
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| 77 | | gewährleisten sollte. Die Vorrichtung besteht aus drei Teilen: Einem Füllrohr, das durch einen Metallspatel nach unten |
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| 78 | | verschlossen werden kann, dem eigentlichen Fallrohr und einem Stutzen, mit dem es auf die Säulen aufgesetzt wurde. |
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| 79 | | Am oberen Ende des Fallrohres wurde eine Metallscheibe mit Löchern eingelegt. Die Lochung variierte abhängig |
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| 80 | | vom verwendeten Sand. Für den Mittelsand wurde ein Lochdurchmesser von 3mm und für den Feinsand ein Durchmesser von 2mm verwendet. Im Fallrohr waren zwei zueinander verdrehte Netze aus Draht gespannt. Sie sollten der Dichteentmischung während des freien Falls entgegen wirken. |
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| 81 | | Das Fallrohr wurde am unteren Ende über einen Klemmring mit dem Stutzen verschraubt. Durch Abstandshalter, die zwischen Stutzen und Klemmring angebracht waren, wurde das Entweichen der Luft aus der Säule während des Befülles ermöglicht. |
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| 82 | | Die Säule wurde über den Stutzen mit dem Fallrohr verbunden und auf eine Vibrierplatte gestellt. Durch einen aufgeschraubten druckluftgetriebenen Vibrator %(Kugelvibrator? Marke?) |
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| 83 | | wurde die Platte, die darauf stehende Säule und das angeschlossene Fallrohr in Schwingung versetzt. |
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| 84 | | %hier müssen ein paar Detailbilder rein damit ich das anständig beschreiben kann |
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| 86 | | Die Dichte der Sandpackung (Rohdichte $\rho$) wurde durch Wiegen der kompletten Säulen vor und nach dem Packen und dem berechneten Volumen des Sandes ermittelt. |
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| 87 | | Die Porosität n ergibt sich als: $n=1-\frac{\rho}{\rho_0}$, wobei $\rho_0$ die Reindichte von Quarzsand ist. |
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| 88 | | Zur Berechnung des Porenvolumens der Säule wurden die in Tabelle \ref{Konstanten} aufgeführten Konstanten angenommen. |
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| 90 | | \begin{table} |
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| 91 | | \centering |
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| 92 | | \begin{tabular}{|c|c|c|} |
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| 93 | | \hline |
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| 94 | | \textbf{Bezeichnung}&\textbf{Wert}&\textbf{Einheit}\\ \hline |
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| 95 | | d$_{S"aule}$&$4$&cm\\ \hline |
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| 96 | | l$_{S"aule}$&$50$&cm\\ \hline |
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| 97 | | Abdeckung&0,5&cm\\ \hline |
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| 98 | | Abstandshalter&1,2&cm\\ \hline |
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| 99 | | Lochplatte und Netz&0,3&cm\\ \hline |
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| 100 | | Leerraum (Feder)&0,5&cm\\ \hline |
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| 101 | | \end{tabular} |
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| 102 | | \caption{Konstanten der Säule} |
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| 103 | | \label{Konstanten} |
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| 104 | | \end{table} |
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| 107 | | Die fertig gepackten Säulen wurden einer Dichtigkeitskontrolle unterzogen. Dazu wurde der obere Auslass verschlossen und die Säule von unten mit einer Stickstoffleitung verbunden. Es wurde ein Druck von 200mbar angelegt und zwei Minuten gewartet, um diesen Druck in der Säule zu gewährleisten. Dann wurde ein Lecksuchspray auf alle kritischen Stellen aufgebracht und beobachtet, ob sich Blasen bildeten, die das Entweichen von Luft aus der Säule anzeigen. |
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| 109 | | \subsection{Aufsättigen der Säulen} |
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| 110 | | \label{aufs"attigen} |
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| 112 | | \subsubsection{Sättigung mit Kohlendioxid} |
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| 114 | | Die mit Sand gepackten verschlossenen Säulen wurden zunächst mit Kohlendiioxid (CO$_2$) gespült. Hierzu wurde |
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| 115 | | eine Druckflasche von unten an die Säule angeschlossen und die obere Verschlusskappe nur locker verschraubt, so dass die Luft nach oben entweichen konnte. An der Flasche wurde ein Vordruck von 0,3bar eingestellt und die Säule mindestens 10min durchströmt. Dies dient dazu die Luft aus der Säule zu entfernen und durch das besser wasserlösliche CO$_2$ zu ersetzten. So wird störenden Luftblasen in der Säule vorgebeugt. |
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| 116 | | |
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| 117 | | \subsubsection{Wassersättigung} |
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| 119 | | Die Säulen wurden in den Versuchsstand eingebaut und aufwärts mit drei bis vier Porenvolumen demineralisiertem, entgastem |
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| 120 | | Wasser gespült, um die Poren mit Wasser zu füllen. |
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| 121 | | Das Wasser wurde aus vier 2L-Flaschen gepumpt. Entgast wurde das Wasser durch Erzeugen eines Unterdruckes (60-80mbar) mittels einer Membranpumpe. Siedeperlen aus Glas in den Flaschen sollten die Blasenbildung fördern. Der Entgasungsvorgang dauerte mindestens eine Stunde lang, am Ende sollten bei leichtem Schütteln der Flaschen keine Bläschen mehr sichtbar sein. Nach dem Entgasen wurde der Luftraum über der Flüssigkeit mit Argon gefüllt, die Flaschen an die Pumpenzuleitungen angeschlossen und mit einem argongefüllten Tedlarsack verbunden. Argon löst sich selbst kaum in Wasser und verhindert zudem das Eindringen von Luft, da es sich aufgrund seiner hohen spezifischen Dichte über das Wasser legt. |
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| 123 | | \subsubsection{Aufättigen mit CS$_2$} |
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| 126 | | Zunächst musste das Vorratsgefäß mit Schadstoff befüllt werden. |
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| 127 | | Dazu wurde eine auf einem Brett fest montierte gasdichte Glasspritze (10ml, Hamilton/ VWR) über ein Dreiwegeventil (PTFE) |
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| 128 | | mit der Transportflasche, welche mit neuem angefärbtem DNAPL gefüllt war, und dem Vorratsgefäß verbunden. Die Verbindungsschläuche %aus Material? |
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| 129 | | wurden gespült, durch Ansaugen von Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß und Ausdrücken in die |
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| 130 | | Transportflasche. Sobald die Leitungen blasenfrei waren, wurde das Ventil so geschaltet, dass ein direkter Durchfluss von der Transportflasche zum Vorratsgefäß gegeben war. Über einem |
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| 131 | | Stickstoffanschluss wurde Druck auf die Transportflasche gegeben und die Flüssigkeit in das Vorratsgefäß überführt. Über den |
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| 132 | | oberen Auslass des Vorratsgefäßes konnte das enthaltene Wasser in eine Auffangflasche abfließen, wobei noch Wasser zum |
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| 133 | | Überschichten des DNAPLs verbleiben musste. Durch das Überschichten wird der direkte Kontakt zur Atmosphäre vermieden |
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| 134 | | und so das Ausgasen vermindert und die Explosionsgefahr reduziert. |
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| 136 | | \begin{figure} |
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| 137 | | \includegraphics[width=\textwidth]{Vorratsflasche} |
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| 138 | | \caption{Bef"ullen der Vorratsflasche} |
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| 139 | | \label{pic:Vorratsflasche} |
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| 140 | | \end{figure} |
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| 141 | | |
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| 142 | | Zum Aufsättigen der Säulen wurde wiederum Wasser von oben in das Vorratsgefäß gepumpt und der DNAPL nach unten |
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| 143 | | herausgedrückt. Über einen Verteiler (Type $SS-43ZFS2$, Edelstahl, Swagelog) wurde der Weg zu einer Säule freigeschaltet und die Säule von unten nach oben |
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| 144 | | befüllt. Dabei wurde mindestens ein Porenvolumen CS$_2$ in die Säule gepumpt, mit einer Fließrate von 3ml/min. |
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| 145 | | Anschließend wurde mit drei bis vier Porenvolumina Wasser nachgespült. Dabei wurde sowohl abwärts, als auch aufwärts |
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| 146 | | gespült. Dadurch sollte überschüssiger DNAPL aus der Säule entfernt werden. |
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| 147 | | Die Residualsättigung in der Säule wurde durch eine Massenbilanzierung bestimmt. Die Auffangflaschen wurden gewogen, die |
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| 148 | | Schwerphase entfernt und wieder gewogen. Das Volumen in der Säule nach dem Aufsättigen wurde wie folgt ermittelt: |
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| 149 | | \mbox{$m_{leicht}=V_{leicht}=V_{schwer}$}. |
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| 153 | | \subsection{Massenbilanzierung} |
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| 155 | | Sämtliche zu- und abgeführten Chemikalien wurden massenmäßig bilanziert. Hierzu standen sechs Laborwaagen zur Verfügung. Die mit Wasser bzw. Tensidlösung oder Isopropanol befüllten Vorratsflaschen wurden auf eigens dafür vorgesehenen Waagen (Firma, Parameter) platziert. Der Ausfluss aus den Flaschen wurde kontinuierlich mittels Messprotokoll auf dem Laborrechner erfasst und die Masse und Zeit festgehalten. |
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| 156 | | Für Einwaagen stand eine Analysenwaage (Santorius, max. 120g, Ablesbarkeit 0,1mg) und eine weitere Präzisionswaage zur Verfügung (Santorius, max. 3kg, Ablesbarkeit 10mg). Hier wurden auch alle Proben gewogen. |
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| 157 | | Die Säulen konnten aufgrund ihres zu hohen Gewichtes nicht im Labor gewogen werden. Hier wurde auf eine Industriewaage (Messbereich 12kg, Ablesbarkeit 1g) zurückgegriffen. |
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| 158 | | %Bezeichnung und Kenngrößen der Laborwaagen |
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| 160 | | \subsection{Probenahmegefäße} |
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| 162 | | Zur Probenahme wurden Glasflaschen in unterschiedlichen Größen, von 100ml bis 1L, verwendet. Die Flaschen wurden mit Schaubkappen (T-Serie, Omnifit) mit PTFE-Dichtung und zwei integrierten konischen Durchführungen verschlossen. %Bild Deckel |
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| 163 | | Durch die Durchführungen konnten die Flaschen mittels Schläuchen an den Auslauf der Säulen angeschlossen werden. Um die Verdampfungsverluste gering zu halten, aber einen Druckaufbau zu verhindern, wurde auf die zweite Durchführung eine gekürzte Nadel mit einem Durchmesser von 6mm gesteckt. Die gefüllten Flaschen wurden bis zur weiteren Untersuchung des Eluats mit PTFE-Stopfen verschlossen. |
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| 164 | | Kleine Fraktionen bis 60ml wurden in Vials mit passenden, den Omnifit-Deckeln nachempfundenen Schraubkappen aufgefangen. Die kleinen Flaschen gestalteten den Aufbau bei Benutzung des Fraktionensammlers mit insgesamt 32 Schläuchen übersichtlicher und verringerten, aufgrund des kleinen Luftraums, die Verluste durch Ausdampfen. |
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| 168 | | \subsection{Steuerung des Flusses} |
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| 171 | | \begin{figure} |
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| 172 | | \subfigure[Dreiwegeventile zur Steuerung des Zulaufs] |
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| 173 | | {\label{pic:dreiwege} |
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| 174 | | \includegraphics[width=0.49\textwidth]{dreiwege}} |
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| 175 | | \subfigure[Umschaltventile und Verteiler] |
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| 176 | | {\label{pic:umschalt} |
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| 177 | | \includegraphics[width=0.49\textwidth]{umschalt}} |
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| 178 | | \caption{Ventile zur Steuerung des Flusses in den Säulen} |
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| 179 | | \label{pic:Ventile} |
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| 180 | | \end{figure} |
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| 181 | | |
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| 182 | | Vor den Pumpen und vor den Säulen waren Drei-Wege-Ventile %Material, Hersteller |
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| 183 | | verbaut. Über die Ventile vor den Pumpen konnte zum einen Blasenfreiheit nach Ansaugen des Fluids vor den Pumpen hergestellt werden. Zum anderen erwiesen sie sich auch als hilfreich bei der Wartung der Pumpen. Die vor den Säulen verbauten Ventile hatten die Aufgabe, den Fluss zwischen Zulauf zu den Säulen und freiem Ausfluss, zum Spülen der Zuleitungen, zu lenken, bzw. dienten dem Umschalten zwischen Aufwärts- und Abwärtsströmung in der Säule. Die Anordnung ist in Abbildung \ref{pic:dreiwege} zu sehen. |
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| 185 | | In den Bereichen des Versuchsaufbaus, die mit dem reinen CS$_2$ in Berührung kamen, waren Umschaltventile (Edelstahl, Swagelog) verbaut. Die vordere Ventilreihe schaltete zwischen Verteiler oder direktem Zufluss über die jeweiligen Zuleitungen. Die hintere Ventilreihe sowie die oberhalb der Säulen angeordneten Ventile schalteten zwischen Auf- und Abwärtsdurchströmung der Säulen. Vgl. Abbildung \ref{pic:umschalt} |
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| 187 | | Hinter den Säulen wurden Nadelventile %Material, Hersteller |
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| 188 | | eingebaut, um für einen kontrollierten Druckabfall nach der Säule zu sorgen und so Kavitation und damit Ausgasen in den Schläuchen zu verhindern. |
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| 190 | | Um ein Tauschen der Flaschen ohne Unterbrechung des Flusses zu ermöglichen, wurden an die Leitungen hinter den Nadelventilen weitere Umschaltventile (Edelstahl, Swagelog) verbaut. Dadurch konnten jeweils zwei Flaschen an einen Kanal angeschlossen und manuell zwischen beiden umgeschaltet werden, ohne den Fluss zu unterbrechen. |
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| 191 | | Um mit niedrigerer Fließrate fahren zu können und auch dabei Unterbrechungen zu vermeiden, wurde für weitere Versuche eine automatisierte Umschaltung eingeführt. Mit einem Schrittmotor wurden zu vorprogrammierten Zeiten acht mögliche Ventilstellungen geschaltet. Somit war es möglich, bis zu acht Proben zu sammeln, bevor Flaschen getauscht und das Motorprogramm neu gestartet werden musste. |
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| 195 | | |
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| 196 | | |
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| 197 | | \section{Versuchsdurchführung} |
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| | 4 | \section{Durchführung} |
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