Index: /diplomarbeit/Einfuehrung_Batch.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Einfuehrung_Batch.tex (revision 208) +++ /diplomarbeit/Einfuehrung_Batch.tex (revision 211) @@ -1,8 +1,4 @@ \chapter{Einf"uhrung} -\label{Einfuehrung Batch} - -\section {Batchtests} - -Batchtest stellen den ersten Versuch zur Ermittlung der generellen Eignung eines Verfahrens dar. Die Reagentien, hier Tensid, DNAPL und Wasser, werden in ein Gefäß gegeben und vermischt. Dort reagieren sie unter weitgehendem Ausschluss äußerer Einflüsse miteinander. Die verschiedenen Einflussgrößen lassen sich im Versuch einzeln variieren, bei konstanten anderen Bedingungen. Im Rahmen von Vorversuchen wurde die Effizienz verschiedener Tenside untersucht. Für ausgewählte Tenidlösungen wurde der Einfluss von Fremdionen und der Tensidkonzentration ermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Ergebnisse der vorhergehenden Versuche überprüft und erweitert. Es wurden Versuchsreihen mit Tensidkonzentrationen im Bereich der CMC (Critical Mizell Concentration), sowie über eine große Konzentrationsspanne, mit Tensidgehalten von bis zu $10$ \%, durchgeführt. Im weiteren wurde versucht das Emulsionssystem zu optimieren durch den Zusatz von weiteren Additiven, da Mischungen häufig effektiver sind als ein Einzeltensid. +\label{Einfuehrung} @@ -131,5 +127,4 @@ - \section{DNAPLs} @@ -137,2 +132,98 @@ Tenside können auf zweierlei Arten den Austrag von DNAPLs fördern. Zum einen kann der DNAPL mobilisiert werden. In diesem Fall bewegt sich der DNAPL als zusammenhängende Phase, bedingt durch eine extrem geringe Grenzflächenspannung zwischen DNAPL und Wasser. Diese Methode gilt als sehr effizient, da die Gesamtmenge auf einmal transportiert wird und so nur ein bis zwei Porenvolumina Spüllösung benötigt werden. Die Mobilisierung birgt jedoch auch Gefahren. Aufgrund der einwirkenden Kräfte ist die frei bewegliche Schwerphase hydraulisch kaum zu kontrollieren. Es besteht das Risiko einer vertikalen Mobilisierung, bei der der DNAPL in tiefer liegende Schichten absinkt, wenn die gravimetrischen Kräfte größer als die haltenden Kräfte werden. Ebenso besteht die Möglichkeit einer unerwünschten horizontalen Mobilisierung, bei der sich der DNAPL unabhängig von der Pumpströmung des Grundwassers bewegt. Diese Gefahren sind im Fall einer Solubilisierung des DNAPLs reduziert. Bei der Solubilisierung wird die Löslichkeit des DNAPLs im Wasser durch die Einlagerung kleiner DNAPL-Tröpfchen in Mizellen erhöht. Durch diesen Effekt kann die Löslichkeit um ein Vielfaches der ursprünglichen Löslichkeit gesteigert werden. Idealerweise bildet sich Mikroemulsion, die aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften wie eine reines einphasiges Fluid behandelt werden kann, das heißt ein definiertes Fließverhalten aufweist. Diese Methode beansprucht mehr Zeit, da der DNAPL Schritt für Schritt gelöst wird, also mehrere Spülgänge notwendig sind. Die Effektivität im Vergleich zur Mobilisierung wird als geringer Eingestuft. Sie ist stark abhängig von der Art des DNAPL-Reservoirs, der Bodenart und -Struktur, sowie den Wechselwirkungen zwischen den flüssigen Phasen und mit der festen Phase. + + +\section {Batchtests} + +Batchtest stellen den ersten Versuch zur Ermittlung der generellen Eignung eines Verfahrens dar. Die Reagentien, hier Tensid, DNAPL und Wasser, werden in ein Gefäß gegeben und vermischt. Dort reagieren sie unter weitgehendem Ausschluss äußerer Einflüsse miteinander. Die verschiedenen Einflussgrößen lassen sich im Versuch einzeln variieren, bei konstanten anderen Bedingungen. Im Rahmen von Vorversuchen wurde die Effizienz verschiedener Tenside untersucht. Für ausgewählte Tenidlösungen wurde der Einfluss von Fremdionen und der Tensidkonzentration ermittelt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die Ergebnisse der vorhergehenden Versuche überprüft und erweitert. Es wurden Versuchsreihen mit Tensidkonzentrationen im Bereich der CMC (Critical Mizell Concentration), sowie über eine große Konzentrationsspanne, mit Tensidgehalten von bis zu $10$ \%, durchgeführt. Im weiteren wurde versucht das Emulsionssystem zu optimieren durch den Zusatz von weiteren Additiven, da Mischungen häufig effektiver sind als ein Einzeltensid. + + +\section{Tensidspülung bei der Boden- und Grundwassersanierung} +\label{sec:Einfuehrung Saeulen} + +Tensidlösungen können unterstützend bei der Sanierung in der gesättigten Grundwasserzone eingesetzt werden. Hierzu wird die Spüllösung über einen Injektionsbrunnen in den Boden eingebracht und breitet sich dort im Grundwasserstrom aus. Dabei wird der vorliegende, schlecht wasserlösliche Kontaminant solubilisiert oder mobilisiert und kann dann über einen Extraktionsbrunnen aus dem Grundwasser entfernt werden. Solubilisierung bedeutet, dass sich die Wasserlöslichkeit des NAPLs (Non aqueos phase liquids) erhöht. Dies beruht auf der Einlagerung in Mizellen: Die Tensidmoleküle lagern sich mit ihrem hydrophoben Ende um die NAPL-Moleküle an und bringen diese, bedingt durch die nun nach außen zeigenden hydrophilen Kopfgruppen, im Wasser in Lösung. Mobilisierung beruht auf der Reduzierung der Grenz- und Oberflächenspannung. Das heißt unter anderem, dass die Affinität, sich an unpolaren Oberflächen anzulagern, entfällt und die freie Beweglichkeit in der wässrigen Phase möglich wird. Die Zusammenhängende NAPL-Phase folgt einer Tensidfront in der Strömung. Mobilisierung ist das weit effektivere Verfahren. Jedoch ist hier ein System mit extrem niedriger Grenzflächenspannung nötig, welches sehr aufwändig zu erstellen ist und es besteht die Gefahr einer unerwünschten vertikalen Mobilisierung, also ein Abgleiten in tiefere Bodenschichten. Die mobilisierte Phase ist daher schlecht hydraulisch kontrollierbar. Zwischen der Mobilisierung und Solubilisierung besteht ein fließender Übergang. Dadurch können auch durch Solubilisierungskapazitäten durch reine Solubilisierung erzielt werden, allerdings steigt damit auch wieder das Risiko einer unerwünschten Mobilisierung. +%Im untersuchten Fall wurde versucht ein Mikroemulsionssystem für die Solubilisierung zu entwickeln um die Vorteile (hohe Effizienz, Stabilität) ohne die genannten Nachteile nutzen zu können. + +%Der Einsatz von Tensiden zu Sanierungszwecken ist ein noch wenig untersuchtes Gebiet innerhalb der Sanierungsverfahren. Der Einsatz anderer Chemikalien ist hier schon weiter fortgeschritten. Ein Grund hierfür ist der weit größere Aufwand bei der Ermittlung eines effektiven Emulsionssytems. Ein Grund ist die hohe Speziefität eines solchen Systemes. Für die Wahl eines passenden Emulgators sind nicht nur die chemischen Wechselwirkungen zwischen den zu Mischenden Stoffen von Bedeutung, wie sie Eingangs in Kapitel \ref{Einfuehrung Batch} beschrieben sind. Auch physikalische Größen beeinflussen das System. + + +\section{Bestimmung des Mobilisierungsrisikos} + +%Ein konkretes Modell zu entwickeln war mit den vorliegenden Daten nicht möglich. Dennoch soll +Hier soll das grundsätzliche Vorgehen zur Bestimmung des Mobilisierungsrisikos, in Abhängigkeit von den auf das Fluid einwirkenden Kräfte, beschrieben werden, um die Prozesse in den Säulen besser zu verstehen. + +\subsection{Trapping Number} +\label{nt} + +Die Trapping Number beschreibt das Kräftegleichgewicht zwischen Kapillarkräften, die den NAPL in den Porenräumen festhalten, sowie den viskosen und den Gravitationskräften, die den Weitertransport fördern. +Sie ist in Gleichung \ref{eqn:trapping number} definiert nach \cite{Childs.2004}. +Mithilfe der Trapping Number lässt sich eine Aussage darüber treffen, unter welchen Vorrausetzungen es zur Mobilisierung des DNAPLs kommt. Childs definiert hierzu sogenannte Trapping Curves, wo die Residualsättigung gegen die Grenzflächenspannung für eine variable Viskosität aufgetragen wird. Es können aber auch andere Parameter variiert werden, wie Grenzflächenspannung oder Fließrate. + +\begin{equation} +N_T = N_{Ca} + N_B +\label{eqn:trapping number} +\end{equation} + +Dabei ist $N_{Ca}$ die Kapillarzahl. Sie gibt das Verhältnis von Viskositätskräften zur Kapillarkräften an, wie in Gleichung \ref{eqn:capillary number} nach \cite{Childs.2004} dargestellt. +$N_B$ ist die Bondzahl. Sie drückt das Verhältnis von Auftriebs- zu Kapillarkräften aus, siehe Gleichung \ref{eqn:bond number} (nach \cite{Childs.2004}). Die oft großen Dichteunterschiede zwischen Öl- und Wasserphase werden durch sie berücksichtigt. + +\begin{equation} +N_{Ca}=\frac{q_a\mu_a}{\gamma} +\label{eqn:capillary number} +\end{equation} + +\begin{equation} +N_B=\frac{\Delta \rho g k k_{ra}}{\gamma} +\label{eqn:bond number} +\end{equation} + +\begin{tabular}{lcp{11cm}} +Hier ist:&\\ +&$q_a$ &die Filtergeschwindigkeit nach Darcy, in die die Permeabilität des Bodens und das hydraulische Gefälle eingehen,\\ +&$\mu_a$ &die dynamische Viskosität der wässrigen Phase,\\ +&$\gamma$ &die Grenzflächenspannung zwischen Wasser und Öl,\\ +&$\Delta\rho$ &die Dichtedifferenz zwischen Wasser und Öl,\\ +&g &die Erdbeschleunigung,\\ +&k &die intrinsische Permeabilität des Mediums\\ +&$k_{ra}$ &die relative Permeabilität von Wasser.\\ +\end{tabular} + + + +\vspace{\baselineskip} +%Die Residualsättigung kann durch anpassen der Van-Genuchten-Gleichung und Einsetzen der Trapping Number bestimmt werden. +Ist die Grenzflächenspannung nicht bekannt, kann sie näherungsweise aus den Oberflächenspannungen der beiden Phasen nach der Antonow'schen Regel bestimmt werden, siehe Gleichung \ref{eqn:Antonow} \cite{Merkwitz.1997}. + +\begin{equation} +\sigma^{gf} = \sigma_{a} - \sigma_{b} +\label{eqn:Antonow} +\end{equation} + +Die Antonow'sche Gleichung berücksichtigt jedoch nur die Kräfte zwischen Flüssigphase der einzelnen Phasen und deren Dampfphase. Die Oberflächen werden als konstant und unabhängig von der jeweiligen Phase angenommen und die Wechselwirkungen zwischen den flüssigen Phasen werden nicht beachtet. Dort treten Dispersion, Polarität und Wasserstoffbrückenbindungen auf. Sollen die Grenzflächenspannungen zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern berechnet werden ist zudem die Kenntnis des Kontaktwinkels nötig \cite{Kruss.2012}. %http://www.kruss.de/de/theorie/messungen/kontaktwinkel/einfuehrung.html +Da die Anteile der Wechselwirkungskräfte nicht bekannt sind, soll hier dennoch mit der Näherung von Antonow gerechnet werden. Zu bedenken ist, dass die berechnete Grenzflächenspannung größer sein dürfte, als die tatsächliche Grenzflächenspannung. + + +\subsection{Berechnung der Residualsättigung} + +Nach Li (\cite{Li.2007}) lässt sich aus der Trapping Number auf die Residualsättigung zurückrechnen, wie in Gleichung \ref{eqn:Sn} dargestellt. So wird eine Relation zwischen den auf das Fluid einwirkenden Kräften und dem Austrag aus der Säule geschaffen. + +\begin{equation} +S_n = S_n^{min} +(S_n^{max} - S_n^{min})(1+(T_1N_t)^{T_2})^{1/T_2-1} +\label{eqn:Sn} +\end{equation} + +\begin{tabular}{ll} +Dabei ist:&\\ +&$S_n^{max}$ ist die Ausgangssättigung\\ +&$S_n^{min}$ ist die verbleibende Restsättigung\\ +&$T_1$ und $T_2$ sind Parameter, abhängig vom Aquifermaterial\\ +\end{tabular} + +\vspace{\baselineskip} + +$T_1$ bestimmt den Beginn der Mobilisierung. Bei kleinem $T_1$ tritt Mobilisierung erst bei hohen N$_t$-Werten auf. +$T_2$ bestimmt die Geschwindigkeit der Sanierung. Je größer $T_2$ ist, desto steiler ist die Kurve. + +Pennell \cite{Pennell.1996} hat in Sand ähnlicher Strucktur und Körnung für den DNAPL PCE die kritische "trapping number" bestimmt als $2*10^{-5}$ - $5*10^{-5}$. +In dieser Größenordnung dürfte auch die kritische Trapping Number für das hier untersuchte System liegen. + Index: /diplomarbeit/Material.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Material.tex (revision 211) +++ /diplomarbeit/Material.tex (revision 211) @@ -0,0 +1,277 @@ +\chapter{Material und Methoden} +\label{Material} + +\section{Eingesetzte Chemikalien} + +\subsection{Tenside} +Die hier untersuchten Tensidsysteme basierten auf einer Emulsion die mittels dem nichtionischen Tensid Brij 97 (Synonym: Brij O10, Sigma Aldrich) stabilisiert wurde. Dabei handelt es sich um einen Polyoxyethylenether des Oleylalkohols, einem einfach ungesättigter C$18$-Alkohol, verknüpft mit zehn Ethylenoxidgruppen. Die Strukturformel ist in Abbildung \ref{pic:Brij} dargestellt. Das Tensid hat einen HLW-Wert von 12 und ist relativ gut wasserlöslich. Unter Rühren und leichter Temperaturerhöhung ließ sich problemlos eine zehnprozentige Tensidlösung herstellen. + +\begin{figure} +\centering +\chemfig{ C_{18}H_{35} \Bigg[ -[:30]O-[:330]-[:30]-[:330] \Bigg]_{10} OH} +\caption{Strukturformel Brij 97} +\label{pic:Brij} +\end{figure} + +%\begin{figure} +%\includegraphics{Brij} +%\caption{Strukturformel von Brij O$10$} +%\label{pic:Brij} +%\end{figure} + + +\subsection{Wasser} +Für die Versuche wurde ausschließlich bidestilliertes Wasser mit einem Leitwert von 0,055$µ$S/cm verwendet. Obwohl frühere Versuche keine Empfindlichkeit gegen Ionen gezeigt hatten, sollte so der Einfluss von Fremdbestandteilen klein gehalten werden. + +\subsection{Schwefelkohlenstoff} +Der untersuchte DNAPL, Schwefelkohlenstoff (CS$_2$), zeichnet sich vor allem durch seine geringe Löslichkeit in Wasser ($2$g/L), der hohe Dichte ($1,26$g/mL) und dem hohen Dampfdruck ($48,2$kPa) aus. Die geringe Löslichkeit und die hohe Dichte sorgen dafür, dass die Mischbarkeit mit Wasser sehr begrenzt ist und dass das CS$_2$ in Wasser als Schwerphase nach unten absinkt und sich am Gefäßboden zusammen lagert. Der hohe Dampfdruck bringt in Kombination mit der Explosivität der Substanz einige Besonderheiten im Umgang mit sich. Generell ist der Kontakt mit der Atmosphäre möglichst zu vermeiden. Daher wurden Vorräte in geöffneten Flaschen stets mit Wasser überschichtet, gasdichte Spritzen für den Transfer verwendet, die Proben stets dicht verschlossen und bis zur Analyse kühl gelagert. Um bei Unfällen die Explosionsgefahr gering zu halten wurde in einem speziell eingerichteten Labor gearbeitet. Dieses war ausgestattet mit einer Zwangsbe- bzw. endlüftung. Wobei die Absaugung für den Raum sich aufgrund der hohen Dichte der Substanz auf Fußbodenhöhe befand. Der Boden war mit einer antistatischen Beschichtung versehen und sämtliche elektrische Geräte waren luftdicht gekapselt und geerdet. Aufgrund der Giftigkeit der Dämpfe wurde die Abluft aus den Digestorien und die Raumluft kontinuierlich mittels stationärem PID (Photoionisationsdetektor) und in zusätzlichen Stichproben mit einem mobilen PID überwacht. CS$_2$ weist darüber hinaus einen ausgeprägten Eigengeruch auf, der auch in sehr kleinen Mengen bereits von der menschlichen Nase wahrgenommen wird. Bei längerer Exposition kann es allerdings zu Gewöhnungseffekten kommen. + +Um die Schwerphase zu markieren und visuelle Beobachtungen zu ermöglichen wurde das CS$_2$ mit dem Tracerfarbstoff Oilred angefärbt. $50$g/L waren hier ausreichend. Höhere Konzentrationen können das gesamte Tensidsystem beeinflussen und zu veränderten Grenzflächenspannungen oder sogar zu Polymerisation führen. +%ERGEBNISSE DER GFS-MESSUNG!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! +%Bilder vom Gekrissel + + + +\subsection{Linker und Cotenside} +Als Linker kamen zum einen die Alkohole Isopropanol (Synonym: 2-Propanol), Hexanol und Decanol zum Einsatz, zum anderen ein Polyethylenglykol (PEG) mit einer durchschnittlichen molaren Masse von 1500 g/mol. %Der Isopropanol und das Polyethylenglycol sind deutlich hydrophil, Hexanol und Decanol lipophil. +%Welches PEG wurde hier verwendet? +Dabei kann man eine Unterscheidung in hydrophile und lipophile Linker vornehmen. +Langkettige Alkohole (ab C6) sind verbreitete lipophile Linker, während PEGs gerne als hydrophile Linker eingesetzt werden. + Grundsätzlich lagern sich Linker zwischen den Tensidmolekülen an der ÖL-/Wassergrenzfläche an und verbessern entweder deren Wechselwirkungen mit dem Öl oder dem Wasser. + Hydrophile Linker setzten sich in der Grenzschicht zwischen die Kopfgruppen der Tensidmoleküle. Dort verringern sie die Wechselwirkungen der Kopfgruppen untereinander und vergrößern zudem die Oberfläche der Mizelle. +Lipophile Linker bewegen sich zwischen die Alkylketten des Tensids in der Ölphase und vergrößern dadurch die Kontaktflächen zum Öl. \cite{Acosta.2003}. + +Als Cotenside wurden das anionische \mbox{Lutensit A-BO}, das nichtionische \mbox{Lutensol ON 60} und das nichtionische \mbox{Igepal CO-630} verwendet. +Lutensit A-BO (Abbildung \ref{pic:Lutensit}) ist ein Natrium-Dioctylsulfosuccinat, der HLB-Wert liegt bei $6-12$. Seine Struktur zeichnet sich durch die zwei Kohlenstoffketten aus. Zwischen diese kann die Ölphase gut penetrieren, was die Wechselwirkungen zwischen Öl und Tensid verstärkt und helfen kann die Grenzflächenspannung weiter herab zu setzen. Lutensol ON 60 (Abbildung \ref{pic:Lutensol}) ist ein Polyoxyethylenglycolether, sechsfach ethyliert, mit einem HLB-Wert von $12$. Seine Struktur ähnelt der von Brij 97, wobei der polare Molekülteil, also die hydrophile Kopfgruppe, kleiner ist. Das kann sich, genau wie verlängerte Kohlenstoffketten, positiv auf die Mizellgeometrie auswirken und die Oberflächenkrümmung verkleinern, da die Kopfgruppe im Verhältnis zur Kohlenstoffkette weniger Platz beansprucht. + Igepal CO-$630$ (Abbildung \ref{pic:Igepal}) ist ein Polyoxyethylen-nonylphenylether und hat einen HLB-Wert von $13$. Igepal hat ebenfalls eine ähnlichen Struktur wie Brij $97$. Es unterscheidet sich von diesem durch eine kürzeren Kohlenwasserstoffkette und einem stattdessen vorhandenen Benzolring. Dieser kann, ähnlich wie die zwei Ketten bei Lutensit eine Aufweitung der Abstände zwischen KW-Ketten bedingen. + +\begin{figure} +\subfigure +\centering +{\chemfig{Na^{+}\hspace{0,5cm}O^{-} -S(=[:90]O)(=[:270]O)-(-[:60](=[:90]O)-O-[:30]-[:330](-[:90]-[:30])-[:30]-[:330]-[:30]-[:330]) +(-[:300](=[:270]O)-O-[:330]-[:30](-[:270]-[:330])-[:330]-[:30]-[:330]-[:30])}} +\caption{Strukturformel Lutensit A-BO} +\label{pic:Lutensit} + +\hspace{2cm} + +\subfigure +\centering +{\chemfig{ RO \Bigg[ -[:30]-[:330]O \Bigg]_{6} H}} + \hspace{1cm} + (R = kurzkettiger, gesättigter Fettalkohol ) +\caption{Strukturformel Lutensol ON 60} +\label{pic:Lutensol} + +\hspace{2cm} + +\subfigure +\centering +{\chemfig{ C_{9}H_{19} -*6(-=-(\Bigg[ -[:30]O-[:330]-[:30]-[:330] \Bigg]_{10} OH)=-=) }} +\caption{Strukturformel Igepal} +\label{pic:Igepal} +\end{figure} + +\subsection{Sonstige Chemikalien} +Aufgrund der für die HPLC-Messung zu hohen Konzentrationen der Proben mussten diese verdünnt werden. Die Verdünnung erfolgte in Methanol. Methanol und Wasser wurden auch als Laufmittel für die HPLC eingesetzt. + +Um Spritzen, Kanülen und Gläser zwischendurch zu reinigen wurde Isopropanol verwendet. Dieser stört im Gegensatz zu Beispielsweise Aceton die HPLC-Messung nicht. %Aceton wurde lediglich zum Entfernen der Rückstände von Decanol aus einer Spritze verwendet, bevor mehrfach mit Isopropanol nachgespült wurde. + + +\section{Material für die Säulenversuche} +\label{sec:col} + +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. + +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. + + +%\section{(Mess-)technik und Versuchsaufbau} + + +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). + +%Hier muss eine Skizze vom Säulenstand und den Verbindungen zu den Pumpen und Gefäßen rein +%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) + + +\subsection{Säulen} +\label{S"aulen} + +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. +Das weitere Säulenzubehör ist in Abbildung \ref{pic:S"aule} +vollständig zu sehen und in Tabelle \ref{tab:S"aulenzubehör} aufgeführt. + +\begin{table} +\caption{S"aulenzubehör} +\begin{tabular}{|c|l|l|c|} +\hline +\textbf{ID}&\textbf{Bezeichnung}&\textbf{Material}&\textbf{Anzahl}\\ \hline +a&Säule&Glas&1\\ \hline +b&Deckplatte mit Anschluss&Edelstahl&2\\ \hline +c&Ringscheibe&Edelstahl&2\\ \hline +d&Dichtring&Kunststoff&2\\ \hline +e&Abdeckung&PFFE&2\\ \hline +f&O-Ring innen&Viton&2\\ \hline +g&O-Ring außen&Viton&2\\ \hline +h&O-Ring Dichtring&Viton&2\\ \hline +i&Schrauben mit Sechskantkopf&Stahl&6\\ \hline +j&Gewindestangen mit Sechskantkopf&Stahl&3\\ \hline +k&Unterlegscheibe&Stahl, verzinkt&9\\ \hline +l&Federring&Stahl, verzinkt&9\\ \hline +m&Netz&Stahl&2\\ \hline +n&Lochplatte&Stahl&2\\ \hline +o&Feder&Stahl&1\\ \hline +p&Abstandshalter innen&PTFE&1\\ \hline +q&Abstandshalter außen&PTFE&1\\ \hline +r&Mutter&Edelstahl&9\\ \hline +s&Füße&Stahl, verzinkt&3\\ \hline +\end{tabular} + +\label{tab:S"aulenzubehör} +\end{table} + +\begin{figure} +\includegraphics[width=0.8\textwidth]{Material} +\caption{S"aulenzubehör} +\label{pic:S"aule} +\end{figure} + +%Einzelteile beschreiben und ihre Funktion + +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}. + +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. + +\subsubsection{Poröses Medium} + +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. +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. +Die jeweilige Mittelfraktion wurde im Sieb gewaschen um die Feinbestandteile zu entfernen und anschließend im +Trockenofen bei 105°C mindestens 24 Stunden getrocknet. + +\subsubsection{Packen der Säulen} +\label{subsubsec:packen} + +Für das Packen der Säulen wurde eine Fallrohrvorrichtung benutzt, welche ein gleichmäßiges Verrieseln des Sandes +gewährleisten sollte. Die Vorrichtung besteht aus drei Teilen: Einem Füllrohr, das durch einen Metallspatel nach unten +verschlossen werden kann, dem eigentlichen Fallrohr und einem Stutzen, mit dem es auf die Säulen aufgesetzt wurde. +Am oberen Ende des Fallrohres wurde eine Metallscheibe mit Löchern eingelegt. Die Lochung variierte abhängig +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. +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. +Die Säule wurde über den Stutzen mit dem Fallrohr verbunden und auf eine Vibrierplatte gestellt. Durch einen aufgeschraubten druckluftgetriebenen Vibrator %(Kugelvibrator? Marke?) +wurde die Platte, die darauf stehende Säule und das angeschlossene Fallrohr in Schwingung versetzt. +%hier müssen ein paar Detailbilder rein damit ich das anständig beschreiben kann + +Die Dichte der Sandpackung (Rohdichte $\rho$) wurde durch Wiegen der kompletten Säulen vor und nach dem Packen und dem berechneten Volumen des Sandes ermittelt. +Die Porosität n ergibt sich als: $n=1-\frac{\rho}{\rho_0}$, wobei $\rho_0$ die Reindichte von Quarzsand ist. +Zur Berechnung des Porenvolumens der Säule wurden die in Tabelle \ref{Konstanten} aufgeführten Konstanten angenommen. + +\begin{table} +\centering +\begin{tabular}{|c|c|c|} +\hline +\textbf{Bezeichnung}&\textbf{Wert}&\textbf{Einheit}\\ \hline +d$_{S"aule}$&$4$&cm\\ \hline +l$_{S"aule}$&$50$&cm\\ \hline +Abdeckung&0,5&cm\\ \hline +Abstandshalter&1,2&cm\\ \hline +Lochplatte und Netz&0,3&cm\\ \hline +Leerraum (Feder)&0,5&cm\\ \hline +\end{tabular} +\caption{Konstanten der Säule} +\label{Konstanten} +\end{table} + + +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. + +\subsection{Aufsättigen der Säulen} +\label{aufs"attigen} + +\subsubsection{Sättigung mit Kohlendioxid} + +Die mit Sand gepackten verschlossenen Säulen wurden zunächst mit Kohlendiioxid (CO$_2$) gespült. Hierzu wurde +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. + +\subsubsection{Wassersättigung} + +Die Säulen wurden in den Versuchsstand eingebaut und aufwärts mit drei bis vier Porenvolumen demineralisiertem, entgastem +Wasser gespült, um die Poren mit Wasser zu füllen. +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. + +\subsubsection{Aufättigen mit CS$_2$} + + +Zunächst musste das Vorratsgefäß mit Schadstoff befüllt werden. +Dazu wurde eine auf einem Brett fest montierte gasdichte Glasspritze (10ml, Hamilton/ VWR) über ein Dreiwegeventil (PTFE) +mit der Transportflasche, welche mit neuem angefärbtem DNAPL gefüllt war, und dem Vorratsgefäß verbunden. Die Verbindungsschläuche %aus Material? + wurden gespült, durch Ansaugen von Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß und Ausdrücken in die +Transportflasche. Sobald die Leitungen blasenfrei waren, wurde das Ventil so geschaltet, dass ein direkter Durchfluss von der Transportflasche zum Vorratsgefäß gegeben war. Über einem +Stickstoffanschluss wurde Druck auf die Transportflasche gegeben und die Flüssigkeit in das Vorratsgefäß überführt. Über den +oberen Auslass des Vorratsgefäßes konnte das enthaltene Wasser in eine Auffangflasche abfließen, wobei noch Wasser zum +Überschichten des DNAPLs verbleiben musste. Durch das Überschichten wird der direkte Kontakt zur Atmosphäre vermieden +und so das Ausgasen vermindert und die Explosionsgefahr reduziert. + +\begin{figure} +\includegraphics[width=\textwidth]{Vorratsflasche} +\caption{Bef"ullen der Vorratsflasche} +\label{pic:Vorratsflasche} +\end{figure} + +Zum Aufsättigen der Säulen wurde wiederum Wasser von oben in das Vorratsgefäß gepumpt und der DNAPL nach unten +herausgedrückt. Über einen Verteiler (Type $SS-43ZFS2$, Edelstahl, Swagelog) wurde der Weg zu einer Säule freigeschaltet und die Säule von unten nach oben +befüllt. Dabei wurde mindestens ein Porenvolumen CS$_2$ in die Säule gepumpt, mit einer Fließrate von 3ml/min. +Anschließend wurde mit drei bis vier Porenvolumina Wasser nachgespült. Dabei wurde sowohl abwärts, als auch aufwärts +gespült. Dadurch sollte überschüssiger DNAPL aus der Säule entfernt werden. +Die Residualsättigung in der Säule wurde durch eine Massenbilanzierung bestimmt. Die Auffangflaschen wurden gewogen, die +Schwerphase entfernt und wieder gewogen. Das Volumen in der Säule nach dem Aufsättigen wurde wie folgt ermittelt: +\mbox{$m_{leicht}=V_{leicht}=V_{schwer}$}. + + + +\subsection{Massenbilanzierung} + +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. +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. +Die Säulen konnten aufgrund ihres zu hohen Gewichtes nicht im Labor gewogen werden. Hier wurde auf eine Industriewaage (Messbereich 12kg, Ablesbarkeit 1g) zurückgegriffen. +%Bezeichnung und Kenngrößen der Laborwaagen + +\subsection{Probenahmegefäße} + +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 +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. +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. + + + +\subsection{Steuerung des Flusses} + + +\begin{figure} +\subfigure[Dreiwegeventile zur Steuerung des Zulaufs] +{\label{pic:dreiwege} +\includegraphics[width=0.49\textwidth]{dreiwege}} +\subfigure[Umschaltventile und Verteiler] +{\label{pic:umschalt} +\includegraphics[width=0.49\textwidth]{umschalt}} +\caption{Ventile zur Steuerung des Flusses in den Säulen} +\label{pic:Ventile} +\end{figure} + +Vor den Pumpen und vor den Säulen waren Drei-Wege-Ventile %Material, Hersteller +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. + +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} + +Hinter den Säulen wurden Nadelventile %Material, Hersteller +eingebaut, um für einen kontrollierten Druckabfall nach der Säule zu sorgen und so Kavitation und damit Ausgasen in den Schläuchen zu verhindern. + +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. +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. + + + + + + Index: /diplomarbeit/titlepage.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/titlepage.tex (revision 211) +++ /diplomarbeit/titlepage.tex (revision 211) @@ -0,0 +1,179 @@ + + +\begin{titlepage} + + + +%\begin{figure}[h] +%\begin{minipage}{0.3\linewidth} +%\includegraphics[width=1.0\linewidth]{bilder/unilogo} +%\end{minipage} +%\hspace{0.5cm} +%\begin{minipage}{0.7\linewidth} +%{\bf\sffamily\huge + %Universität Stuttgart + % \bigskip + %\\ + %Fakultät Bau- und Umwelt-\\ingenieurwissenschaften} +%\end{minipage} +%\end{figure} + +\begin{figure} +\centering +\begin{minipage}{0.5\linewidth} +\includegraphics[width=1.0\linewidth]{Logo_VE} +\end{minipage} +%\begin{minipage}{0.6\linewidth} + % Institut für Wasserbau (IWS) + % \medskip + %\\ + %Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung + %\medskip + %\\ + %Pfaffenwaldring 61, 70569~Stuttgart +%\end{minipage} +\end{figure} + +\begin{leftbar} + + +%\vspace{1cm} + + \begin{minipage} + {15cm} + + {\bf\huge +Säulenversuche zur Auswahl \\ geeigneter In-Situ-Verfahren \\zur Entfernung \\eines potentiellen Schadstoffes \\aus der gesättigten Zone + } + \end{minipage} + +\vspace{0,7cm} + + \begin{minipage} + {15cm} + + {\large\bf +Diplomarbeit}\bigskip +\\ + {\large +an der Versuchseinrichtung zur\\ +Grundwasser- und Altlastensanierung VEGAS\bigskip +\\ +des Instituts für Wasserbau\bigskip\ +\\ +der Universität Stuttgart +} + + + \end{minipage} + +\vspace{0,7cm} + + \begin{minipage} + {15cm} + + {\large +vorgelegt von\bigskip +\\ +cand.-ing. Tanja Simroth\bigskip +\\ +Matrikelnummer 2225375 + } + + \end{minipage} + +\vspace{0,7cm} + + \begin{minipage}{15cm} +{\large + \begin{tabular}{ll} + Erstprüfer: &Prof. Dr. A. B\'ardossy\\ + Zweitprüfer: &Jürgen Braun, Ph.D. + \end{tabular} +} + \end{minipage} + +\vspace{0,7cm} + + \begin{minipage} + {15cm} + + {\large +vorgelegt am xx. Juni 2012 + } + + \end{minipage} +%\begin{figure}[h] +%\begin{minipage}{0.4\linewidth} +%\includegraphics[width=1.0\linewidth]{bilder/Logo_VE} +%\end{minipage} +%\begin{minipage}{0.6\linewidth} + % Institut für Wasserbau (IWS) + % \medskip + %\\ + %Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung + %\medskip + %\\ + %Pfaffenwaldring 61, 70569~Stuttgart +%\end{minipage} +%\end{figure} + + +% \begin{figure} +%\begin{minipage}[c]{4.0cm} + + %\includegraphics{bilder/Logo_VE} + + %\end{minipage} + +%\hspace{3cm} + + %\begin{minipage}[c]{8.0cm} + + %Institut für Wasserbau (IWS) + %\medskip + %\\ + %Versuchseinrichtung zur + %\medskip + %\\ + %Grundwasser- und Altlastensanierung + %\medskip + %\\ + %Pfaffenwaldring 61 + %\medskip + %\\ + %70569~Stuttgart + + %\end{minipage} +%\end{figure} +\end{leftbar} + +\newpage + +\vspace*{\fill} +\noindent + {\large\bf Erklärung}\\ +\noindent +\rule[1ex]{\textwidth}{1pt} + + + +\vspace{3cm} +\large{ +\flushleft{ + +Hiermit erkläre ich, Tanja Simroth, die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt +und keine anderen als die angeführten Hilfsmittel und Quellen verwendet zu haben. +} +\vspace{1cm} + +Stuttgart, den xx. Juni 2012 \\ +\hspace{9cm} +\rule[1ex]{7cm}{1pt} +} + + +\end{titlepage} + + + Index: /diplomarbeit/DA_lit.bib =================================================================== --- /diplomarbeit/DA_lit.bib (revision 207) +++ /diplomarbeit/DA_lit.bib (revision 211) @@ -467,10 +467,10 @@ -@misc{Kruss.2012, +@manual{Kruss.2012, author = {Kr{\"u}ss}, editor = {{Fa. Kr{\"u}ss}}, year = {22.05.2012}, title = {Kontaktwinkel}, - url = {file:///C:/Dokumente%20und%20Einstellungen/Administrator/Desktop/DA/lit/Kr%C3%BCss_GFS.htm}, + note = {http://www.kruss.de/de/theorie/messungen/kontaktwinkel/einfuehrung.html}, urldate = {22.06.2012} } Index: /diplomarbeit/Ausarbeitung.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Ausarbeitung.tex (revision 208) +++ /diplomarbeit/Ausarbeitung.tex (revision 211) @@ -20,4 +20,5 @@ \usepackage{cite} \usepackage{framed} +\usepackage{url} \newcommand{\machverz}{1} % erzeuge Verzeichnisse (ToC,LoF,LoT,LoL,Idx) ? @@ -33,6 +34,6 @@ %\include{abstract} -\setcounter{tocdepth}{4}%gliederung tiefer als bis subsec -\setcounter{secnumdepth}{4}%nummerrierung bis 1.1.1.1 +\setcounter{tocdepth}{2}%gliederung tiefer als bis subsec +\setcounter{secnumdepth}{2}%nummerrierung bis 1.1.1.1 \tableofcontents @@ -46,22 +47,23 @@ \include{Einleitung} -\include{Aufbau} +%\include{Aufbau} -\part{Batchversuche} +%\part{Batchversuche} -\setcounter{chapter}{0} +%\setcounter{chapter}{0} \include{Einfuehrung_Batch} -\include{Kapitel_1} +\include{Material} +\include{Batch} \include{Kapitel_2} -\part{Säulenversuche} +%\part{Säulenversuche} -\setcounter{chapter}{0} +%\setcounter{chapter}{0} -\include{Einfuehrung_Saeulen} +%\include{Einfuehrung_Saeulen} \include{Kapitel_3} \include{Kapitel_4} Index: /diplomarbeit/Einleitung.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Einleitung.tex (revision 208) +++ /diplomarbeit/Einleitung.tex (revision 211) @@ -1,3 +1,3 @@ -\chapter*{Motivation und Zielsetzung} +\chapter{Motivation und Zielsetzung} \label{Einleitung} Index: /diplomarbeit/Aufbau.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Aufbau.tex (revision 207) +++ /diplomarbeit/Aufbau.tex (revision 211) @@ -1,3 +1,3 @@ -\chapter*{Aufbau der Arbeit} +\chapter{Aufbau der Arbeit} \label{Aufbau} Index: /diplomarbeit/Kapitel_2.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Kapitel_2.tex (revision 209) +++ /diplomarbeit/Kapitel_2.tex (revision 211) @@ -133,13 +133,13 @@ \subsection{Messergebnisse} -Da sich mit keiner der Mischungen spontan Mikroemulsion bildete und keine größere Optimierung der bisherigen Mischung ersichtlich war, wurde zunächst auf eine Beprobung und Messung der Ansätze verzichtet und die Proben im Kühlraum aufbewahrt für mögliche spätere Vergleiche. +Da sich mit keiner der Mischungen spontan Mikroemulsion bildete und keine Optimierung der bisherigen Mischung ersichtlich war, wurde zunächst auf eine Beprobung und Messung der Ansätze verzichtet und die Proben im Kühlraum aufbewahrt für mögliche spätere Vergleiche. \subsection{Zusammenfassung und Bewertung} -Das Vorrangige Ziel, durch die Zugabe eines Linkers oder Cotensids ein Mikroemulsionssystem zu erzeugen, wurde unter den gegebenen Bedingungen mit keinem der Additive erreicht. Dies kann zum einen an generell ungeeigneten Additiven liegen, aber auch an der Herstellungsmethodik oder Randbedingungen, wie Temperatur und Salinität. \\ +Das Vorrangige Ziel, durch die Zugabe eines Linkers oder Cotensids ein Mikroemulsionssystem zu erzeugen, wurde unter den gegebenen Bedingungen mit keinem der Additive erreicht. Dies kann zum einen an generell ungeeigneten Additiven liegen, aber auch an den experimentellen Bedingungen wie Reihenfolge der Zugabe, Zugabegeschwindigkeit und Equilibrationszeit oder an Randbedingungen, wie Temperatur und Salinität. \\ Das es Grundsätzlich möglich ist, eine mit Brij 97 stabilisierte Makroemulsion mit einem Linker zu brechen zeigen die Versuche von Zhou \cite{Zhou.2000}. Mit einer Mischung aus drei Prozent Brij 97 und drei Prozent IPA erzielte Zhou gute Erfolge bei der Sanierung von PCE. Hier wurde IPA erfolgreich eingesetzt um die Makroemulsion zu brechen und so Mikroemulsion zu erhalten. Zhou zeigt in seinen Versuchen aber auch, das das Brechen der Emulsion mit IPA bei Systemen mit anderen Tensiden nicht funktioniert. Der Linker muss auf das Gesamtsystem (DNAPL, Tensid, Wasser, Linker) abgestimmt sein. Gleiches gilt auch für die Cotenside. Erwünscht ist ein vermehrtes Eindringen des Cotensides in die Schwerphase. Dies lässt sich auf verschiedenen Wegen erreichen. Ein anionisches Tensid reagiert potentiell sensitiv auf die Erhöhung der Ionenkonzentration. Bei steigender Salinität, wird der HLB-Wert kleiner \cite{Sabatini.2000}. Das heißt die Öllöslichkeit steigt. Daher wäre die Erhöhung der Salzkonzentration in der Lösung eine Möglichkeit das Eindringen des anionischen Cotensides in die Schwerphase zu erhöhen. Einziges in den beschriebenen Versuchen eingesetztes anionisches Cotensid war Lutensit A-BO. Hier erscheint der zusätzliche Einsatz von Salz allerdings nicht sinnvoll, da das Cotensid eine bereits schlechte Löslichkeit in der wässrigen Tensidlösung zeigte (vgl. Kap. \ref{Reihe 2}) und sich die Löslichkeit für CS$_2$ verschlechterte (vgl. Kap. \ref{Aussehen}). Hier liegt die Vermutung nahe, dass Lutensit A-BO bereits eher lipophil ist, aber bevorzugt an Stelle von CS$_2$ solubilisiert wird.\\ Wie sich die Temperatur bei der Emulsifikation auf die Tröpfchengröße auswirkt zeigt Shinoda \cite{Shinoda.1969} mit seinen Untersuchungen an einer zu Brij 97 verwandten Gruppe von Tensiden. Es wird außerdem der Zusammenhang zwischen Phaseninversionstemperatur und Größe der hydrophilen Gruppe des Tensids dargestellt. Demnach gilt: Die PIT variiert mit der Schwerphase und der Länge des hydrophilen Teils des Tensids. Allgemein lässt sich sagen, dass die Wechselwirkungen zwischen hydrophilem Tensidteil und Wasser bei abnehmender Temperatur steigen. Eine Vergrößerung der hydrophilen Gruppe führt ebenfalls zu steigenden Wechselwirkungen mit Wasser. Daher ist mit größer werdem hydrophilen Anteil eine höhere Temperatur nötig um die Tröpfchen zu verkleinern. -Will man also bei niedriger Temperatur arbeiten, sollte man ein Tensid mit kleiner Kopfgruppe verwenden. Die Emulsifikation nach der PIT-Methode wird in einem Temperaturbereich knapp unterhalb der PIT durchgeführt und die Emulsion dann rasch auf Lagerungstemperatur abgekühlt um stabile Emulsionen mit geringen Tröpfchengrößen zu erhalten .\cite{Shinoda.1969}. Die PIT-Methode kann für das vorliegende System allerdings nur eingeschränkt zum einsatz kommen, da aufgrund des hohen Dampfdrucks des Schwefelkohlenstoffs nur eine moderate Temperaturerhöheung möglich ist. +Will man also bei niedriger Temperatur arbeiten, sollte man ein Tensid mit kleiner Kopfgruppe verwenden. Die Emulsifikation nach der PIT-Methode wird in einem Temperaturbereich knapp unterhalb der PIT durchgeführt und die Emulsion dann rasch auf Lagerungstemperatur abgekühlt um stabile Emulsionen mit geringen Tröpfchengrößen zu erhalten .\cite{Shinoda.1969}. Die PIT-Methode kann für das vorliegende System allerdings nur eingeschränkt zum Einsatz kommen, da aufgrund des hohen Dampfdrucks des Schwefelkohlenstoffs nur eine moderate Temperaturerhöheung möglich ist. Index: /diplomarbeit/Kapitel_3.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Kapitel_3.tex (revision 209) +++ /diplomarbeit/Kapitel_3.tex (revision 211) @@ -1,203 +1,10 @@ -\chapter{Material und Methoden} -\label{Material} +\chapter{Durchführung der Säulenversuche} +\label{col} -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. - -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. - - -\section{(Mess-)technik und Versuchsaufbau} - - -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). - -%Hier muss eine Skizze vom Säulenstand und den Verbindungen zu den Pumpen und Gefäßen rein -%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) - - -\subsection{Säulen} -\label{S"aulen} - -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. -Das weitere Säulenzubehör ist in Abbildung \ref{pic:S"aule} -vollständig zu sehen und in Tabelle \ref{tab:S"aulenzubehör} aufgeführt. - -\begin{table} -\caption{S"aulenzubehör} -\begin{tabular}{|c|l|l|c|} -\hline -\textbf{ID}&\textbf{Bezeichnung}&\textbf{Material}&\textbf{Anzahl}\\ \hline -a&Säule&Glas&1\\ \hline -b&Deckplatte mit Anschluss&Edelstahl&2\\ \hline -c&Ringscheibe&Edelstahl&2\\ \hline -d&Dichtring&Kunststoff&2\\ \hline -e&Abdeckung&PFFE&2\\ \hline -f&O-Ring innen&Viton&2\\ \hline -g&O-Ring außen&Viton&2\\ \hline -h&O-Ring Dichtring&Viton&2\\ \hline -i&Schrauben mit Sechskantkopf&Stahl&6\\ \hline -j&Gewindestangen mit Sechskantkopf&Stahl&3\\ \hline -k&Unterlegscheibe&Stahl, verzinkt&9\\ \hline -l&Federring&Stahl, verzinkt&9\\ \hline -m&Netz&Stahl&2\\ \hline -n&Lochplatte&Stahl&2\\ \hline -o&Feder&Stahl&1\\ \hline -p&Abstandshalter innen&PTFE&1\\ \hline -q&Abstandshalter außen&PTFE&1\\ \hline -r&Mutter&Edelstahl&9\\ \hline -s&Füße&Stahl, verzinkt&3\\ \hline -\end{tabular} - -\label{tab:S"aulenzubehör} -\end{table} - -\begin{figure} -\includegraphics[width=0.8\textwidth]{Material} -\caption{S"aulenzubehör} -\label{pic:S"aule} -\end{figure} - -%Einzelteile beschreiben und ihre Funktion - -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}. - -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. - -\subsubsection{Poröses Medium} - -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. -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. -Die jeweilige Mittelfraktion wurde im Sieb gewaschen um die Feinbestandteile zu entfernen und anschließend im -Trockenofen bei 105°C mindestens 24 Stunden getrocknet. - -\subsubsection{Packen der Säulen} -\label{subsubsec:packen} - -Für das Packen der Säulen wurde eine Fallrohrvorrichtung benutzt, welche ein gleichmäßiges Verrieseln des Sandes -gewährleisten sollte. Die Vorrichtung besteht aus drei Teilen: Einem Füllrohr, das durch einen Metallspatel nach unten -verschlossen werden kann, dem eigentlichen Fallrohr und einem Stutzen, mit dem es auf die Säulen aufgesetzt wurde. -Am oberen Ende des Fallrohres wurde eine Metallscheibe mit Löchern eingelegt. Die Lochung variierte abhängig -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. -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. -Die Säule wurde über den Stutzen mit dem Fallrohr verbunden und auf eine Vibrierplatte gestellt. Durch einen aufgeschraubten druckluftgetriebenen Vibrator %(Kugelvibrator? Marke?) -wurde die Platte, die darauf stehende Säule und das angeschlossene Fallrohr in Schwingung versetzt. -%hier müssen ein paar Detailbilder rein damit ich das anständig beschreiben kann - -Die Dichte der Sandpackung (Rohdichte $\rho$) wurde durch Wiegen der kompletten Säulen vor und nach dem Packen und dem berechneten Volumen des Sandes ermittelt. -Die Porosität n ergibt sich als: $n=1-\frac{\rho}{\rho_0}$, wobei $\rho_0$ die Reindichte von Quarzsand ist. -Zur Berechnung des Porenvolumens der Säule wurden die in Tabelle \ref{Konstanten} aufgeführten Konstanten angenommen. - -\begin{table} -\centering -\begin{tabular}{|c|c|c|} -\hline -\textbf{Bezeichnung}&\textbf{Wert}&\textbf{Einheit}\\ \hline -d$_{S"aule}$&$4$&cm\\ \hline -l$_{S"aule}$&$50$&cm\\ \hline -Abdeckung&0,5&cm\\ \hline -Abstandshalter&1,2&cm\\ \hline -Lochplatte und Netz&0,3&cm\\ \hline -Leerraum (Feder)&0,5&cm\\ \hline -\end{tabular} -\caption{Konstanten der Säule} -\label{Konstanten} -\end{table} - - -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. - -\subsection{Aufsättigen der Säulen} -\label{aufs"attigen} - -\subsubsection{Sättigung mit Kohlendioxid} - -Die mit Sand gepackten verschlossenen Säulen wurden zunächst mit Kohlendiioxid (CO$_2$) gespült. Hierzu wurde -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. - -\subsubsection{Wassersättigung} - -Die Säulen wurden in den Versuchsstand eingebaut und aufwärts mit drei bis vier Porenvolumen demineralisiertem, entgastem -Wasser gespült, um die Poren mit Wasser zu füllen. -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. - -\subsubsection{Aufättigen mit CS$_2$} - - -Zunächst musste das Vorratsgefäß mit Schadstoff befüllt werden. -Dazu wurde eine auf einem Brett fest montierte gasdichte Glasspritze (10ml, Hamilton/ VWR) über ein Dreiwegeventil (PTFE) -mit der Transportflasche, welche mit neuem angefärbtem DNAPL gefüllt war, und dem Vorratsgefäß verbunden. Die Verbindungsschläuche %aus Material? - wurden gespült, durch Ansaugen von Flüssigkeit aus dem Vorratsgefäß und Ausdrücken in die -Transportflasche. Sobald die Leitungen blasenfrei waren, wurde das Ventil so geschaltet, dass ein direkter Durchfluss von der Transportflasche zum Vorratsgefäß gegeben war. Über einem -Stickstoffanschluss wurde Druck auf die Transportflasche gegeben und die Flüssigkeit in das Vorratsgefäß überführt. Über den -oberen Auslass des Vorratsgefäßes konnte das enthaltene Wasser in eine Auffangflasche abfließen, wobei noch Wasser zum -Überschichten des DNAPLs verbleiben musste. Durch das Überschichten wird der direkte Kontakt zur Atmosphäre vermieden -und so das Ausgasen vermindert und die Explosionsgefahr reduziert. - -\begin{figure} -\includegraphics[width=\textwidth]{Vorratsflasche} -\caption{Bef"ullen der Vorratsflasche} -\label{pic:Vorratsflasche} -\end{figure} - -Zum Aufsättigen der Säulen wurde wiederum Wasser von oben in das Vorratsgefäß gepumpt und der DNAPL nach unten -herausgedrückt. Über einen Verteiler (Type $SS-43ZFS2$, Edelstahl, Swagelog) wurde der Weg zu einer Säule freigeschaltet und die Säule von unten nach oben -befüllt. Dabei wurde mindestens ein Porenvolumen CS$_2$ in die Säule gepumpt, mit einer Fließrate von 3ml/min. -Anschließend wurde mit drei bis vier Porenvolumina Wasser nachgespült. Dabei wurde sowohl abwärts, als auch aufwärts -gespült. Dadurch sollte überschüssiger DNAPL aus der Säule entfernt werden. -Die Residualsättigung in der Säule wurde durch eine Massenbilanzierung bestimmt. Die Auffangflaschen wurden gewogen, die -Schwerphase entfernt und wieder gewogen. Das Volumen in der Säule nach dem Aufsättigen wurde wie folgt ermittelt: -\mbox{$m_{leicht}=V_{leicht}=V_{schwer}$}. - - - -\subsection{Massenbilanzierung} - -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. -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. -Die Säulen konnten aufgrund ihres zu hohen Gewichtes nicht im Labor gewogen werden. Hier wurde auf eine Industriewaage (Messbereich 12kg, Ablesbarkeit 1g) zurückgegriffen. -%Bezeichnung und Kenngrößen der Laborwaagen - -\subsection{Probenahmegefäße} - -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 -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. -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. - - - -\subsection{Steuerung des Flusses} - - -\begin{figure} -\subfigure[Dreiwegeventile zur Steuerung des Zulaufs] -{\label{pic:dreiwege} -\includegraphics[width=0.49\textwidth]{dreiwege}} -\subfigure[Umschaltventile und Verteiler] -{\label{pic:umschalt} -\includegraphics[width=0.49\textwidth]{umschalt}} -\caption{Ventile zur Steuerung des Flusses in den Säulen} -\label{pic:Ventile} -\end{figure} - -Vor den Pumpen und vor den Säulen waren Drei-Wege-Ventile %Material, Hersteller -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. - -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} - -Hinter den Säulen wurden Nadelventile %Material, Hersteller -eingebaut, um für einen kontrollierten Druckabfall nach der Säule zu sorgen und so Kavitation und damit Ausgasen in den Schläuchen zu verhindern. - -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. -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. - - - - - -\section{Versuchsdurchführung} +\section{Durchführung} Vorbereitend wurden sämtliche Leitungen gründlich mit Wasser gespült, um mögliche Rückstände voriger Versuche zu entfernen und Blasenfreiheit herzustellen. Erst dann konnten die Säulen eingebaut und wie in Abschnitt \ref{aufs"attigen} beschrieben aufgesättigt werden. -Sobald die Säulen Wassergesättigt waren, konnten die Druckaufnehmer kalibriert werden. Dazu wurde die obere und untere Druckleitung zwischen einem Druckaufnehmer und dem Piezometer geöffnet. Als erstes wurde der Druck zwischen beiden Leitungen ausgeglichen. Dazu wurde eine Schlauchbrücke, die über Dreiwegeventile an die Piezometerleitungen angeschlossen war, geöffnet. Nachdem sich in beiden Leitungen die gleiche Druckhöhe eingestellt hatte wurde diese an die Druckaufnehmer angelegt, indem die Verbindungen wieder geöffnet wurden. Im zweiten Schritt wurde ein unterer und ein oberer Referenzpunkt gesetzt. Dazu wurde die Brücke wieder geöffnet und der Wasserspiegel in einem Piezometerrohr abgesenkt, wodurch er im anderen erhöht wurde. Die drei Kalibrierpunkte wurden mittels HART-Modem auf den Messrechner übertragen. Dort erfolgte die eigentliche Kalibrierung der Druckaufnehmer über die Steuerungssoftware (Simatic PDM, Siemens). %Die vorgenommenen Einstellungen wurden zudem in die Verwaltung von Nextview übernommen, da dort der Druckverlauf aufgezeichent wurde. +Sobald die Säulen wassergesättigt waren, konnten die Druckaufnehmer kalibriert werden. Dazu wurde die obere und untere Druckleitung zwischen einem Druckaufnehmer und dem Piezometer geöffnet. Als erstes wurde der Druck zwischen beiden Leitungen ausgeglichen. Dazu wurde eine Schlauchbrücke, die über Dreiwegeventile an die Piezometerleitungen angeschlossen war, geöffnet. Nachdem sich in beiden Leitungen die gleiche Druckhöhe eingestellt hatte wurde diese an die Druckaufnehmer angelegt, indem die Verbindungen wieder geöffnet wurden. Im zweiten Schritt wurde ein unterer und ein oberer Referenzpunkt gesetzt. Dazu wurde die Brücke wieder geöffnet und der Wasserspiegel in einem Piezometerrohr abgesenkt, wodurch er im anderen erhöht wurde. Die drei Kalibrierpunkte wurden mittels HART-Modem auf den Messrechner übertragen. Dort erfolgte die eigentliche Kalibrierung der Druckaufnehmer über die Steuerungssoftware (Simatic PDM, Siemens). %Die vorgenommenen Einstellungen wurden zudem in die Verwaltung von Nextview übernommen, da dort der Druckverlauf aufgezeichent wurde. Die Säulen wurden saniert, indem zunächst mit einer Tensidlösung und anschließend mit Wasser gespült wurde. Um eine vollständige Sanierung zu erhalten und eine mögliche Restkontamination bilanzieren zu können, wurden die Säulen mit Isopropanol (IPA) und ein weiteres Mal mit Wasser nachgespült. Die Randbedingungen der einzelnen Säulen sind in Tabelle \ref{tab:Bedingungen} aufgelistet. @@ -206,6 +13,4 @@ - - \begin{sidewaystable} @@ -259,5 +64,5 @@ -\subsection{Messgrößen} +\section{Messgrößen} Die Konzentration an CS$_2$ wurde mittels HPLC bestimmt und mittels UV(VIS)-Detektor bei 210nm bzw. 315nm gemessen, abhängig von der erwarteten Konzentration. Zur Auswertung standen vier Methoden zur Verfügung, die sich in der Wellenlänge der Messung und dem zu Grunde gelegten Kalibrierbereich unterschieden. Dadurch sollten Messungenauigkeiten gering gehalten werden. Proben mit einer Konzentration am Randbereich einer Kalibrierung wurden außerdem noch mit der zweiten passenden Methode gemessen. Die Proben wurden unmittelbar vor der Messung im Verhältnis $1/100$ mit Methanol verdünnt. Im Fall von milchig trüber Makroemulsion wurden die Probe in zwei Schritten verdünnt um eine einheitlichere Probe zu erhalten. Im ersten Schritt wurden 2ml Probe in 20ml Methanol gelöst und daraus wiederum $1/10$ weiterverdünnt. Index: /diplomarbeit/Kapitel_4.tex =================================================================== --- /diplomarbeit/Kapitel_4.tex (revision 210) +++ /diplomarbeit/Kapitel_4.tex (revision 211) @@ -2,31 +2,7 @@ \label{Ergebnisse S"aulen} -\section{Auswertung der Messungen} -\begin{figure} -\includegraphics{120620_col7+8} -\caption{Säulenversuche bei $2$\% Tensid und einer Fließrate von $1$ ml/min} -\label{7+8} -\end{figure} - -\begin{figure} -\includegraphics{120605_col9} -\caption{Säulenversuche bei $1$\% Tensid und einer Fließrate von $1$ ml/min} -\label{9} -\end{figure} - -\begin{figure} -\includegraphics{120605_col10+12} -\caption{Säulenversuche bei $1$\% Tensid und einer Fließrate von $0,5$ ml/min} -\label{10+12} -\end{figure} - - -Die Messergebnisse der einzelnen Versuche sind nachfolgend in drei Graphen zusammengefasst dargestellt. Abbildung \ref{7+8} fasst die ersten beiden Versuche (Säulen 29-34) zusammen. Für beide Versuche wurde eine Tensidlösung mit zwei Prozent Tensid zur Sanierung verwendet und eine Fließrate von 1ml/min eingestellt. Abbildung \ref{9} zeigt die Ergebnisse vom dritten Versuch (Säulen 35-38), der mit einer Fließrate von ebenfalls 1ml/min, aber mit einer nur einprozentigen Tensidlösung durchgeführt wurde. Abbildung \ref{10+12} zeigt die beiden letzten Versuche, die mit einer einprozentigen Tensidlösung bei einer reduzierten Fließrate von 0,5ml/min durchgeführt wurden. - - - -\subsection{Phasenverhalten in der S"aule} +\section{Phasenverhalten in der S"aule} %Säule $52$. Hier war nach Start der Sanierung ein Problem aufgetreten, so dass der Fluss mehrere Stunden unterbrochen wurde. Diese führte zu einer teilweisen Mobilisation. Nach wieder anfahren des Versuchs bildeten sich zwei Fronten. @@ -100,4 +76,31 @@ +\newpage +\section{Auswertung der Messungen} + +\begin{figure} +\includegraphics{120620_col7+8} +\caption{Säulenversuche bei $2$\% Tensid und einer Fließrate von $1$ ml/min} +\label{7+8} +\end{figure} + +\begin{figure} +\includegraphics{120605_col9} +\caption{Säulenversuche bei $1$\% Tensid und einer Fließrate von $1$ ml/min} +\label{9} +\end{figure} + +\begin{figure} +\includegraphics{120605_col10+12} +\caption{Säulenversuche bei $1$\% Tensid und einer Fließrate von $0,5$ ml/min} +\label{10+12} +\end{figure} + + + + +Die Messergebnisse der einzelnen Versuche sind nachfolgend in drei Graphen zusammengefasst dargestellt. Abbildung \ref{7+8} fasst die ersten beiden Versuche (Säulen 29-34) zusammen. Für beide Versuche wurde eine Tensidlösung mit zwei Prozent Tensid zur Sanierung verwendet und eine Fließrate von 1ml/min eingestellt. Abbildung \ref{9} zeigt die Ergebnisse vom dritten Versuch (Säulen 35-38), der mit einer Fließrate von ebenfalls 1ml/min, aber mit einer nur einprozentigen Tensidlösung durchgeführt wurde. Abbildung \ref{10+12} zeigt die beiden letzten Versuche, die mit einer einprozentigen Tensidlösung bei einer reduzierten Fließrate von 0,5ml/min durchgeführt wurden. + + @@ -109,5 +112,5 @@ %Verhalten Tensid: Quellen, klarer nachlauf, umschalten auf wasser, umschalten auf IPA -\subsection{Konzentration CS$_2$} +\subsubsection{Konzentration CS$_2$} Abbildung \ref{pic:abgefuellt} zeigt die abgefüllten Proben von Säule 35. Die erste Probe (im Bild ganz links) ist klar und nicht gefärbt. Hier ist noch kein Tensid enthalten. Die nächsten Proben zeigen die charakteristische weiß bis rosa gefärbte Emulsion. Hier sind die maximalen Konzentrationen an CS$_2$ enthalten. Die stark rot gefärbten Proben enthalten bereits wieder eine geringere CS$_2$-Konzentration (für die abgebildeten Proben 26g/L und 7g/L). Das Umschalten auf Wasser erfolgte, nachdem das Eluat keinen Farbstoff mehr enthielt, die Konzentrationen an CS$_2$ sind hier nicht mehr wesentlich erhöht (für die abgebildete Reihe 2g/L). Die letzte Probe ist wieder deutlich rosa gefärbt. Hier sind die Reste enthalten, die nicht von der Tensidspülung solubilisiert werden konnten und mit einer finalen Isopropanolspülung entfernt wurden (hier 6g/L). @@ -159,11 +162,13 @@ \begin{figure} -\includegraphics{col10_pd} -\caption{Verlauf von Relativdruck und Permeabilität über die Sanierung der Säulen 43 bis 46} +\centering +\includegraphics[scale=0.9]{col10_pd} +\caption{Verlauf von Relativdruck und Permeabilität über die Sanierung der Säulen 43 bis 45} \label{pic:pd10} \end{figure} \begin{figure} -\includegraphics{col12_pd} +\centering +\includegraphics[scale=0.9]{col12_pd} \caption{Verlauf von Relativdruck und Permeabilität über die Sanierung der Säulen 51 bis 54} \label{pic:pd12} @@ -171,96 +176,17 @@ +\section{Berechnung des Mobilisierungsrisikos - Anwendbarkeit auf das System} -\section{Str"omungsmodell} +Für die Berechnung der Trapping Number stellte sich das Problem, dass die Grenzflächenspannung nicht mittels eines Tropfenvolumentensiometers messbar war. Die Abschätzung nach Antonow über die Oberflächenspannung der leichten Phase und des reinem Schwefelkohlenstoffs erwies sich als unzureichend, da die so bestimmten Werte deutlich zu hoch lagen. +Mit dieser Berechnungsart wurden Grenzflächenminima von $3$ mN/m gefunden. Tatsächlich dürfte die Grenzflächenspannung noch deutlich kleiner sein, da Mobilisierung beobachtet wurde, welche in der Regel erst bei deutlich kleineren Werten auftritt. +%Noch mal nachrecherchieren ab wann es standartmäßig zu Mobilisierung kommt. childs findet 3,92mN/m groß. -Ein konkretes Modell zu entwickeln war mit den vorliegenden Daten nicht möglich. Dennoch soll hier das grundsätzliche Vorgehen zur Entwicklung eines solchen beschrieben werden, um die Vorgänge in den Säulen besser zu verstehen. - -\subsection{Trapping Number} -\label{nt} - -Die Trapping Number beschreibt das Kräftegleichgewicht zwischen Kapillarkräften, die den NAPL in den Porenräumen festhalten, und den viskosen und Gravitationskräften, die den Weitertransport fördern. -Sie ist in Gleichung \ref{eqn:trapping number} definiert nach \cite{Childs.2004}. -Mithilfe der Trapping-Number lässt sich eine Aussage darüber treffen, unter welchen Vorrausetzungen es zur Mobilisierung des DNAPLs kommt. Childs definiert hierzu sogenannte Trapping Curves, wo die Residualsättigung gegen die Grenzflächenspannung für eine variable Viskosität aufgetragen wird. Es können aber auch andere Parameter variiert werden, wie Grenzflächenspannung oder Fließrate. - -\begin{equation} -N_T = N_{Ca} + N_B -\label{eqn:trapping number} -\end{equation} - -Dabei ist $N_{Ca}$ die Kapillarzahl. Sie gibt das Verhältnis von Viskositätskräften zur Kapillarkräften an, wie in Gleichung \ref{eqn:capillary number} nach \cite{Childs.2004} dargestellt. -$N_B$ ist die Bondzahl. Sie drückt das Verhältnis von Auftriebs- zu Kapillarkräften aus, siehe Gleichung \ref{eqn:bond number} (nach \cite{Childs.2004}). Die oft großen Dichteunterschiede zwischen Öl- und Wasserphase werden durch sie berücksichtigt. - -\begin{equation} -N_{Ca}=\frac{q_a\mu_a}{\gamma} -\label{eqn:capillary number} -\end{equation} - -\begin{equation} -N_B=\frac{\Delta \rho g k k_{ra}}{\gamma} -\label{eqn:bond number} -\end{equation} - -\begin{tabular}{lcp{11cm}} -Hier ist:&\\ -&$q_a$ &die Filtergeschwindigkeit nach Darcy, in die die Permeabilität des Bodens und das hydraulische Gefälle eingehen,\\ -&$\mu_a$ &die dynamische Viskosität der wässrigen Phase,\\ -&$\gamma$ &die Grenzflächenspannung zwischen Wasser und Öl,\\ -&$\Delta\rho$ &die Dichtedifferenz zwischen Wasser und Öl,\\ -&g &die Erdbeschleunigung,\\ -&k &die intrinsische Permeabilität des Mediums\\ -&$k_{ra}$ &die relative Permeabilität von Wasser.\\ -\end{tabular} +Die Berechnung und Variation der Residualsättigung konnte nicht umgesetzt werden. Um die passenden Parameter zur Berechnung der Residualsättigung zu erhalten, sind entsprechende Versuche notwendig, siehe \cite{Li.2007}. Die Berechnung wie in Childs \cite{Childs.2004} verwendet, ist eine auf den dort verwendeten Sand und den DNAPL PCE angepasste nichtlineare Regression, wie beschrieben in \cite{Pennell.1996}. Obwohl zumindest der verwendete Sand dem von Childs verwendeten ähnelt, ist die Übertragung solcher auf nichtlinerarer Regression basierender Modelle auf andere Systeme schwierig, da ihre Lösung nicht immer eindeutig ist und außerdem gute Ausgangswerte benötigt werden. +\section{Zusammenfassung und Bewertung} -\vspace{\baselineskip} -%Die Residualsättigung kann durch anpassen der Van-Genuchten-Gleichung und Einsetzen der Trapping Number bestimmt werden. -Ist die Grenzflächenspannung nicht bekannt, kann sie näherungsweise aus den Oberflächenspannungen der beiden Phasen nach der Antonow'schen Regel bestimmt werden, siehe Gleichung \ref{eqn:Antonow} \cite{Merkwitz.1997}. - -\begin{equation} -\sigma^{gf} = \sigma_{a} - \sigma_{b} -\label{eqn:Antonow} -\end{equation} - -Die Antonow'sche Gleichung berücksichtigt jedoch nur die Kräfte zwischen Flüssigphase der einzelnen Phasen und deren Dampfphase. Die Oberflächen werden als eben angenommen und die Wechselwirkungen zwischen den flüssigen Phasen werden nicht beachtet. Dort treten Dispersion, Polarität und Wasserstoffbrückenbindungen auf. Sollen die Grenzflächenkräfte zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern berechnet werden ist zudem die Kenntnis des Kontaktwinkels nötig \cite{Kruss.2012}. %http://www.kruss.de/de/theorie/messungen/kontaktwinkel/einfuehrung.html -Da die Anteile der Wechselwirkungskräfte nicht bekannt sind, soll hier dennoch mit der Näherung von Antonow gerechnet werden. Zu bedenken ist, dass die berechnete Grenzflächenspannung größer sein dürfte, als die tatsächliche Grenzflächenspannung. - -Mit dieser Berechnungsart wurden Grenzflächenminima um $3$ mN/m gefunden. Tatsächlich dürfte die Grenzflächenspannung noch deutlich kleiner sein da Mobilisierung beobachtet wurde, welche in der Regel erst bei deutlich kleineren Werten auftritt. -%Noch mal nachrecherchieren ab wann es standartmäßig zu Mobilisierung kommt. childs findet 3,92mN/m groß. - -\subsection{Berechnung der Residualsättigung} - -Nach Li (\cite{Li.2007}) lässt sich aus der Trapping Number auf die die Residualsättigung zurückrechnen, wie in Gleichung \ref{eqn:Sn} dargestellt. So wird eine Relation zwischen den auf das Fluid einwirkenden Kräften und dem Austrag aus der Säule geschaffen. - -\begin{equation} -S_n = S_n^{min} +(S_n^{max} - S_n^{min})(1+(T_1N_t)^{T_2})^{1/T_2-1} -\label{eqn:Sn} -\end{equation} - -\begin{tabular}{ll} -Dabei ist:&\\ -&$S_n^{max}$ ist die Ausgangssättigung\\ -&$S_n^{min}$ ist die verbleibende Restsättigung\\ -&$T_1$ und $T_2$ sind Parameter, abhängig vom Aquifermaterial\\ -\end{tabular} - -\vspace{\baselineskip} - -$T_1$ bestimmt den Beginn der Mobilisierung. Bei kleinem $T_1$ tritt Mobilisierung erst bei hohen N$_t$-Werten auf. -$T_2$ bestimmt die Geschwindigkeit der Sanierung. Je größer $T_2$ ist, desto steiler ist die Kurve. - -Pennell \cite{Pennell.1996} hat in Sand ähnlicher Strucktur und Körnung für den DNAPL PCE die kritische Trappingnumber bestimmt als $2*10^{-5}$ - $5*10^{-5}$. -In dieser Größenordnung dürfte auch die kritische Trapping Number für das hier untersuchte System liegen. - -\subsection{Anwendbarkeit auf das System} - -Für die Berechnung der Trapping Number stellte sich das Problem, dass die Grenzflächenspannung nicht mittels eines Tropfenvolumentensiometers messbar war. Die Abschätzung über die Oberflächenspannung der leichten Phase und des reinem Schwefelkohlenstoffs erwies sich als unzureichend, da die so bestimmten Werte deutlich zu hoch lagen. -Die Berechnung und Variation der Strömung konnte nicht umgesetzt werden. Um die passenden Parameter zur Berechnung der Residualsättigung zu erhalten, sind entsprechende Versuche notwendig, siehe \cite{Li.2007}. Die Berechnung wie in Childs \cite{Childs.2004} verwendet, ist eine auf den dort verwendeten Sand und den DNAPL PCE über die Methode der kleinsten Quadrate (least squares method) angepasste nichtlineare Regression, wie beschrieben in \cite{Pennell.1996}. Obwohl zumindest der verwendete Sand dem von Childs verwendeten ähnelt, ist die Übertragung solcher auf nichtlinerarer Regression basierender Modelle auf andere Systeme schwierig, da ihre Lösung nicht immer eindeutig ist und außerdem gute Ausgangswerte benötigt werden. - - -\section{Zusammenfassung und Berwertung} - -Die Versuche zeigten, dass es möglich ist mit einer sehr niedrigen Tensidkonzentration von 1\%, einen großteil des residual vorliegenden CS$_2$ aus der Säule zu entfernen. Im Feinsand wurden hier etwas bessere Erfolge erzielt als im Mittelsand. Die Sanierungsrate lag im Feinsand durchschnittlich bei 80\%, im Mittelsand bei durchschnittlich 70\%. Auch der Austrag erfolgte im Feinsand schneller. So wurde hier nach zwei Porenvolumina 80\% des Gesamtaustrags erreicht, bei Mittelsand waren dagegen drei bis vier Porenvolumina nötig. -Erstaunlich war die, im Vergleich zu den Batchtest, deutlich erhöhte Solubilisierungsrate. Bei einer Tensidkonzentration von 1\% wurden in den Batchtest nur CS$_2$-Konzentrationen von weniger als 50g/L erreicht, in den Säulenversuchen lagen die Konzentrationen bei 200g/L und mehr. Da mit der anfänglich eigesetzen Tensidkonzentration von 2\% vergleichbare Werte erreicht wurden, lässt sich sagen, dass die Tensidkonzentration hier keinen großen Einfluss ausübt. Relevant ist dagegen die Art des verwendeten Sandes und die Fließrate. Im Mittelsand war eine Optimierung durch die niedrigere Fließrate möglich. Eine Erhöhung des Mobilisierungsrisikos konnte dagegen nicht festgestellt werden. Dieses wurde vorrangig verursacht, durch Inhomogenitäten im Sand. Die genauen Hintergründe die zur Entstehung von vertikaler Mobilisierung führen und die kritischen Fließrate bei der eine Wiederauflösung nicht mehr möglich ist, sind weiter zu untersuchen, vor allem auch für Feinsand, da hier auch bei einer Fließrate von 0,5ml/min noch keine Mobilisierung beobachtet werden konnte. Ebenso weitere Einflussgrößen, wie Grenzflächenspannung und Vikosität. Diese Parameter können in einer Trapping Number zusammengefasst werden, um die Berechnung des Mobilisierungsrisikos zu ermöglichen. +Die Versuche zeigten, dass es möglich ist mit einer sehr niedrigen Tensidkonzentration von 1\%, einen Großteil des residual vorliegenden CS$_2$ aus der Säule zu entfernen. Im Feinsand wurden hier etwas bessere Erfolge erzielt als im Mittelsand. Die analytisch bestimmte Wiederfindung lag im Feinsand durchschnittlich bei 80\%, im Mittelsand bei durchschnittlich 70\%. Auch der Austrag erfolgte im Feinsand schneller. So wurde hier nach zwei Porenvolumina 80\% des Gesamtaustrags erreicht, bei Mittelsand waren dagegen drei bis vier Porenvolumina nötig. +Erstaunlich war die, im Vergleich zu den Batchtest, deutlich erhöhte Solubilisierungsrate. Bei einer Tensidkonzentration von 1\% wurden in den Batchtest nur CS$_2$-Konzentrationen von weniger als 50g/L erreicht, in den Säulenversuchen lagen die Konzentrationen bei 200g/L und mehr. Da mit der anfänglich eigesetzen Tensidkonzentration von 2\% vergleichbare Werte erreicht wurden, lässt sich sagen, dass die Tensidkonzentration hier keinen großen Einfluss ausübt. Relevant ist dagegen die Art des verwendeten Sandes und die Fließrate. Im Mittelsand war eine Verbesserung der Solubilisierung durch die niedrigere Fließrate möglich. Eine gleichzeitige Erhöhung des Mobilisierungsrisikos konnte dabei nicht festgestellt werden. Dieses wurde vorrangig verursacht, durch Inhomogenitäten im Sand. Die genauen Hintergründe die zur Entstehung von vertikaler Mobilisierung führen und die kritischen Fließrate bei der eine Wiederauflösung nicht mehr möglich ist, sind weiter zu untersuchen, vor allem auch für Feinsand, da hier auch bei einer Fließrate von 0,5ml/min noch keine Mobilisierung beobachtet werden konnte. Ebenso weitere Einflussgrößen, wie Grenzflächenspannung und Vikosität. Diese Parameter können in einer Trapping Number zusammengefasst werden, um die Berechnung des Mobilisierungsrisikos zu ermöglichen.