Idrogeologia
Case study
Modellazione della decontaminazione elettrocinetica di terreni contaminati da metalli pesanti
Collaborazione
Tecnologie
COMSOL Multiphysics® | MATLAB® | PHT3D
La decontaminazione elettrocinetica
La bonifica elettrocinetica è una tecnica per la rimozione di contaminanti organici e inorganici, in particolare metalli pesanti, da terreni e sedimenti caratterizzati da bassa permeabilità idraulica.
Questa tecnica si basa sull’applicazione di un campo elettrico a bassa intensità per mobilitare e rimuovere i contaminanti. Tra le varie opzioni di trattamento disponibili, la bonifica elettrocinetica è riconosciuta come la più adatta per le matrici porose a bassa permeabilità idraulica. Può essere applicata sia in situ che ex situ, per diversi contaminanti, anche in combinazione con altre tecniche (ad esempio il fitorimedio).
Nelle applicazioni in piena scala, il campo elettrico viene applicato mediante gruppi di elettrodi collocati all’interno di pozzetti verticali a pareti porose inseriti nel materiale da trattare in cui viene fatta circolare acqua opportunamente condizionata (gli elettroliti).
La figura seguente mostra una tipica applicazione in situ della tecnologia di decontaminazione elettrocinetica:
Il campo elettrico induce il movimento di inquinanti, particelle cariche, ioni e del fluido all’interno dei pori del mezzo poroso verso gli elettrodi, grazie a tre principali meccanismi di trasporto:
- Elettroosmosi: il movimento del fluido nei pori del terreno
- Elettromigrazione: il trasporto di ioni o di complessi ionici in soluzione.
- Elettroforesi: il movimento di particelle cariche o colloidi.
L'applicazione di un campo elettrico a una matrice porosa determina anche una serie di effetti complessi che modificano la chimica del sistema. La modellazione di questi processi è spesso un compito assai complesso a causa dell'elevato numero di parametri e processi che avvengono simultaneamente. La complessità è dovuta soprattutto all'elevata non-linearità dei processi e alle reazioni geo-chimiche che si verificano durante la bonifica.
Probabilmente, la complessità dei processi che caratterizzano questa tipologia di trattamento è una delle principali ragioni per cui ad oggi le implementazioni in piena scala sono ancora in numero molto limitato.
La modellazione numerica mira a colmare queste lacune nel tentativo di costruire uno strumento di supporto alla valutazione, progettazione e ottimizzazione dei sistemi di bonifica elettrocinetica.
Obiettivi
- Sviluppare un modello in grado di simulare i processi di rimozione degli inquinanti nei sistemi di bonifica elettrocinetica
- Calibrare e validare il modello attraverso misure e dati di laboratorio e di campo
- Utilizzare il modello per la progettazione e dimensionamento dei sistemi per la bonifica in piena scala
Metodologia
I principali fenomeni modellati sono: (1) il trasporto degli inquinanti per diffusione, elettromigrazione ed elettroosmosi, (2) l'interazione tra inquinanti e il mezzo poroso (reazioni chimiche, precipitazione, dissoluzione, speciazione), (3) le reazioni che avvengono agli elettrodi (ad esempio, l'elettrolisi dell'acqua). Il calcolo delle reazioni geochimiche, sia all'equilibrio sia cinetiche, è simulato con il software PHREEQC che dispone di un ampio database di parametri di specie disciolte e in fase solida. Le equazioni di trasporto sono risolte con il metodo FEM (metodo degli elementi finiti) utilizzando software commerciali (ad esempio, COMSOL) o open source (ad esempio, FEniCS).
Risultati
Test e validazione del modello
Lo studio ha portato alla definizione di una metodologia per la progettazione di sistemi di bonifica elettrocinetica tramite simulazioni numeriche. Partendo dall'implementazione di un modello numerico per riprodurre i dati a scala di laboratorio, è stata realizzata una procedura di scale-up per la simulazione dei processi nei sistemi in piena scala.
Benefici delle simulazioni
Grazie al modello e alla metodologia sviluppata è possibile stimare facilmente i costi operativi e progettare/ottimizzare l'impianto.
Approfondimenti
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Sprocati R., Masi M., Muniruzzaman M., Rolle M. (2019). Modeling electrokinetic transport and biogeochemical reactions in porous media: A multidimensional Nernst–Planck–Poisson approach with PHREEQC coupling. Advances in water resources 127, 134-147. doi: 10.1016/j.advwatres.2019.03.011
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. (2017). Model-based optimization of field-scale electrokinetic treatment of dredged sediments. Chemical Engineering Journal, 328, 87-97. doi: 10.1016/j.cej.2017.07.004
Masi M., Ceccarini A., Iannelli R. (2017). Multispecies reactive transport modelling of electrokinetic remediation of harbour sediments. Journal of Hazardous Materials, 326, 187-196. doi: 10.1016/j.jhazmat.2016.12.032
Masi M., Iannelli R., Losito G. (2016). Ligand-enhanced electrokinetic remediation of metal-contaminated marine sediments with high acid buffering capacity. Environmental Science and Pollution Research, 23, 10566-10576. doi: 10.1007/s11356-015-5563-7
Iannelli R., Masi M., Ceccarini A., Ostuni M.B., Lageman R., Muntoni A., Spiga D., Polettini A., Marini A., Pomi R. (2015). Electrokinetic remediation of metal-polluted marine sediments: experimental investigation for plant design. Electrochimica Acta, 181, 146-159. doi: 10.1016/j.electacta.2015.04.093
Masi M., Losito G. (2015). Spectral induced polarization for monitoring electrokinetic remediation processes. Journal of Applied Geophysics, 123, 284-294. doi: 10.1016/j.jappgeo.2015.08.011