NAPL szennyezőanyagok migrációjának vizsgálata porózus közegben. Szakdolgozat

Átírás

1 Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Hidrogeológiai Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék NAPL szennyezőanyagok migrációjának vizsgálata porózus közegben Szakdolgozat Készítette: Zöld Magor Szakirány: Geokörnyezetmérnöki szakirány, BSC. Tanszéki konzulens: Dr. Zákányi Balázs tudományos segédmunkatárs Székely István tudományos segédmunkatárs Beadás dátuma: május 9. Miskolc,

2 Tartalom 1. Bevezetés NAPL anyagok tulajdonságai LNAPL DNAPL Fizikai tulajdonságok Kémiai tulajdonság Laboratóriumi mérések bemutatása Mérések eszközei és felhasznált anyagok Mérések eszközei: Mérésekhez felhasznált anyagok és a rendszer felállítása Használt földtani közeg paramétereinek megismerése Szemeloszlás Szivárgási tényező (k) Kation cserélő kapacitás Mésztartalom Talajvízáramlás beállítását szolgáló mérések bemutatása A kiválasztott szennyezőanyagokkal való mérések bemutatása Paraffinolaj Kloroform Jövőbeli tervek Összefoglalás Summary Köszönetnyilvánítás

3 Eredetiségi Nyilatkozat "Alulírott Zöld Magor, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a szakdolgozatban csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem." Miskolc, május a hallgató aláírása 3

4 1. Bevezetés A XX. század második felétől kezdődően, a vegyipar fejlődésével és a belső égésű motorok térhódításával párhuzamosan, azok a nemkívánatos, de jellemző velejárójaként megjelent a felszín alatti környezet szennyezése: tartályokból és energiaszállító- és egyéb technológiai vezetékekből, az üzemanyagok és vegyi anyagok elszivárogtak a talajba és a talajvízbe. A talajok és a felszín alatti vizek az emberiség fennmaradása szempontjából pótolhatatlan természeti erőforrást jelentenek. A termőtalaj szolgáltatja az élelmiszereink döntő részét, míg a felszín alatti vízbázisok szolgáltatják az ivóvíz jelentős részét az emberiség számára, így létfontosságú az emberi egészség, az ökoszisztéma és a környezeti elemek fokozott védelme. A szénhidrogének, halogénezett szénhidrogének környezeti elemekre és az élővilágra kifejtett káros hatásainak felismerése és kezelése körülbelül évvel ezelőtt kezdődött a világon, hazánkban 20 évvel ezelőtt. A fejlett országokban szabályozták a halogénezett szerves vegyületek forgalmazását, kezelését, sőt egyes vegyületek gyártását és forgalmazását be is tiltották (Markóné, 2001). A halogénezett szerves vegyületek vízben általában rosszul oldódnak, ez az egyik oka annak, hogy biológiai úton nehezen bomlanak le, ezért a természetes tisztulásuk igen lassú. Ennek a következménye, hogy az évtizedekkel ezelőtti szennyeződések a mai napig kimutathatók, többnyire az eredetileg szennyezett területnél szélesebb környezetben (Kueper et al., 2003). Emberi beavatkozás nélkül még igen hosszú ideig várhatnánk e környezeti szennyezők természetes eltűnésére. A szennyeződés mennyiségének csökkentése érdekében, mind a talaj- és talajvíz-helyreállítási feladatnak két alapvető megoldása alkalmazható: a talaj kitermelése után a helyszínen (on-site) vagy attól távolabb (ex-situ) végzett ártalmatlanítást és tisztított közeg visszatáplálását, továbbá a helyben (in-situ), tehát a talaj felszíne alatt végzett kezelést (Markóné, 2001; Filep et al., 2002). Az utóbbi két évtizedben egyre több korszerű in-situ kármentesítési technológia kerül/t alkalmazásra, illetve egyre több tapasztalat áll rendelkezésre ezekkel kapcsolatban. Az insitu technológiák előnye a kisebb költség, hátránya, hogy nehezebben ellenőrizhetők és sokkal jobban függnek a helyi adottságoktól. Ezek ellenére a nemzetközi trendek azt mutatják, hogy ezeknél a speciális szennyezőanyagoknál a helyszíni beavatkozások 4

5 kerülnek előtérbe. Tekintettel a felszín alatti rétegek heterogenitására és komplex hidrogeológiai viszonyaira, a talaj és a talajvíz megtisztítására alkalmas módszer kiválasztása, a technológia megtervezése a helyszín igen gondos geológiai feltérképezése, az áramlási viszonyok ismeretét, a szennyezők koncentrációinak mérését, a különböző szempontok egyeztetését és minden esetben előzetes laboratóriumi és kísérleti üzemi vizsgálatok elvégzését igényli (Halmóczki, Gondi, 2010). Hazánkban, az Észak-Magyarországi Régióban jelenleg is jelentős működő vegyipari vállalatok helyezkednek el. Emellett számos múltbeli és jelenleg zajló nehézipari és ipari tevékenység környezeti hatásai komoly kockázatokat jelentenek a környezeti elemekre, így a felszín alatti vízkészletekre is. Például a klórozott szénhidrogénekkel szennyezett területeken (több százra tehető ezek száma) a sekély felszín alatti víz (talajvíz) mellett mélyebb víztartók elszennyeződésével is számolni kell (pl. Tiszaújváros), ami esetenként vízbázisok vízminőségét is veszélyeztetheti, amint azt az elmúlt évtizedek tapasztalatai megerősítenek. A környezeti elemeket érintő megörökölt ipari és bányászati eredetű szennyezések feltárása és felszámolása még napjainkban is tart. Dolgozatom célja, hogy az LNAPL (Light Non-Aqueous Phase Liquid víznél kisebb sűrűségű folyadékfázis) és DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid víznél nagyobb sűrűségű folyadékfázis) típusú szennyezőanyagok terjedését, megközelítően valós vízáramlás mellett homogén közegben szabályozott laboratóriumi körülmények között szimuláljuk. A mérések során hozzávetőleges képet kapunk ezeknek a szennyezőknek a viselkedéséről azt követően, hogy a talajba kerülnek és bekövetkezik a szennyezés. A szennyezés bekövetkeztétől eltelt idő és a talajba került szennyezőanyag típusától és annak mennyiségétől függően jó megközelítéssel következtethetünk a szennyező csóva méretére, kiterjedésére, annak irányára és sebességére egyaránt. Ezek az információk elengedhetetlenek a szennyezet terület megismerése és kármentesítése szempontjából, valamint a numerikus szimulációkat validálásánál is. 5

6 2. NAPL anyagok tulajdonságai A kiömlő és a talajokba beszivárgó kőolajszármazékok jelentős hányada szabad formájú, önálló folyadékfázisként (Non-Aqueous Phase Liquid: NAPL) fordulhat elő a talaj-talajvíz rendszerben. Az önálló szerves folyadékfázis vertikális és horizontális irányú terjedésének sebessége a talaj porozitásától és a porozitással összefüggő- áteresztőképességtől függ (1. ábra). Valamely kevésbé áteresztő talajréteg szivárgási keresztmetszet szétterülését eredményezi. Jobb áteresztőképeeségű talajréteghez érve azután újra csökken a szivárgási keresztmetszet (1. ábra). Nagyobb mennyiségű szennyezőolaj esetén a kiömlő folyadéktömeg nyomása felgyorsítja a telítetlen talajrétegeken történő átszivárgást (DePastrovitch et al., 1979; Dracos, 1987). 1. ábra A kőolajszármazékok beszivárgása különböző típusú talajokba és talajrétegekbe (saját szerkesztés) A szénhidrogének és származékainak vándorlása szempontjából a porozitáson és az áteresztőképességen túl még nagy jelentőségű paraméter a a telítetlen talajrétegek nedvességtartalma. Teljesen száraz talajokban a kőolajszármazékok jól megkötődnek a talaj szilárd fázisának felületein, míg a nedves vagy részlegesen nedves talajokban a megkötődést erősen korlátozza a részecskék felületén lévő hidrátburok, így a nedves talajréteg szénhidrogén visszatartó képessége kisebb lesz (Makó & Hernádi., 2012). Az NAPL vegyületek terjedését döntően a viszkozitásuk és sűrűségük határozza meg. Utóbbi alapján további két csoportra bonthatjuk őket: víznél kisebb sűrűségű folyadékfázisra, LNAPL (Light Non-Aqueous Phase Liquid) és 6

7 víznél nagyobb sűrűségű folyadékfázisra, DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid) LNAPL A víznél könnyebb - nem víz - fázisú szennyezők a felszín alatti vizek mozgását követi azok felszínén. Ezeket a halogéntartalmú szerves szennyezőket hívjuk LNAPL-nek (pl.: benzol, bizonyos olajfajták, benzin, gázolaj), amely az angol nyelvű Light Non-Aqueous Phase Liquid kifejezés rövidítése. A szennyező csóva akkor juthat el a talajvízszintig, ha a beszivárgó szénhidrogén mennyisége nagyobb, mint a talajrétegek szénhidrogén visszatartó képessége. A talajvíz irányába szivárgó szennyezőanyag először a talajvízszint fölött elhelyezkedő kapilláris zónát éri el. A talajvízszint és a kapilláris zóna felső határa a közötti távolság a talajréteg szemcseösszetételétől függ. A kapilláris zóna vastagsága finomszemcsés (pl.: iszap, agyag) talajokban nagyobb, durvább szemcséjű talajokban kisebb (pl.: homok, kavics). Ha a szénhidrogén a kapilláris zónába jut, akkor először kitölti a szabad pórusokat (vízzel nem telített) és a beszivárgás mértékétől függően a vízzel telt pórusok egy részéből kiszorítja, majd a feleslegben lévő szénhidrogén folyamatosan szétterül olajlencsét képezve a talajvízszint felett. Az olajlencse szétterülése és annak alakja az adott talajréteg paramétereitől úgy, mint szemcseösszetételtől, áteresztőképességtől valamint az olajbeszivárgás mértékétől és a talajvízviszonyoktól függ, továbbá fontos tudnunk, hogy az olajlencse további mozgását a talajvíz áramlási sebessége és iránya határozza meg. Ezek az LNAPL szennyezőkre igaz, melyek a víznél kisebb sűrűséggel rendelkeznek. Általában a szénhidrogének viszkozitása nagyobb a vízénél, a fajlagos tömege kisebb, ezért a talajrétegek áteresztőképessége ezekre a folyadékokra a vízéhez képest kisebb, áramlásuk a víz áramlásához viszonyítva pedig lassabb lesz a talajvíz áramlási irányával megegyezően. Az olajlencse szétterülése és elmozdulása a talajvíz felszínén addig tart (többnyire horizontális irányban), míg a szénhidrogénnel szennyezett talajréteg olajtartalma ki nem egyenlítődik az adott réteg szénhidrogén visszatartó képességével. Ezt követően a szénhidrogén önálló fázisban történő mozgása megáll, megszűnik és a szennyezőanyag vándorlása lassabb mértékben folytatódik gáz- és vízfázisban. A talajvízszint periodikusan változik, így a víztükör felszínén úszó szennyező fázis korábban el nem szennyezett talajrétegeket érinthet. Ekkor a szabad fázisú szénhidrogén mennyisége csökken, a szilárd fázis felületén megkötődő szennyezőanyag mennyisége pedig nő. A 7

8 talajvízszint ingadozása hozzájárulhat a szénhidrogént tartalmazó elzárt pórusok ideiglenes megnyílását és a kötött formájú szénhidrogének szabad formájú szénhidrogénekké alakulását. LNAPL szennyező bejutása a talajba. 2. ábra Az LNAPL típusú szennyezőanyagok idealizált mozgása a talajban (Makó & Hernádi., 2012) 2.2. DNAPL A víznél nagyobb sűrűségű kőolajszármazékok (DNAPL) terjedése a földtani közegben más, mint az imént említett LNAPL-ek esetében. Az ilyen szennyezőknél nem 8

9 úszófázisról, hanem süllyedő fázisról beszélünk (3. ábra). Mivel sűrűségük nagyobb a vizénél a szennyező csóva vertikális terjedése nem áll meg a talajvízszintnél, hanem tovább süllyed a vízzáró réteg lejtésviszonyától és a záróréteg repedezettségétől függően. 3. ábra DNAPL szennyezőanyagok terjedésének sematikus ábrája (Zákányi, 2013) Azt a nagy kapilláris és szorpciós erőkkel visszatartott folyadékmennyiséget, amelynél az adott folyadékra vonatkoztatott relatív áteresztőképesség nulla, maradványtelítettségnek nevezzük. A talajok maradványtelítettségét tehát egy immobilisnak tekinthető folyadékmennyiség, amely az adott folyadékra vonatkozó telítettség növekedésével vagy a határfelületi erők megváltoztatásával- mobilizálható újra. Ezekből következik az is, hogy a maradvány telítettség értéke a nedvesítő folyadékra nagyobb, nem nedvesítő folyadékra pedig kisebb. Akárhány folyadékfázis található egy rendszerben, annyiféle maradványtelítettség jellemzi a rendszert. (Makó & Hernádi., 2012) 9

10 A szénhidrogének mozgása bármely földtani közegben a közeg tulajdonságain felül az szennyezők fizikai, kémia tulajdonságaik nagyban meghatározzák Fizikai tulajdonságok Halmazállapot A szénhidrogénszármazékok molekulatömegük alapján a kis molekulatömegűek gázok, a közepes molekulatömegűek folyadékok, a nagy molekula tömegűek pedig szilárd halmazállapotúak. Sűrűség A sűrűség (vagy fajlagos tömeg) az egyik legfontosabb paraméter a nem vizes folyadékfázis (LNAPL) szennyező vertikális mozgását illetően. Ezeknek a szennyezőknek az értékét elsődlegesen a szerves folyadék kémiai tulajdonságai (molekula tömeg e és szerkezete) határozza meg, de nagyban befolyásolja a hőmérséklet is. A hőmérséklet változásával előfordulhat, hogy a víznél nehezebb szennyező víznél könnyebbé válik. Felületi feszültség Az egyik legfontosabb fizikai, kémiai paraméter, amely a felszín alatti többfázisú folyadékok migrációját, mozgását jellemzi. Ha egy folyadék más anyaggal (vele nem elegyedő folyadékkel, gázzal vagy szilárd fázissal) érintkezik, akkor köztük szabad határfelületi energia lép fel. A határfelületi feszültséget befolyásolja a felszín alatti közegben áramló fluidumok hőmérséklete és kémhatása. A folyadék érintkezve szilárd felülettel egy alfa szöget zárnak, melynek nagysága megmutatja a folyadék felületi feszültségét (4. ábra). Minél kisebb ez a szög, annál jobb a fluidum nedvesítő képessége. 4. ábra Felületi feszültségek megjelenési formái (szerző szerkesztése) 10

11 Nedvesítő képesség A nedvesítő képesség a folyadékok szilárd részecskék felületén való megkötődésének hajlamát jellemzi, ahol a két folyadék közül a jobban nedvesítő folyadék terül szét a szilárd fázis felületén, kiszorítva a kevésbé nedvesítő folyadékot. A talajban egy szerves folyadék egy másik folyadékkal való elegyedését nagymértékben befolyásolja a szerves folyadék nedvesítő képessége. Többfázisú folyadékáramlás esetén a nedvesítő folyadék a kisebb pórusokat is kitölti, míg a nem nedvesítő folyadék csak a nagyobb pórusterekbe jut be. A telítetlen zónában, ahol a talaj szilárd szemcséi között levegő, víz és szerves fluidum (pl.: NAPL) is van, ott a nedvesítő folyadék ásványi szemcséket von be és a pórustérből fokozatosan kiszorítja a levegőt. A nedvesítés a folyadékok és a szilárd felület tulajdonságaitól függ. 5. ábra Nedvesítő képesség mértéke kontaktszög függvényében. (szerző szerkesztése) Az illeszkedési szög (kontaktszög, θ) az a szög, amelyet az áramló fluidumok (folyékony vagy gáznemű) felülete és a szilárd fázis felülete zár be ott, ahol a három fázis találkozik. Ha a kontaktszög kisebb, mint 90, akkor a folyadék nem nedvesítő, ha pedig nagyobb a kontaktszög, mint 90, akkor a folyadék nedvesítő (5. ábra). Viszkozitás Az abszolút dinamikai viszkozitás (cp vagy Pa s; 1 cp (centipoise) = 1 m Pa s) a folyadékoknak azt a tulajdonságát fejezi ki, hogy bennük a szomszédos rétegek közötti lamináris elmozdulást mekkora ellenállás (belső surlódás) gátolja. A folyadékok dinamikai viszkozitásának és fajlagos tömegének hányadosaként származtatott ún. kinematikai viszkozitás (sct vagy m 2 s -1 ; 1cSt (centistokes) = 10-6 m 2 s -1 ) a vizes fázistól elváló szénhidrogénfázis (NAPL) mozgékonyságának a dinamikai viszkozitásánál jobb jellemzője, hiszen a folyadék viszkozitásának és fajlagos tömegének együttes hatását fejezi 11

12 ki (Makó & Hernádi., 2012) Minél nagyobb molekulamérettel, molekula összetettséggel és polaritással rendelkezik a molekula, annál nagyobb a szerves folyadékok abszolút viszkozitása. A folyadékok mozgékonysága a viszkozitás függvényében úgy jellemezhető, hogy a kisebb kinematikai viszkozitású folyadékok gyorsabban terjednek a talajban, mint a nagyobb viszkozitásúak. Ebből következik, hogy az aromás vegyületek és például a benzin mobilisabbak, mint a kerozin, gázolaj vagy más viszkózusabb olajok a víznél lassabban szivárognak a talajban Kémiai tulajdonság A halogénezett szénhidrogének elméletben is, de gyakorlati szempontból talán még fontosabb. Mivel reakcióképes vegyületek, nagyobb alkalmazást nyernek kiindulási anyagként laboratóriumi és ipari vonatkozásban, ez a tulajdonság komoly problémákat okoz a földtani közegben vagy felszín alatti vízben. Ha több ilyen szennyezőanyag van jelen, akkor azok reakcióba léphetnek és további veszélyes vegyületeket alkothatnak. (Furka, 1988). Halogénezett szénhidrogének legfontosabb reakciói a szubsztitúciós reakciók, melyek során a halogénatom egy másik atomra vagy atomcsoportra cserélődik ki. Az ilyen reakcióknál, amelyekben a támadó reagens szolgáltatja az új kötéshez az elektronpárt, az ún. távozó csoport pedig magával viszi kötő elektronpárját, nukleofil szubsztituciós reakciónak nevezzük (Furka, 1988., Atkins, 2002). Eliminációs reakciók: A halogénezett szénhidrogéneken erős bázis (vagy erős hevítés) hatására olyan reakció is végbemehet, amelyek során lehasad a halogénatom és vele a szomszédos (ritkábban az azonos vagy a szomszédosnál távolabbi) szénatomról egy hidrogénatom. Az ilyen átalakulásokat, amelyek során egy szerves vegyületből két atom vagy atomcsoport hasad le (anélkül, hogy helyükre más szubsztituensek lépnének), eliminációs reakciónak nevezzük (Furka, 1988). A klórozott szerves vegyületek által okozott környezeti károk a felszín alatti víz szennyeződését okozzák. Mikrobiológiai úton elvileg lebonthatók. Például a klóretilének közül a tetraklór-etilén aerob viszonyok között, oxigén jelenlétében nem, vagy alig lebontható. A klóretilének lebomlásához anaerob körülmények szükségesek (KvVM, 2010). 12

13 Szorpció A szorpció magában foglal két folyamatot: az elsőnél a szennyeződés a szilárd anyag felületén kötődik meg (adszorpció), míg a másodiknál a talaj belsejében oldódik (abszorpció). Az adszorpción olyan folyamatot értünk. Amelynek során szilárd anyag (adszorbens) gáz vagy folyadék elegyből egy vagy több komponenst a felületén megköt (elnyel). Az elnyeletett anyagot adszorbeáltatott komponensnek, adszorptívumnak vagy adszorbeátumnak nevezzük. Gázok vagy gőzök elnyeletése gázelegyekből vagy gőz-gázelegyekből folyadékkal (abszorbenssel). Fizikai abszorpció: az elnyeletett gáz (komponens) nem lép kémiai reakcióba az abszorbenssel. Kemiszorpció: ha az elnyeletett komponens az abszorbenssel kémiai vegyületet képez. A fizikai szorpció az esetek többségében megfordítható, azaz az elnyeletett gázok kinyerését hívjuk deszorpciónak. A halogénezett szénhidrogének, mint döntően apoláros vegyületek, elsősorban a talaj szerves anyagaihoz kötődnek. E szennyezők talaj és víz közti megoszlása függ az apolaritás mértékétől, amelyet az oktanol/víz dimenzió nélküli megoszlási hányadossal (K ow ) szoktak jellemezni. Minél nagyobb ez a szám, annál rosszabbul oldódik az illető vegyület vízben (Markóné, 2001, Atkins, 2002; Montgomery, 2007). 13

14 3. Laboratóriumi mérések bemutatása A laboratóriumi mérések célja egy homokkal telített modellező akváriumban lévő vízáramlási sebesség élethű reprodukálása adott közegre, illetve ebben a közegben feladott LNAPL (Light Non-Aqueous Phase Liquid) és DNAPL (Dense Non-Aqueous Phase Liquid) típusú szennyezőanyagok terjedésének tér- és időbeli változásának vizsgálata és bemutatása. A kísérleteket a Miskolci Egyetem Hidrogeólógiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék laboratóriumában végeztem az egyetem műhelycsarnokában. Elsősorban a méréshez szükséges eszközöket és a felhasznált anyagokat mutatom be, majd a közeg paramétereit és az első méréseket, melyek a mérőakváriumban lévő optimális talajvízáramlás beállítására irányulnak Mérések eszközei és felhasznált anyagok Mérések eszközei: A laboratóriumi vizsgálatokhoz a következő mérőeszközöket használtam fel. Üveg akvárium (70cm*35cm*10cm; 0,5cm-es falcastagság) Üvegtölcsér Perisztaltikus puma Vízszállató szilikon csövek Termelő és visszasajtoló kutak (l= 35cm; d=32mm; szűrőzött, perforált PVC cső). 6. ábra A mérésekhez szükséges eszközök (szerző szerkesztése) Mérésekhez felhasznált anyagok és a rendszer felállítása A méréseket előkészítve 0,8mm szemcseátmérőjű osztályozott homokot használtam az akvárium feltöltésére, majd annak vízzel való telítésével hoztam létre a közegben alul 14

15 telített 2 fázisú zónát (homok, víz), felül pedig telítetlen 3 fázisú zónát (homok, víz, levegő), ahogy az a természetes közegben is előfordul. A vízszint az akváriumban a homokoszlop magasságának körülbelül 80% -ára állítottam be. Az előzetes mérésekben a perisztaltikus szivattyú fordulatszámának változtatásával (RPM±) a fentebb említettek alapján a természetes állapotú közegben való talajvízáramlást szerettem volna megközelíteni. Ezekhez a mérésekhez nyomjelzett, ételfestékkel színezett vizet használtam, amelyet egy üvegtölcséren keresztül adagoltam a rendszerbe. A perisztaltikus pumpával generált talajvízáramlást úgy szimuláltam, hogy az akvárium két szélénél teljes mélységben leengedett és az akvárium falára erősített egy-egy szívó- és töltő szilikon cső lett elhelyezve, melyek keresztirányba be voltak vagdalva a szívóhatás egyenletes elérése miatt.(ábra) Ezt a megoldást a további mérések során kutakat szimuláló szűrőzött perforált csövekkel helyetesítettem a talajvíz jobb áramlása végett. 7. ábra A rendszer első felállítása 15

16 3.2. Használt földtani közeg paramétereinek megismerése Szemeloszlás A szemeloszlási vizsgálat célja a talajmintát alkotó szemcsék nagyságának és egyes szemcsehatárok közötti szemcsék tömegszázalékának meghatározása. A szemeloszlási vizsgálat eredményei adják a szemeloszlási, összegző görbét, ami megmutatja, hogy egy bizonyos átmérőjű szemcsénél kisebb szemcsék milyen tömegszázalékban vannak jelen a szemcsehalmazban. A szemeloszlási görbét a szemilogaritmikus beosztású x tengely (amin a szemcseméretet ábrázoljuk mm-ben) és a százalékos beosztású y tengely (amin a tömegszázalékot ábrázoljuk %-ban) értékeinek ábrázolásával adjuk meg. A szemcsehalmazt alkotó szemcsék méretének meghatározására durvaszemcsék esetén szitálást vagy rostálást alkalmazunk, míg a finomabb szemcsék méretének meghatározása hidrometrálással (iszapolással) történik. A mérés menete A vizsgálni kívánt mintát szárítószekrényben 24 órán keresztül 105 C-on szárítottam ki, hogy a szemcsék ne tapadjanak össze a szemcsék osztályozása közben. A szemcseméret eloszlásának meghatározása száraz szitálással történt. Egymásba ágyazott, fentről lefelé csökkenő lyukátmérővel rendelkező (1,6 mm-es; 0,8 mm-es; 0,4 mm-es; 0,2 mm-es; 0,1 mm-es és 0,063 mm-es) dobsziták oldalirányú, kézzel való mozgatásával szitáltam le az 500 g tömegű mintát, amelyet az akváriumból több helyről vételeztem, majd annak rendje, módja szerint lemértem minden szitasoron fennmaradt minta tömegét. A szitálás során kapott eredményeket az alábbi táblázat mutatja. 1. táblázat A szitálás eredménye Szitasor lyukátmérő Fennmaradt Össz. fennmaradt Össz. átesett (mm) (g) (%) (%) (%) 1,6 2,45 0,49 0,49 99,51 0,8 494,92 98,98 99,47 0,53 0,4 2,08 0,42 99,89 0,11 0,2 0,05 0,01 99,9 0,1 0,1 0,5 0, A fentiek alapján a vízszintes tengelyen a szemcseátmérőt (d) szemilogaritmikus beosztásban, a függőleges tengelyen pedig az egyes szemcsefrakciók tömegszázalékát (súlyszázalékban megadva) ábrázoltam. 16

17 ahol: G i a vizsgált szemcsenagyságú frakció száraz súlya G 0 az egész halmaz száraz súlya Az eredményeket ábrázolva a S i (d) függvényre lépcsős diagramot kapunk. Ez az úgynevezett gyakorisági görbe, mert az egyes szemnagyságok előfordulásának gyakoriságát fejezi ki %-ban. A gyakorisági görbe maximumához tartozó szemnagyság adja meg a halmaz mértékadó szemcseátmérőjét. Ennél több információt a szemcsehalmaz szemeloszlási görbéje tartalmaz, melyet szintén logaritmikus koordináta rendszerben ábrázolunk. A szemeloszlási görbét a gyakorisági lépcsők összeadásával nyerjük. Az így kapott diagram azután kiegyenlíthető. Ha a legkisebb szemcsenagyságtól indulunk ki, akkor az adott szemcseátmérőnél, a szemcse kisebb szemek előfordulási hányadát olvashatjuk le a függőleges tengelyről, ha viszont a legnagyobbtól indulunk, akkor a szemcsénél nagyobb szemek előfordulási hányadát olvashatjuk le. Szemeloszlási görbe jellegzetes pontjai és eredmények A szemeloszlási görbe a maximális szemnagyságtól vízszintes érintővel indul, majd lefelé halad egy vagy több inflexióval, majd a vízszintes tengelyhez aszimptotikusan közelít, mert elméletileg végtelen kicsiny szemcsék is előfordulnak a halmazban. A görbe lefutásának, meredekségének jellemzésére az ún. egyenlőtlenségi együtthatót használjuk fel: 1,19 ahol: d 60 azon a szemcsék átmérője, amelyeknél 60% a finomabb szemcse, d 10 azon a szemcsék átmérője, amelyeknél 10% a finomabb szemcse. A szemeloszlási görbe jellemzője a mértékadó szemcseátmérő (d m =0,8), amely a halmazban lévő legnagyobb relatív gyakorisággal előforduló szemcsefrakció átlagos átmérőjét jelenti. Görbéről leolvasott, 50%-hoz tartozó szemcseátmérő érték. 17

18 8. ábra A minta szemeloszlási görbéje (durva homok. (szerző szerkesztése) A feladott minta 98,98%-ban a 0,8mm-es lyukátmérőjű szitasoron maradt fenn, ami határozott homogenitást mutat. Az eredmény rendhagyó jellegét az magyarázza, hogy a kísérletekhez felhasznált minta eleve 0,8mm-es ipari osztályozott kvarchomok volt. A vizsgálatok eredményét a szemeloszlási görbe adja meg, oly módon, hogy az egyes szemcseátmérőknél kisebb szemcsék tömegét viszonyítjuk a vizsgált minta teljes tömegéhez. A vizsgált minta szemeloszlási görbéjét piros színnel tüntettem fel Szivárgási tényező (k) A szivárgási tényező a talajok, kőzetek vízszállítási jellemzője. Értékét befolyásolja a szemcsék mérete, a szemcsék alakja, a szemcsékkel kitöltött áramlási tér, a réteg tömörsége, és az átáramló folyadék tulajdonságai. A szemcseméret növekedésével nő a közeg hézagtérfogata és ebből következően a szivárgási tényező mértéke is. Jele: k, mértékegysége: [m/s]. A szivárgási tényező laboratóriumi meghatározáshoz merevfalú (állandó víznyomású) permeabimétert használtam, mely szemcsés talajok szivárgási tényezőjének meghatározására alkalmas. A mintán időegység alatt átszivárgó víz térfogatát mértem állandó hidraulikus gradiens mellett. 18

19 Méréshez szükséges eszközök merevfalú permeabiméter nyomócső és álványa, locsolócső, mérleg, mérőszalag, óra gyors szivárgás esetén HD kamera rögzítésre és visszanézésre. 9. ábra Állandó nyomású permeabiméter működés közben. Előkészítés Minta betöltése és tömörítése a permeabiméterbe, fedél ráerősítése; Nyomócső csatlakoztatása a permeabiméterhez; A minta vízzel való telítése bürettán keresztül; Rendszer légtelenítése; A permeabiméter, a nyomócső, a minta paramétereinek és a vízoszlop magasságának (a permeabiméter aljának síkjától mérve) meghatározása a szükséges számításokhoz (2. táblázat). A mérés előkészítésnél mért és számított eredményeket a 2. táblázat mutatja. 19

20 2. táblázat Mért és számított adatok Mért adatok l (minta hossza) 23,9 [cm] F minta (minta felülete) 24,63 [cm 2 ] f (üvegcső felülete) 11,3411 [cm 2 ] H 45,4 [cm] G össz. (minta össztömege) 1000 [g] G maradék (beépítés után maradt tömeg) 59 [g] r 2,8 [cm] ρ sz 2,75 [g/cm 3 ] Számított adatok V 588,66 [cm 3 ] G0 941 [g] e 0,72 [%] n 0,42 [%] A mérés menete és kiértékelése A bürettát teljesen felöntöttem vízzel, és amikor a vízszint elérte a skála tetejét elindítottam a stoppert, amit figyelve 5-10 másodpercenként leolvastam a vízszint állását, míg az a skála aljára nem ért befejezve a mérést. Az időközönként lejegyzett vízállásokat az alábbi táblázatban foglaltam össze. 3. táblázat A szivárgási tényező mérési eredményei eltelt idő [s] vízszint nyomásszint h 0 /h i log h 0 /h i k [cm/s] k [m/s] , ,6 68 1,0353 0,0151 0,127 1, ,3 65,7 1,0715 0,0300 0,1265 1, ,2 63,6 1,1069 0,0441 0,1240 1, ,5 61,9 1,1373 0,0559 0,1178 1, ,5 59,9 1,1753 0,0701 0,1183 1, ,7 58,1 1,2117 0,0834 0,1172 1, ,4 1,2482 0,0963 0,116 1, ,5 54,9 1,2823 0,1080 0,1139 1, ,4 1,3184 0,1200 0,1125 1, ,5 51,9 1,3565 0,1324 0,1117 1, ,2 50,6 1,3913 0,1434 0,1100 1, ,9 49,3 1,4280 0,1547 0,1087 1, ,7 48,1 1,4636 0,1654 0,1073 1, ,5 46,9 1,5011 0,1764 0,1063 1, Két fajta grafikus kiértékelési módszere van a laboratóriumi szivárgási tényező vizsgálatoknak. Ebből az elsőnél az alábbi képlettel meghatározzuk a különböző 20

21 k [m/s] időpontokhoz tartozó k szivárgási tényező értékeket és ezeket az eredményeket az idő függvényében ábrázoljuk (10. ábra). ahol: f : a nyomócső keresztmetszete, l : a talajminta hossza, F : a talajminta keresztmetszete, h 0 : kezdeti vízszint, h 1 : mért vízszint. 0, , , , ,0012 0, , , , idő [s] 10. ábra A szivárgási tényező első kiértékelési módjához készített diagram A másik kiértékelési módnál egy koordináta-rendszerben az idő függvényében feltüntettem a értékeit (11. ábra), a kapott pontokra pedig illesztettem egy jól illeszkedő egyenest. Az egyenesre egy pontosan ráeső pont értékeinek leolvasásával (esetemben: y=0,09629; x=21s) és azok hányadosát véve ( ) megkapom az egyenes vízszintessel bezárt szögének kotangensét, melyből végleges szivárgási tényezőt tudok számolni: 21

22 log(h0/hi). 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0, idő [s] 11. ábra szivárgási tényező meghatározásának másik módszeréhez alkalmazott diagram Kation cserélő kapacitás A kicserélhető kationokat 8,1 ph-értékre beállított 0,1mol/l-es BaCl 2 oldattal szorítottam ki a talajmintából. A minta és a kicserélő oldat aránya 1 : 25. A kicserélődés folyamata 4 órát vesz igénybe. A kicserélő oldatot analitikai tisztaságú homokkal rétegzett talajoszlopon szivárogtattam át, vagy a vizsgálatra előkészített talaj és a kicserélő oldat szuszpenzióját hozzuk egyensúlyba. A mérés végeztével a szilárd- és folyadékfázis elválasztása után az oldatból meghatároztam a kicserélt fémkationok mennyiségét. A mérés menete Két egyforma mérési elrendezést alakítottunk ki. Az állványok segítségével rögzítettük a kémcsöveket, melyek aljára egy porcelánlemezt és erre egy szűrőpapírt helyezünk, amire a mérni kívánt anyag került. A kémcsövek aljára gumicsövet erősítettünk, ami a mintán átcsöpögő oldatokat vezeti a kémcsövek alatt elhelyezett lombikokba. Az első mérőállás kémcsövébe sósavban kifőzött 3*10g finom kvarchomokot tettünk, a második mérőálláséba pedig két kvarchomok réteg közé raktuk be az akváriumból 22

23 származó talajmintát. Két mérést végzünk párhuzamosan, egy - egy mérés három szakaszból állt. 12. ábra Kationcserélődés mérőállásának részei (szerző szerkesztése) ahol: 1 nátronmeszes üvegcső 7 Witte-féle lyukacsos porcelánlemez 2 egyfuratos gumidugó 8 gumicső 3 Schachtschabel üvegcső 9 Hoffman-szorító 4 A és B oldat 10 kapillárisban végződő üvegcső 5 analitikai tisztaságú kvarchomok 11 üveglombik 6 kvarchomokkal hígított talajminta 12 állvány 1. Az első szakaszban először 100 cm 3 A oldatot (BaCl 2 ; ph=8,1; koncentráció: 0,1 mol/l) öntünk mindkét kémcsőbe, aminek az egészének a lombikba való csöpögését egy úgynevezett Hoffman szorítóval úgy szabályoztam, hogy az 4 óra alatt csöpögjön le teljesen. a. Ezután 25cm 3 B oldatot (BaCl 2 ; koncentráció: 0,1 mol/l) öntöttem minkét mintára az előbbihez hasonló módon. 23

24 b. Miután mindkét oldat lecsöpögött, a mintákat 100cm 3 desztillált (ioncserélt) vízzel mostuk át. Ezek a méréseket vakpróbának nevezzük, amik előkészítik a talajmintával való mérést. 2. A második szakaszban az első szakasz lépéseit ismételtem meg annyi különbséggel, hogy a kémcsövekben lévő mintákra 125cm 3 CaCl 2 -t öntöttem, aminek lecsöpögését ismét 4 óra időtartamra állítottam be. A mintát ismét 100cm 3 desztillált vízzel átmostam, majd 250cm 3 -re öntöttem fel az oldatot, amit utána összeráztam. Az oldatból 50cm 3 -t kipippetáztam, így a lombikba maradt 200cm 3 oldat, amihez néhány csepp tömény ammóniát és 25cm 3 0,067 mol/l koncentrációjú K 2 C 4 O 4 -t (kálium-kromátot) adtam hozzá, majd ismét felöntöttem a lombik űrtartalmát 250 cm 3 -re. 3. Ezután a mérés végső fázisa, a titrálás következett. Titrálással határoztam meg a mintánk kationcserélő kapacitását. 50cm 3 -t kipippetáztam egy desztilláló edénybe és 13cm 3 10%-os H 2 SO 4 -t és 1g kálium-jodidot (KI) adtunk hozzá. Sötét helyen néhány percig hagytam, majd a kivált jódot 1%-oskeményítőindikátor mellett 0,1mol/l-es Na 2 S 2 O 3 mérőoldattal megtitráltam. Amikor az oldat színe rozsdabarnából kékbe csapott át, akkor leolvastam, hogy hány cm 3 nátrium-tioszulfát (Na 2 S 2 O 3 ) fogyott. Számítás A kationcserélő kapacitást mgeé/100g talaj mértékegységben adjuk meg. a = 10,2 cm 3 b = 9,95 cm 3 f = 1,0075 T= (a-b) f 0, T= 8,3375 f (a-b) = 8,3375 1,0075 (10,2 cm 3-9,95 cm 3 )= 2,2407 mgeé/100g ahol: a az 50 cm 3 vakoldatnál elfogyott 0,1mol/l-es Na 2 S 2 O 3 mérőoldat cm 3 -einek száma, b 50 cm 3 talajmintára fogyott 0,1 mol/l-es Na 2 S 2 O 3 mérőoldat cm 3 -einek száma, f a mérőoldat faktora, 125 átszámítási faktor a 100g talajra való átszámításhoz, 0, cm 3 0,1 mol/l-es Na 2 S 2 O 3 mérőoldatnak megfelelő Ba 2+. A homok kationcserélő kapacitása a mérés alapján: T=2,2407 mgeé/100g ra adódott. 24

25 Mésztartalom A talaj mésztartalma nagymértékben befolyásolja a talajok savanyúságát, ami a talajképző folyamatok során a talaj kémhatásának függvényében változik. Minél nagyobb mésztartalmú a talaj annál savanyúbb. mésztartalmával, kémhatásával. Ezért fontos tisztába lennünk a vizsgált talaj A CaCO 3 -ban kifejezett összes karbonáttartalmat kalciméterrel határozzuk meg. A mérés elve A talajmintát sósavval reagáltatjuk és a reakció során képződő szén-dioxid gáz térfogatából számoljuk ki a kalcium-karbonát mennyiségét. A kémiai reakció egyenlete a következőképpen alakul: CaCO HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 A lezajló reakció nem tesz különbséget a mintában jelenlévő különböző karbonátformák között, az összes karbonát mennyiségét méri, amit CaCO 3 -ban fejezünk ki. A mérés menete 1g talaj mintát helyeztem egy jól zárhatólombikba, majd a lombik dugóján áthaladó cső végén lévő savtartályba 10%-os sósavat öntöttem.. Ezután a jól lezárt lombikot rázni kezdtem, aminek hatására a savtartó tartályból sósav csepegett a lombik alján lévő mintára, mely hatására reakcióba lépett a minta kalcium-karbonátjával és a képződő szén-dioxid gáz nyomást gyakorolt a közlekedőedényben lévő sóoldatra. A közlekedőedény jobboldali szárában csökkent, a bal oldali szárában ennek megfelelően nőtt a sóoldat szintje. A közlekedőedény nyomáskiegyenlítő csapjával tudtam szabályozni, hogy a két csőszárban közel azonos legyen a sóoldat szintje. Ahol a folyadékszint megállt, a közlekedőedény jobboldali szárán lévő skáláról le tudtam olvasni, hogy 1,5 cm 3 szén-dioxid gáz képződött. Ezt az értéket behelyettesítve a képletbe kapom meg a mintám mésztartalmát: m = 1,5 cm 3 a = 0, g g = 1 g 25

26 ahol: m a fejlődött CO 2 gáz mennyisége cm 3 -ben) a CO 2 1cm 3 -ének megfelelő CaCO 3 mennyiség adott T hőmérsékleten és P nyomáson g-ban, az értéket T és P ismeretében táblázatból olvasható le g a minta tömege g-ban Talajvízáramlás beállítását szolgáló mérések bemutatása A méréssorozat célja az volt, hogy meghatározzam a természetes hidraulikus gradienshez hasonló áramlási viszonyokat, amihez a perisztaltikus pumpa által keltett áramlási sebességeket kellet megvizsgálnom, különböző fordulatszámok mellett. A következőkben ezeket a vizsgálati eredményeket mutatom be. Első mérés Az első mérésnél 600ml ételfestékkel színezett desztillált vizet adtam be a rendszerbe, amit a perisztaltikus szivattyú maximum fordulatszámmal (90 RPM) áramoltatott a közegben. Ez a mérés több ponton jelezte a rendszer hiányosságait és a fordulatszám túlzott mértékét. Az áramlás irreálisan gyors, a talajvíz áramlása pedig szakaszos volt ezzel a csőrendszerrel, ezért ez a mérés inkább a rendszer hibáinak észlelésére és azok kijavítására volt alkalmas. Az előzőeket figyelembe véve egy olyan rendszer kialakítása volt a cél, amelyben a talajvíz áramlása és a sebessége a természetes állapotú viszonyokat szimulál. Az áramlás egyenletességének kijavítása érdekében két kutat szimuláló vízkivételi pontot telepítettem az akvárium két szélére. A kutak kivitelezése két darab 32mm átmérőjű, hálóval bevont perforált csővel történt (13. ábra). Az így kapott kutakba kerültek az áramlást közvetetten biztosító szilikon csövek, melyek végére egy-egy nehezék került azok fixálására. Az így kapott rendszer egyenletes és folyamatos vízhozamot és visszatáplálást biztosított a további mérések során a termelő és visszasajtoló kutakba. További gondot jelentett a csóva helyzetének és mozgásának pontos meghatározása. Az üveg skálázására több alternatíva is szóba jött mint például a pauszpapír, átlátszó mm papír vagy egy egyszerű fólia. A pausz- és mm papír nem volt kellően átlátszó, így végül a leolvasást megkönnyítő, teljesen átlátszó fóliát választottam, melyre cm beosztású rácshálót szerkesztettem a leolvasás pontossága érdekében. A módosítások végeztével, egy sokkal jobban működő, átláthatóbb rendszer állt rendelkezésemre. 26

27 13. ábra Újraépített rendszer, cm beosztású fólia és kutak telepítése (szerző szerkesztése) Második mérés (30 RPM) A második mérést már a fentebb leírt új rendszerben végeztem. Kétfajta feladást alkalmaztam a második mérésnél, az elsőnél 300 ml, míg a másodiknál 600 ml lett a rendszerbe adagolva szakaszosan. Az utóbbi esetnél ez azt jelentette, hogy áramló talajvíz mellett folyamatosan adagoltam a tölcséren keresztül a festett vizet a rendszerbe. A csóva dinamikájában, mozgásában nem tapasztaltam szembetűnő változást a két feladási mód között, a csóva enyhén nagyobb méretét leszámítva, amit a plusz 300ml többletfeladás eredményezett. Az előbbiek alapján arra a következtetésre jutottam, hogy fölösleges a nagyobb űrtartalmú feladás, ezért a továbbiakban egyszeri feladást alkalmaztam. A perisztartikus pumpa fordulatát tovább csökkentem. A mérés során jegyzésre került a csóva mérete feladás után (V.: 8cm; H.: 13cm) és mérés után (V.: 9cm; H.: 25cm), a csóva terjedésének mértéke és annak iránya. Ez a mérés a 4. táblázatban lévő indítási paraméterekkel rendelkezett. 4. táblázat A második mérés peremfeltételei Percenkénti fordulatszám : Talajvízállás: Feladás mennyisége: Feladás típusa: Tölcsérszár helyzete: Tölcsérszár mélysége a homok felszínétől: 30 RPM (Revolutions Per Minute) 22,5 cm 600ml egyszeri feladás 17cm-18cm 5cm 27

28 Az újraépített rendszer a vártnak megfelelően, jól működött. A talajvízáramlást az egyszeri feladást (áramlás nélküli) követően indítottam el a perisztaltikus pumpa segítségével. Lassan megjelent a homokban a nyomjelzett fluidum, mely egy darabig gravitációs úton leszivárgott majd szétterült és a talajvíz áramlás hatására a csóva elindult az áramlás irányának megfelelően jobbra, majd a felhígult csóva hosszirányban megnyúlt. Az első méréshez képest több mint 66%-al csökkentettem a szivattyú fordulatszámát, mégis 10 percenként 1cm-t haladt a csóva, ami a természetes közeghez képest még mindig gyorsnak számít. 14. ábra II. mérés eredménye Harmadikdik mérés (20 RPM) A beállítási paraméterek közül csak a vízszintet csökkentettem 2cm-el a két- és háromfázisú zóna határának jobb szemléltetése érdekében. 20 RPM-es fordulatnál a csóva 15 perc alatt tett meg 1 cm-t. Negyedik mérés (10 RPM) Következő lépésként a 10RPM-es fordulatszámot céloztam meg a további áramlási sebességek lépcsőzetes feltérképezése céljából. A beállítási paraméterek ismét változatlanok maradtak. Ennél a mérésnél 20percenként haladt a csóva 1 cm-t. 28

29 Ötödik mérés (5 RPM) Az előző méréseknél túl magasra emelkedett a talajvízszint a feladást követően, ezért a továbbiakban 18cm-es talajvízállást alkalmaztam. A beöntő tölcsért helyzetét és mélységét nem változtattam. 5-ös RPM mellett a talajvízáramlás 30-40percenként haladt 1 cm-t, ami már megközelíti a természetes talajvíz áramlási sebességet. Hatodik mérés (1 RPM) Ennél a mérésnél a fordulatszám csökkentését kivéve, nem változtattam más paramétert. 1- es RPM mellett igen lelassult a talajvízáramlás, sebessége a mérés alapján 5cm/nap, ami már egy konszolidáltabb talajban történő talajvízáramlást mutat. Az eredményeket a következő táblázatban foglaltam össze a perisztaltikus szivattyú fordulatszáma, a talajvíz-áramlási sebesség, a szivárgási tényező és a hidraulikus gradiens tekintetében. 5. táblázat A számított hidraulikus gradiens értékek RPM Áramlási sebesség (v) Szivárgási tényező Hidraulikus gradiens [m/s] (k) [m/s] (I) 1 5, , , , , , , , , , , , , , , A táblázat értékei közül az 5RPM-es pumpafordulatszám és az ahhoz tartozó hidraulikus gradiense áll a legközelebb az erre a közegre jellemző hidraulikus gradienshez, ezért a továbbiakban ezt alkalmaztuk a már éles méréseknél. A talajvízáramlás reprodukálása után minden adott volt a szennyezőanyagokkal történő mérések kivitelezéséhez. 4. A kiválasztott szennyezőanyagokkal való mérések bemutatása 29

30 A továbbiakban a mérések egy-egy konkrét szennyezőre irányulnak, amelyek egy víznél könnyebb-, és egy víznél nehezebb nem vízfázisú NAPL szennyezőket és azok migrációját hivatott reprezentálni. Az mérésekhez a következő szennyezőket választottam: Paraffinolaj (Light-NAPL), Kloroform (Dense-NALP) Paraffinolaj A folyékony paraffin a kőolajfinomítás mellékterméke, nehéz alkánokból hátramaradt keverék. C n H 2n+2 felépítésű alkán szénhidrogén, szobahőmérsékleten folyékony halmazállapotú, színtelen, szagtalan, viszkózus olaj, amely hosszú szénláncú szénhidrogének keverékéből áll. Vízben nem, oldószerekben jól oldódik. Átlagos sűrűsége 0,8g/cm 3, azaz a víznél kisebb sűrűségű, ezért az NAPL szennyezőkön belül az Light- NAPL csoportba tartozik. Első mérés 6. táblázat Mérési beállítások Felhasznált szennyezőanyag megnevezése Felhasználsz szennyezőanyag típusa Szennyezőből feladott mennyiség Talajvízállás Feladó tölcsér horizontális/vertikális helyzete Perisztaltikus szivattyú fordulatszáma Paraffinolaj Light Nonaqueous Phase Liquid 150ml 18cm 17cm-18cm/-5cm 5RPM Az akvárium tetejét a laboratóriumi előírások szerint fóliával fedtem le, egy helyen lett kilyukasztva a tölcsér számára. A feladás a paraffinolaj nagy viszkozitása miatt 30perc alatt ment végbe. Az NAPL szennyező talajba jutását követően, először a gravitációs úton lefelé terjed, míg az utánpótlódás tömegéből származó nyomás azt lefelé kényszeríti, majd a feladás és a nyomás megszűnésével a paraffinolaj a vízhez viszonyított kisebb sűrűsége miatt felfelé és enyhe oldalirányba igyekszik felúszni, míg a nyomás kiegyenlítődik. A paraffinolaj egy részét részlegesen vagy teljesen megkötötték a szilárd szemcsék, így nyomot hagyott a homokban, de nagy része kapilláris úton a talajvíz felszínére diffundált egy olajlencsét 30

31 képezve (felúszó fázis). A feladást követően a csóva a képen látható alakot vette fel, melynek kiterjedése vertikális irányba a skála alapján 22,8 cm-16 cm-ig, horizontális irányba 11,5cm-16cm-ig alakult. A mérés kezdetét a minta feladását után, a csóva kialakulásától számítottam. 15. ábra Paraffinolaj feladás előtt és után -30perc- (szerző saját szerkesztése) A csóva kiterjedését tekintve nőtt, de a talajvízáramlásnak megfelelő irányba nem történt elmozdulás, ezért a mérést meg kell ismételni úgy, hogy a feladás helye közelebb legyen a termelőkúthoz, hogy a kút távolhatásán belül mozogjon a csóva. A második mérés a talajminta egyenlőtlen tömörítése és a pórustér vízzel való telítésének hibájából származó száraz, vagy kevéssé nedvesített homokfolt miatt hiúsult meg (16. ábra). A jó mérés feltétele a pórusok horizontális síkokban történő egyenletes vízeloszlása és az egyenletes talajvízáramlás. A megnövel kontrasztú képen jól látható az említett probléma. Mivel a paraffinolaj feladása után történt a hiba detektálása, a homok kis hányada szennyezetté vált. A szennyezés eltávolítása érdekében egy kisebb, laboratóriumi kármentesítő beavatkozás lett eszközölve (17. ábra). Egy, a tölcsér torkolatához erősített cső és vákuum segítségével a tölcséren keresztül visszafelé sikerült lefejteni a paraffinolaj körülbelül két-három ötödét. A szennyezett rész nagy része lapáttal kiemelésre került, majd a minimálisan visszamaradt talajvízfelszíni olajfoltokat kellett még eltávolítani. 31

32 16. ábra A földtani közeg és talajvíz egyenlőtlen eloszlása. (szerző saját szerkesztése) A kutak termeltetésével csökkent a vízszint a kiemelés után keletkezett U-alakú gödörben. Miután a talajvízszint alacsonyabb állású lett mint a gödör alja, a vízfelszíni olajfolt kiült a gödör aljára. Így egy vékony homokréteggel eltávolíthatóvá vált a visszamaradt minimális szennyeződés is. 17. ábra A földtani közeg laboratóriumi kármentesítése (szerző saját szerkesztése) A hiba további elkerülése érdekében fokozott figyelmet fordítottam arra, hogy a csövek légtelenítve legyenek (18. ábra). A szilikoncső végeinek kutakba való helyezése előtt egy vízzel teli mérőedénnyel (a szívó csonknál) és egy üres mérőedénnyel (a visszatápláló csonknál) a pumpa cirkuláltatásával addig járattam a pumpát, míg a cső megtelt vízzel és 32

33 az összes légbuborék kiürült a csőből. A csövek légbuborékmentesen, vízzel tele kerültek vissza a kutakba. 18. ábra Szilikoncső légtelenítése (szerző saját szerkesztése) A harmadik mérésnél a beinjektálás helyét módosítottam a fentiek alapján (első mérés hibája), valamint a telített zóna tényleges, egyenletes telítését és a csőrendszer légtelenítését biztosítottam (második mérés hibái). A mérés során a hibák kiküszöbölése után homogén közegre jellemző áramlás alakult ki, ami reprezentatív eredményekkel szolgált. A fotókon kiválóan látszik a paraffinolaj beömlésének, a csóva kialakulásának, annak szétterülésének és vízfelszínre való felúszásának folyamata. Kisebb mértékben, de elmozdulni látszik a csóva a talajvízáramlás irányának megfelelően, ami élethűen tükrözi és modellezi a paraffinolaj és hasonló sűrűségű és viszkozitású fluidumok terjedését laza szerkezetű homogén közegben. A 19. ábra feladástól a mérés végéig hivatott el bemutatni a mérés fontosabb állomásait, amiket az ábrán számokkal jelöltem időbeli sorrendben: 1. Paraffinolaj feladásának kezdete 2. Paraffinolaj feladásának vége (30perc) 3. Light-NAPL felúszása 4. Felúszott és a talajvízáramlásnak megfelelően elmozdult csóva (másnapi fotó) 33

34 19. ábra Csóva migrációja az áramlás irányának megfelelően 6 óra alatt.(szerző saját szerkesztése) Az akvárium falán feltüntetett cm-rács az üveg vastagságát figyelembe véve úgy lett felragasztva, hogy az az akvárium tényleges belső profil-metszetét fedje le. Az origó pontosan az akvárium belterének bal alsó sarkával esik egy pontba. A feladást követően a szennyező csóva eleje 22cm-nél volt, ezért a diagram görbéje is ebből a pontból indul. A paraffinolaj migrációja túlnyomó részt vertikális irányú volt, horizontálisan a szimetrikus szétterülésén kívül csekély elmozdulás volt a talajvízáramlás irányába. A mérés adatai két napos megfigyelési eredményeken alapulnak (7. táblázat és 20.ábra)). 34

35 A víznél könnyebb önálló fázisú szennyezők migrációja nagyban függ a talajvízszint ingadozásától. Mivel a szennyező a víz felszínén és - részben vagy túlnyomó részt - vele együtt mozog a szennyezett terület vertikális kiterjedése is nő. A mérés végén a kutak egyidejű termeltetésével ezt a jelenséget szimuláltam ami a következőképpen nézett ki. 7. táblázat A terjedés leolvasás a következőképpen alakult Perc [cm] , , , , , , , , , , , , , ,4 s [cm] Paraffinolaj terjedése T [min] 20. ábra Paraffinolaj terjedési görbéje (a szerző szerkesztése) 35

36 21. ábra LNAPL típusú szennyezők talajvízszint-követése (szerző saját szerkesztése) A kutak termeltetésével a vízszint nagy intenzitással csökkent a nagy porozitású homogén közegben. A vízszinttel együtt lefelé haladó paraffinolaj egy része a szilárd szemcséken megkötődik a kapilláris rétegben, ezért jól látszik a parafinolaj útja. A színezett LNAPL szennyező jellegéből adódóan követi a víz mozgását, ezért kiválóan reprezentálja a rendszerben változó vízszint maximumát és minimumát (intervallumát). 36

37 4.2. Kloroform A triklórmetán (CHCl 3 ), hétköznapi nevén kloroform a halogénezett szénhidrogének csoportjába tartozó szerves vegyület. Fizikai tulajdonságait a 8. táblázat mutatja. 8. táblázat (szerző saját szerkesztése) Fizikai tulajdonságai Halmazállapot (illékony) folyadék Szín színtelen Sűrűség 1,48 g/cm 3 Oldékonyság vízben (g/100ml ; 20 C-on) 0,8 Forráspont 61,2 C Moláris tömeg 119,38 g/mol Olvadáspont -63,5 C A vegyület nagyon veszélyes a környezetre és az élő szervezetre nézve, gőze a levegőnél nehezebb, forró vegyülettel vagy lánggal érintkezve bomlik és mérgező illetve maró hatású gőzöket (pl hidrogén-klorid-, foszgén- és klórgőzöket képezve). Lehetséges expozíciós utak: belégzés, bőrön keresztül vagy lenyeléssel Az anyag bizonyítottan rákkeltő. Földtani környezetbe kerülve is igen tartós kártékony hatással van az élővilágra, természetes tisztulása pedig nagyon lassú, mert biológiailag nehezen bomlik le. Felszámolásukhoz emberi beavatkozásra, kármentesítésre van szükség. Mérés kloroformmal A kloroformmal, mint illékony szennyezőanyaggal való mérést zárt laboratóriumban nem végezhető annak az emberi szervezetre gyakorolt bódító, tompító hatása miatt. A mérés kizárólag nyitott, jól szellőző helyiségben, szénszűrős maszk és gumikesztyű viselése mellett végezhető! A kloroformmal végzett méréseimet a Miskolci Egyetem Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék kihelyezett mérőállomásán végeztem. A mérés előkészítése az eddigieknél is komolyabb figyelmet és odafigyelést igényelt az illékony- és az emberi szervezetre nézve manipulatív hatása miatt. A felhasznált szennyezőanyag a Miskolci Egyetem Anyagtudományi Kar Kémiai Tanszékéről került beszerzésre. 37

38 A vizsgálatok előkészítését és végrehajtását Székely István egyetemi tudományos segédmunkatárs segítette és felügyelte. A földtani közegben való migrációjának láthatóvá tételéhez szudánvörös festékport keverünk a színtelen kloroformhoz (22. ábra). 22. ábra Kloroform színezése szudán-vörössel (szerző saját szerkesztése) A mérés során az előzetes talajvíz áramlására irányuló vizsgálatok értelmében 5 RPMen üzemelt a perisztaltikus szivattyú. Mind a feladás, mind a mérés lefolyásának időtartama nem volt több negyed óránál. Először csak pontokban a szemcséken megkötődve lehetett látni a kloroform terjedését, majd az akvárium alján szétterülő lencse vált jól láthatóvá (23. ábra). A víznél nehezebb folyadékfázisú szennyezőanyag vizsgálatánál azt tapasztaltam, hogy az önálló fázisú szennyeződés lesüllyed a víztartó feküjéig és ott felhalmozódik lencsék formájában. A kloroform migrációja a porózus homokban nagyon gyors volt, ezért nehézségeket okozott a szennyezőanyag vertikális terjedésének detektálása során. Az akvárium szinte teljes szélességében elterült az olajlencse, mégis jól mutatja a talajvíz áramlási viszonyokat a rendszer. A termelőkút alját beborította a kloroform, ami a hozamot termelő csőben meg is jelent nagy sűrűsége ellenére (24. ábra). 38