Modelación matemática de la remediación electroquímica de suelos - Teutli León, Maura Margarita (Universidad Autónoma Metropolitana, 2003)
This thesis presents a mathematical model for soil electroremediation of clayey soils. Electroremediation is a physico-chemical process which allows to reduce the amount of soil to be treated, for metal recovery. The proposed model corresponds to a cadmium spiked kaolinite, which is water saturated and undergoes remediation by constant current application. The model formulation considered: (a) a total volume concept for mass balance definition; (b) chemical an electrical properties of both phases (solid and aqueous); (c) the existence of local equilibria conditions; (d) electroneutrality as consequence of phase interactions; (e) a pH dependent surface charge related to electroosmotic velocity; (f) a total electric potential defined by adding the electrical potential from each phase; and (g) surface reaction rates affected by the system electric potential. Model formulation includes the following variables: ionic soluble species which undergo transport: protons (H+ ), hydroxide (OH- ), cadmium (Cd+2), and nitrate (NO3 - ); fixed active sites on the soil (Sj- ); and transport variables such as: electric potential (Y), electroosmotic velocity (v) and hydrostatic pressure (P). The mathematical model evolution comprises three stages: 1) one soluble anion: oxhidrile; 2) boundary conditions redefinition, plus an extra soluble anion (nitrate); 3) electric potential inclusion in chemical equilibria taking place at the soil surface. Published experimental data for pH and total cadmium were used for model validation. Also, electroremediation expectations were used as a criteria basis for detecting anomalous responses and a later model debbuging. In its final version the proposed model satisfies electroremediation expectations such as: a pH drop at the cathode position; soluble cadmium transport from anode to cathode, also a cadmium accumulation taking place before cathode position; electroosmotic velocity established from anode to cathode; and, an electric potential gradient drop as time goes on. Model strength allows for experimental parameters modification. In this thesis, the parameters discussed are: soil permeability, distance between electrodes, imposed current density, and an hydrostatic pressure gradient. An additional contribution, derived from the model predictions, is the construction of electroremediation speciation diagrams.; En esta tesis se presenta el desarrollo de un modelo matemático para simular el proceso de electrorremediación de suelos arcillosos contaminados por metales pesados. Este proceso es un tratamiento físico-químico por el cual se concentra el contaminante, con lo que se minimiza la cantidad de suelo a tratar. El modelo propuesto corresponde a un kaolín contaminado por cadmio y saturado con agua; al cual se le aplicará una corriente eléctrica para inducir gradientes de potencial eléctrico que ayuden a movilizar el contaminante. La formulación del modelo para electrorremediación considera: (a) establecer los balances de masa bajo el concepto de volumen total; (b) la inclusión de propiedades físicas, químicas y eléctricas de la fase sólida (inmóvil) y la fase acuosa (móvil); (c) la existencia de condiciones de equilibrio químico local; (d) la electroneutralidad como consecuencia de la interacción entre fases; (e) la existencia de una carga superficial, dependiente del pH, que modifica la velocidad electroosmótica; (f) el potencial eléctrico total como la suma de los potenciales eléctricos de cada fase; (g) la influencia del potencial eléctrico en los equilibrios químicos establecidos en la superficie de la arcilla. Las variables del modelo se establecen considerando la existencia de especies iónicas sujetas a procesos de transporte. El modelo formulado permite predecir la respuesta para 5 componentes iónicos: protones (H+ ), oxhidrilos (OH- ), cadmio iónico (Cd+2), nitrato (NO3 - ), y sitios activos de la arcilla (Sj- ); además de 3 variables de transporte: diferencia de potencial eléctrico (Y), velocidad electroosmótica (v) y presión (P). La implementación y depuración del modelo se realizó considerando: 1) la ausencia de aniones diferentes al oxhidrilo; 2) la incorporación del anión nitrato, así como la redefinición de condiciones frontera; y 3) la incorporación del potencial eléctrico en los equilibrios químicos establecidos en la superficie de la arcilla. Las predicciones obtenidas se validan contra datos experimentales de pH y cadmio residual total, reportados en la literatura. Posteriormente, las predicciones de cada variable se analizan con referencia a las expectativas de un proceso de electrorremediación. Este análisis permite detectar las incongruencias en las predicciones y la depuración del modelo. En su versión final, el modelo desarrollado satisface expectativas de un proceso de electrorremediación, tales como: el que ocurra una disminución de pH en la frontera catódica, el que el cadmio soluble sea transportado hacia el cátodo y se acumule en una sección previa a éste, el que la velocidad electroosmótica se establezca en dirección al cátodo, y el que disminuya el gradiente de potencial con el tiempo. Asimismo, la robustez del programa permite simular la modificación de parámetros experimentales como: permeabilidad del suelo, separación entre electrodos, densidad de corriente impuesta, presencia de una carga hidrostática. Una contribución adicional es la posibilidad de construir diagramas de especiación para sistemas de electrorremediación, a partir de las predicciones obtenidas para cada uno de los componentes iónicos.