Reaktiver Transport

 

Multidisziplinäre Wissenschaften, welche Wechselwirkungen zwischen physikalischem Flüssigkeitstransport und chemischen Reaktionen zur Vorhersage möglicher zukünftiger Zustände eines Systems untersuchen, werden als reaktiver Transport bezeichnet. Es ist ein interdisziplinäres Zusammenspiel von mathematischen Modellen, welche auf physikalischem und chemischem Wissen beruhen, sowie numerischer Implementierung und Informatik.

Der Mehrwert reaktiver Transportmodelle als Prognosewerkzeug zur Unterstützung der Entscheidungsfindung in verschiedenen Branchen (z.B. Bergbau, Ölindustrie, nukleare Entsorgung) und zum mechanistischen Verständnis komplexer Systeme (z.B. vadose Zone, Grundwasserleiter, Süß-Salzwasser-Grenze) hat dazu geführt, dass reaktive Transportmodelle in großem Umfang auf verschiedene Branchen und Themen angewendet werden. Zu nennen sind hier u.a. die Prognose der Dauerhaftigkeit von Beton, die Nachhaltigkeit geothermischer Anlagen, der CO2 Sequestrierung und die Bergbaufolgeschäden (AMD) und vieles mehr. Die vorhandenen grundlegenden Erkenntnisse zum reaktiven Stofftransport werden stetig weiterentwickelt und neue Prozesserkenntnisse eingebaut. Eine solche Entwicklung ist in erster Linie motiviert durch

a) die Integration neuer Prozesserkenntnisse, die an das physikalisch-chemische System gekoppelt sind, wie z.B. die Stoffwechselaktivität eines Biofilms oder Porenraumänderungen aufgrund von Lösungs- und Fällungsprozessen, und die Integration neuer Modelle wie die Modellierung der Hysterese durch Einführung eines Luft-Wasser spezifischen Grenzflächen-Bereiches,

b) auftretende Diskrepanzen zwischen numerischen Simulationen, Laborexperimenten und Felddaten,

c) Hochskalieren zwischen den verschiedenen räumlichen Skalen (z.B. von der Nanometer-/Mikrometer- Porenskala bis zur Mesoskala) und

d) neue hardwareseitige Entwicklungen (z.B. HPC) oder Software (z.B. neue Algorithmen des Maschinellen Lernens).

Die AnGeo-Gruppe arbeitet derzeit an drei Projekten, in denen reaktiver Transportmodellierung angewendet wird oder angewendet werden soll: 1) Kollorado-e3 mit Schwerpunkt auf dem Transport von durch Erosion mobilisierten Bentonitkolloiden als Radionuklidträger, 2) TransLARA mit Schwerpunkt auf dem Biosphärentransport von Radionukliden aus der gesättigten Zone durch die Vadose-Zone zur Bodenoberfläche in Kulturpflanzen und 3) Concert als Prognosewerkzeug für reaktive Partikelwechselwirkungen zur Vorhersage der Rheologie beim initialen Abbinden von Zement unter besonderer Berücksichtigung von Zuschlagsstoffen.

 

Kontakt: Daniel Jara Heredia, Teba Gil Diaz, Sarah Hupfer, Thorsten Schäfer

Abbildung 1: µCT Aufnahme einer realen Kluftgeometrie eines Bohrkerns aus der MI Scherzone im Grimsel Felslabor (Bohrkernlänge 15 cm)
Abbildung 2: Säulenversuchsaufbau
Abbildung 3: Elektrostatisches Potential an der Oberfläche für ein System von 2 unendlichen Oberflächen je nach Abstand und pH-Wert (Die Linien: Grün, Cyan, Orange, Blau, Braun, Lila entsprechen jeweils den pH-Werten: 3, 4, 5, 6, 7, 8). Wenn sich die beiden Oberflächen nähern, gibt es eine Überlappung des elektrischen Potentials. Die ionische Zusammensetzung der Lösung beeinflusst auch das elektrostatische Potential (pH-Wert und Ionenstärke werden häufig als Proxys verwendet). Diese beiden Effekte sind bekannt als Oberflächenladung Regulierung.
Abbildung 4: Die Konzentration von SiONa wird durch eine Oberflächenkomplaxationsreaktion definiert, die vom elektrostatischen Potential abhängt. Änderungen des pH-Werts und der Ionenstärke sowie die Überlagerung des elektrostatischen Potentials wirken sich daher aus (Beziehung mit Abbildung 3)(Die Linien: Grün, Cyan, Orange, Blau, Braun, Lila entsprechen jeweils den pH-Werten: 3, 4, 5, 6, 7, 8).
Abbildung 5: Infiltration von Bromid im Lysimeter und die Wirkung von heterogene hydraulische Leitfähigkeit, Geometrie und Saugkerzen durch 100 Tage (Lysimeterquerschnitt).