TESI DI LAUREAIN

TECNOLOGIA DEI MATERIALI E CHIMICA APPLICATA

DESTINO E TRASPORTO DI INQUINANTI NEL SUOLO E SOTTOSUOLO.

CALCOLO DELLA PROFONDITA’ MINIMA DELLO STRATO IMPERMEABILIZZANTE NATURALE DI DISCARICHE.

RELATORE: LAUREANDA:Prof. Domenico Petruzzelli Francesca Bozza

POLITECNICO DI BARIII FACOLTA’ DI INGEGNERIA DI TARANTO

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA PER L’AMBIENTE E IL TERRITORIO

TESI DI LAUREAIN

TECNOLOGIA DEI MATERIALI E CHIMICA APPLICATA

DESTINO E TRASPORTO DI INQUINANTI NEL SUOLO E SOTTOSUOLO.

CALCOLO DELLA PROFONDITA’ MINIMA DELLO STRATO IMPERMEABILIZZANTE NATURALE DI DISCARICHE.

RELATORE: LAUREANDA:Prof. Domenico Petruzzelli Francesca Bozza

Lo scopo di questo lavoro è quello di evidenziare i metodi finalizzati a limitare l’impatto di una tipica tecnologia ambientale quale la discarica di rifiuti, focalizzando l’attenzione sul ruolo dei fenomeni chimico-fisici che possono influire sul trasporto degli inquinanti, contenuti nel percolato, nel mezzo poroso naturale.

INTRODUZIONE E ARTICOLAZIONE DELLA TESI

1. QUADRO NORMATIVO DI RIFERIMENTO

2. DESTINO E TRASPORTO DEGLI INQUINANTI NEL SUOLO E SOTTOSUOLO

3. PROCEDURE “BATCH” PER VALUTARE L’ATTENUAZIONE DEGLI INQUINANTI NEI MEZZI POROSI NATURALI

4. COMPORTAMENTO CHIMICO E MOBILITA’ DEI METALLI PESANTI NEI MEZZI POROSI NATURALI

5. SISTEMI DI IMPERMEABILIZZAZIONE PER LA MESSA IN SICUREZZA DI UNA DISCARICA CONTROLLATA

6. DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE MINIMO DI MATERIALE IMPERMEABILIZZANTE UTILE AL CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI PRESENTI NEL PERCOLATO DI UNA DISCARICA

QUADRO NORMATIVO DI RIFERIMENTO

Il D.M. n.471 del 25/10/99 ai sensi dell’art.17 del Decreto Ronchi

definisce gli interventi di:

Messa in sicurezza d’emergenza

Messa in sicurezza permanente

Bonifica

EVOLUZIONE DELLA COMPOSIZIONE DELLE ACQUE SOTTERRANEE

NEL SUOLO E SOTTOSUOLO

L’acqua sotterranea, nel corso della sua permanenza e del suo deflusso nella formazione idrogeologica permeabile, subisce degli scambi geochimici con le pareti dell’acquifero.

La presenza di composti chimici naturali disciolti nelle acque è riconducibile all’azione degli agenti atmosferici (weathering naturale) sui materiali geologici costitutivi del bacino imbrifero.

L’immissione di origine antropica di composti non naturali (xenobiotici), magari tossici, nel sistema idrologico può essere assimilato in tutto a quello di “weathering artificiale” indotto dall’uomo in base alle diverse attività socio-economiche.

FENOMENI CHE REGOLANO LA MIGRAZIONE DEGLI INQUINANTI NEI MEZZI POROSI NATURALI

Dispersione idrodinamicaInterazioni chimiche

o biochimiche

La concentrazione di un inquinante, presente come soluto nella fase liquida dei mezzi porosi saturi, varia nello spazio e nel tempo a seguito dei fenomeni di:

Interazioni fisiche e

meccaniche

Dispersione idrodinamica

Convezione

Diffusione molecolare

Dispersione meccanica

F = − D ∂c

∂x

legge di Darcy:

prima legge di Fick:

coefficiente di dispersionelongitudinale: DL = αLv + Dtrasversale: DT = αTv + D

v =K ∙ i

ne

Tradizionalmente il fenomeno dispersivo è suddiviso in tre meccanismi separati:

Riduzione della sezione attraversata dal flusso

Tortuosità dei percorsi

Incremento della viscosità fattore di mobilità o di fluidità: α

Esclusione degli anioni

τ <1fattore di tortuosità:

fattore di esclusione degli anioni: γ

coefficiente di diffusione effettivo

contenuto d’acqua volumetrico: θ = nSr

F = − D0 τ α γ θ∂c

∂xF = − D0 τa θ

∂c

∂x F = − D* ∂c′

∂x

D* = D0 τa

Interazioni fisiche e meccaniche La diffusione all’interno di un mezzo poroso, è rallentata dalla presenza delle particelle di terreno che determinano:

c′ = θc

Interazioni chimiche o biochimiche

Se la concentrazione di soluto (non reattivo) varia nel tempo

seconda legge di Fick:

dove

fattore di ritardo:

coefficiente di partizione:

q = Kd c

isoterma di adsorbimento• lineare

• non lineare

coefficiente di distribuzione: Kd

∂c= D*

∂2c

∂t ∂x2

∂c= D*

∂2c−

∂q′

∂t ∂x2 ∂t

q′ = ρd

qθ

∂c=

D* ∂2c

∂t R ∂x2

R = 1 +ρd

Kp

θKp=

dq

dc

Per le reazioni di adsorbimento reversibili

MODELLO ANALITICO PER IL TRASPORTO DI SOLUTI INQUINANTI CONSERVATIVI IN MEZZI POROSI REATTIVI

equazione generale del moto nei mezzi porosi naturali:

∂c= D

∂2c−

ρd ∂q− v

∂c

∂t ∂x2 θ ∂t ∂x

∂c=

D ∂2c−

v ∂c

∂t Rd ∂x2 Rd ∂x

D = D* + Dm coefficiente di dispersione idrodinamica:

coefficiente di diffusione effettivo: D*

coefficiente di dispersione meccanica: Dm = α v

PROCEDURE “BATCH” PER VALUTARE L’ATTENUAZIONE DEGLI INQUINANTI NEI MEZZI POROSI NATURALI

INFLUENZA DEI PARAMETRI OPERATIVI:

Trattamento del campione di adsorbente

Rln(c2/c1)

≈ ΔH′(1/T2 – 1/T1)

L’essiccamento in forno degli adsorbenti deve essere evitato a favore dell’essiccamento all’aria che riduce al minimo possibili denaturazioni.

Effetti della temperatura

equazione di Clausius-Clapeyron:

c2≈ exp [

(1/T2 – 1/T1) ΔH′]

c1 R

Si consiglia di condurre l’attività di laboratorio in ambienti termostatici ove la temperatura varia nell’intervallo di ± 6˚C.

Effetti del pH della soluzione

• L’adsorbimento di cationi inorganici aumenta al crescere del pH.• L’adsorbimento di anioni è accresciuto in ambienti acidi.

Effetti della forza ionica

1. Variazioni nell’attività del soluto.2. Variazioni dello spessore (e quindi proprietà) del doppio strato elettrico a ridosso delle particelle dei solidi.

I = 0,0127 × EC (dS/m) (Griffin e Jurinak)

Effetti della separazione delle fasi La filtrazione può influenzare i dati di equilibrio.La centrifugazione è da preferirsi.

Effetti del metodo di miscelazione In teoria, il fenomeno di ripartizione fra soluti ed adsorbenti non dovrebbe essere influenzato dal dispositivo di agitazione.

Scelta del rapporto suolo:soluzione per soluti ionici

Valori troppo bassi del rapporto possono dar luogo a variazioni poco rilevabili delle concentrazioni in fase liquida. Valori troppo elevati possono provocare rimozione quantitativa degli inquinanti dalla fase liquida impedendo di ottenere dati di equilibrioaffidabili.

RAPPORTI SUOLO:SOLUZIONE COSTANTI E VARIABILI

Metodo del rapporto suolo:soluzione variabile

Esistono due tecniche sperimentali per produrre dati di adsorbimento affidabili mediante costruzione delle isoterme di equilibrio.

“Constant Soil:solution ratio Isotherm” (CSI)

DETERMINAZIONE DEL TEMPO DI EQUILIBRAZIONE

Il tempo di equilibrazione è una variabile sperimentale che deve essere determinata per ogni sistema, prima di iniziare la costruzione della isoterma di adsorbimento.

Molto rigorosamente, l’EPA (U.S. EPA, 1982) propone

Δc≤ 0,05 per un intervallo di 24 ore

Δt

“Environmentally Conservative Isotherm” (ECI)

Metodo del rapporto suolo:soluzione costante

COSTRUZIONE DELLE ISOTERME DI ADSORBIMENTO

equazioni empiriche più comunemente utilizzate

EQUAZIONE DI FREUNDLICH EQUAZIONE DI LANGMUIR

q = Kf c1/n q =

KL M c

1 + KL c

Kf capacità massima di adsorbimento M

energia di interazione alle interfacce fra le fasi 1/n KL

log q = log Kf + 1

log cn

c=

1+

c

q KL M M

possono essere determinate per regressione lineare dei dati sperimentali:è basata sul migliore coefficiente di correlazione dei dati r2, compreso tra 0 e 1

SCELTA DELLE EQUAZIONI DI ADSORBIMENTO

SISTEMI DI IMPERMEABILIZZAZIONE PER LA MESSA IN SICUREZZA DI UNA DISCARICA CONTROLLATA

Il confinamento delle aree inquinate mediante barriere impermeabili in grado di limitare la propagazione convettiva e diffusiva degli inquinanti presenti nel sottosuolo risulta essere in molti casi il miglior compromesso dal punto di vista dell’efficacia, della sicurezza del raggiungimento degli obiettivi prefissati e dei costi.

Normativa di riferimento: D.Lgs. 13 gennaio 2003, n.36.

SISTEMI DI ISOLAMENTO DEL FONDO E’ possibile intervenire secondo le due seguenti metodologie: - impermeabilizzazione per sostituzione (o iniezione) - impermeabilizzazione per congelamento

Si utilizzano materiali naturali con elevato tenore di argilla (ad esempio, miscele sabbia-bentonite con permeabilità non inferiore a 10-7 – 10-8 cm/s), ovvero argilla tal quale trattata e compattata in situ.

COMPORTAMENTO A LUNGO TERMINE DEI SISTEMI DI IMPERMEABILIZZAZIONE

principali fattori che controllano e che condizionano nel tempo le proprietà meccaniche ed idrauliche dello strato argilloso

Proprietà di uno strato di argilla compattata

al fondo di una discarica controllata deve essere realizzato uno strato di argilla compattata con

• spessore minimo: ~ 100 cm• conducibilità idraulica: k ≤ 10-7 cm/s

Proprietà dell’argilla:

conducibilità idraulica diffusione molecolare duttilità compatibilità chimica attenuazione chimica palabilità e compattabilità

La normativa vigente indica che:

DETERMINAZIONE DELLO SPESSORE MINIMO DI MATERIALE IMPERMEABILIZZANTE UTILE AL

CONTENIMENTO DEGLI INQUINANTI PRESENTI NEL PERCOLATO DI UNA DISCARICA

APPLICAZIONE DELLE PROCEDURE “BATCH”

Si può definire fattore di ritardo il rapporto:

R = vPERCOLATO

 vSOLUTO

Il fattore di ritardo può anche essere definito dalla seguente relazione empirica:

R = 1 + ρ

Kpθ

dq

= Kp

dc

è il coefficiente di partizione rappresenta la pendenza di una isoterma di adsorbimento.

Quando il soluto non viene trattenuto dal materiale adsorbente R = 1.

E’ necessario stabilire una relazione funzionale tra q e c

isoterma di equilibrio lineare di Freundlich (1/n = 1): q = Kf c1/n = Kf c

il diagramma che rappresenta q in funzione di c è una linea retta, la cui pendenza è Kf = Kd.

Quando l’isoterma di adsorbimento è una funzione non lineare (1/n ≠ 1)

dq=

d(Kf c1/n)

=Kf

c1/n−1

dc dc n R(c) = 1 +

ρ(

Kf

c1/n−1)

θn

R = 1 +ρ

(Kf c01/n−1)

θ soluzione empirica proposta da Rao (1974)

Questi risultati si applicano per il calcolo dello spessore minimo di una barriera d’argilla.

Usando la Legge di Darcy:

v =Ksat ∙ i

ne

Z =Ksat ∙ i ∙ t

R ∙ ne

distanza verticale di migrazione del soluto inquinante

l’equazione può essere combinata con quella del fattore R per dare:

• determinazione sperimentale dell’isoterma di adsorbimento per il particolare sistema• caratterizzazione fisicochimica (C.E.C, % O.C.) della fase solida• caratterizzazione geotecnica (Ksat, ρ , θ , ne ) della fase solida

fattore di ritardo R

distanza di migrazione Z dell’inquinante nel mezzo poroso

Se si assume che:• il materiale è saturo • il flusso attraverso il materiale isotropo avviene in condizioni stazionarie nel tempo t• gli effetti della dispersione e della diffusione sono trascurabili

%

SiO2 45,70

Al2O3 11,10

Fe203 3,50

TiO2 0,50

MnO 0,02

MgO 2,50

K2O 2,00

Na2O 0,80

CaCO3 33,80

Illite - Muscovite 46,00

Caolinite 4,30

Clorite 4,50

Montmorillonite 8,30

Feldspati 6,40

Plagioclasi 3,90

Calcite 22,50

Dolomite 4,10

CASO DI STUDIO: ARGILLA DI LUCERA

Valore

Peso specifico ρ = 2,66 g/cm3

Conducibilità idraulica in condizioni di saturazione Ksat = 10-7 cm/s

Contenuto volumetrico d’acqua θ = 0,35 cm3/cm3

Porosità efficace ne = 0,08 cm3/cm3

Capacità di scambio cationica C.E.C. = 11,5 meq/100g

Contenuto di carbonio organico O.C.= 0,5 %

ESEMPIO APPLICATIVO

Caratterizzazione geotecnica dell’argilla

Men+ Isoterma di adsorbimento R

(Freundlich non-lineare)

Pb2+

Cd2+

Cu2+

q = 9740 c0,16 10700

q = 2099 c0,35 3572

q = 8119 c0,14 8519

Specie chimica Z (cm)

Piombo 0,9

Cadmio 2,6

Rame 1,1

equazioni di correlazionee

fattori di ritardo

Assumendo:• i = 1,5 • t = 150 anni (t ≈ 5 × 109 sec)

profondità di migrazione

Risultati sperimentali isoterme di equilibrio

CONCLUSIONI

Le procedure “batch” impiegate rappresentano un metodo sperimentale molto semplice per verificare in laboratorio la capacità dei materiali geologici di interagire con potenziali inquinanti.

L’estrema diversificazione e non omogeneità dei materiali costitutivi dell’acquifero rendono pressoché impossibile ogni generalizzazione del suo comportamento.

I maggiori problemi da superare al riguardo si possono condensare in:

- Valutazione degli effetti della contaminazione a lungo termine;

- Accessibilità del problema;

- Sorgenti di inquinamento non puntuali e di difficile localizzazione;

- Scarsa omogeneità del materiale costitutivo dell’acquifero. Notevoli sforzi di ricerca sono ancora necessari al fine di identificare classi

omologhe di composti per tentare generalizzazioni nel loro comportamento e quindi selezionare parametri specifici indicativi da utilizzarsi nella diagnosi e nella valutazione degli impatti derivanti dalla loro presenza nel sottosuolo.