Austausch von O₂ und CO₂ im Kapillarsaum eines porösen Mediums

Eine Laborstudie zum Test der VisiSens Bildgebungssysteme

In einer Quarzsandpackung wurden Diffusionsexperimente durchgeführt, um die Wirkung von Verdunstungsbedingungen auf den Massentransfer von Sauerstoff und CO₂ über die Grenzfläche zwischen der ungesättigten und gesättigten Zone zu untersuchen. In den Experimenten diffundierte Sauerstoff aus der Atmosphäre in die sauerstoffabgereicherte wässrige Phase, während CO₂ in die entgegengesetzte Richtung übertragen wurde. Wir haben die VisiSens™ Imaging-Systeme für Sauerstoff und CO₂ eingesetzt, um die 2D-Verteilung dieser flüchtigen Stoffe im Zeitverlauf abzubilden. Die Erfassung der zeitabhängigen Konzentrationsverteilung ermöglichte Einblicke in die Ausbreitung der Diffusionsfronten unter Verdunstungsbedingungen. Die Quantifizierung der Sauerstoff- und CO₂-Dynamik und deren Austausch zwischen verschiedenen Umgebungskompartimenten ist entscheidend, um unser Verständnis der biogeochemischen Kreisläufe von Sauerstoff und Kohlenstoff zu verbessern und die Auswirkungen von bestimmenden Faktoren (z. B. Klimawandel, Landnutzung usw.) auf die Grundwasserqualität zu bewerten.

Der Massentransfer von Sauerstoff und CO₂ durch den Kapillarsaum wurde unter Verwendung der in Abb. 1 gezeigten Versuchsanordnung untersucht. Die Diffusionszelle hatte Innenabmessungen von 10,5 x 19 x 0,5 cm (L x H x B) und war mit Quarzsand mit einem Korndurchmesser von 1,0 - 1,6 mm gefüllt (Märkische Kies- und Kalksandsteinwerke GmbH, Deutschland). Vor Beginn des Experiments betrieben wir die Diffusionszelle als Durchflusssystem, um in der vollständig wassergesättigten Zone gleichmäßige Konzentrationen von Sauerstoff und CO₂ zu erhalten. Durch Hohlnadeln (Außendurchmesser 1,2 mm) wurde mit einer hochpräzisen Peristaltikpumpe (IPC 24, ISMATEC, Schweiz) eine NaCl-Lösung (Ionenstärke 100 mM) injiziert. Die NaCl-Lösung wurde mit einem CO₂-haltigen Gasgemisch gespült und anschließend in einem gasdichten Tedlar®-Gasprobenbeutel aufbewahrt. Nachdem der Gleichgewichtszustand erreicht war, wurde der horizontale Fluss gestoppt und das Diffusionsexperiment gestartet. Sauerstoff diffundierte von der Atmosphäre nach unten in die sauerstoffabgereicherte wässrige Phase, während CO₂, das anfangs in der gesättigten Zone in hoher Konzentration vorhanden war, nach oben diffundierte. Es wurde erwartet, dass das Entgasen von CO₂ den anfänglich niedrigen pH-Wert in der gesättigten Zone (pH 5,13, ​​bestimmt für eine Abwasserprobe vor Beginn des Experiments) erhöht. Wir zeichneten die 2D-Verteilung von Sauerstoff und CO₂ über die ungesättigte / gesättigte Grenzfläche mit den VisiSens ™ Imagingsystemen A1 und A3 auf. Die planaren Sensorfolien (SF-RPSu4 und SF-CD1R) mit den Abmessungen 2 cm x 8 cm wurden auf die Innenwände der Durchflusskammer geklebt (Abb. 1a). Wir bestimmten auch die 2D-pH-Verteilung mit einer zusätzlichen Optrode (VisiSens™ A2 mit SF-HP5R, 2 cm x 8 cm). An jeder VisiSens™ -Kamera wurde ein Adapter-Tubus angebracht, der Aufnahmen mit einer Fläche von 2,4 cm x 1,9 cm zuließ. Durch die Aufnahme mehrerer kontinuierlicher Bilder zu verschiedenen Zeitpunkten wurde die gesamte Sensorfläche ausgelesen. Die Experimente wurden in einem temperaturkontrollierten Raum bei 25 ° C durchgeführt. In den Experimenten war es Wasser möglich, aus dem porösen Medium zu verdunsten, was im Laufe der Zeit zu einer Absenkung des Kapillarsaums führte. Mit Hilfe einer Skala, die an einer der Glasscheiben befestigt war, bestimmten wir visuell die Absenkung der oberen Grenze des Kapillarsaums als Funktion der Zeit.

Abbildung 1c zeigt die Position der Obergrenze des Kapillarsaums während des Experiments. Ein Absenken um 1,7 cm über 144 h wurde beobachtet, was eine lineare Abnahmerate von 0,12 mm h^-1 unter Annahme konstanter Verdunstung ergibt. Die 2D-Verteilung von Sauerstoff und CO₂ zu Beginn des Experiments (t = 0 h) und bei t = 96 h ist in Abb. 2 dargestellt. In einem separaten Experiment wurde die Kapillarsaumhöhe zuvor mit 4 cm bestimmt. Aufgrund des hohen Wassergehaltes innerhalb des Kapillarsaumes beobachteten wir an der oberen Grenze ein Konzentrationsgefälle für Sauerstoff und CO₂. Anfangs (d. h. bei t = 0 h) waren die Konzentrationsgradienten sehr steil, jedoch wurden sie im Laufe der Zeit flacher, als sich die Sauerstofffront tiefer in das gesättigte poröse Medium hinein ausbreitete und zugleich das CO₂ zunehmend aus der gesättigten Zone in die Atmosphäre ausgaste. Derselbe Effekt ist in Abb. 3 dargestellt, die die gemessenen vertikalen Profile von Sauerstoff und CO₂ zwischen t = 0 h und t = 24 h, in 6h-Intervallen bestimmt, zeigt. Speziell für CO₂ kann im oberen Teil des vertikalen Profils das typische zeitabhängige Diffusionsverhalten beobachtet werden. Unter der Annahme, dass sich der Wassergehalt an der Obergrenze des Kapillarsaums schnell ändert, und dass sich die Position der Obergrenze des Kapillarsaums über die Zeit nicht ändert, wird der Stofftransport über die ungesättigte / gesättigte Grenzfläche durch die analytische Lösung der zugrundeliegenden Diffusionsgleichung beschrieben:

c = (c₀ - c_bg) erfc (z / 2√D_pt) + c_bg,

wobei c [M L^-3] die zum Zeitpunkt t [T] bestimmte Konzentration an der vertikalen Stelle z [L] entlang des Profils ist. c₀ [M L^-3] repräsentiert die Konzentration an der ungesättigten / gesättigten Grenzfläche (z = 0 m) bzw. die Hintergrundkonzentration innerhalb der gesättigten Zone. Der Porendiffusionskoeffizient, ist durch

D_p [L² T^-1], ist durch D_p = D_aq / ^_T, where D_aq [M² T^-1]

angegeben, wobei Daq [M² T^-1] der wässrige Diffusionskoeffizient der betrachteten Verbindung ist und T [-] die Tortuosität des porösen Materials. Unter Anwendung der korrekten Grenzbedingungen beschreibt die analytische Lösung das beobachtete Verhalten sowohl für Sauerstoff als auch für Kohlendioxid; ein abweichendes Verhalten könnte auf Verdunstung zurückzuführen sein. Unsere Messergebnisse für den pH-Wert sind nicht gezeigt, da die Auflösung bei pH 5,13 zu niedrig war und ein signifikanter Anstieg des pH-Werts im Laufe der Zeit nicht festgestellt werden konnte.

Zusammenfassung

Wir verwendeten die VisiSens™ Bildgebungssysteme für Sauerstoff und CO₂, um den Massentransfer dieser flüchtigen Stoffe über die ungesättigte / gesättigte Grenzfläche in einem porösen Medium und unter Verdunstungsbedingungen zu untersuchen. Mit den bildgebenden Systemen konnten wir die Dynamik der Konzentrationsgradienten von O₂ und CO₂ während der Experimente erfassen und visualisieren. Solche kontrollierten Laborexperimente sind entscheidend für das Verständnis der Kopplung zwischen der Atmosphäre und Schichten unter der Bodenoberfläche. Darüber hinaus sind solche Experimente hilfreich, um physikalisch basierte numerische Modelle einzugrenzen, die diese gekoppelten Prozesse in größeren Feldmasstäben beschreiben. Auch können sie helfen grundlegende Forschungsfragen wie die Entwicklung biogeochemischer Kreisläufe, den Transport flüchtiger Schadstoffe in großem Massstab, und die Evolution der Grundwasserqualität in Szenarien, die dynamische Einflussfaktoren berücksichten (z. B. Klimawandel, zunehmender anthropogener Druck und Veränderung der Landnutzung), zu beantworten.