Competing matrix-diffusion of charged solvents in fractured porous aquifers
Final Report Abstract
Ziel des DFG-Projektes "Konkurrierende Diffusion" ist die quantitative Beschreibung konkurrierender Diffusion ionarer Grundwasserinhaltsstoffe in hochporösen Festgesteinen. Schwerpunkte bei den Laboruntersuchungen bildeten der Einfluss der Ionenstärke der wässrigen Phase auf die Diffusion ionarer Grundwasserinhaltsstoffe, die wechselseitige Beeinflussung der Diffusion ionarer Stoffe und die Beeinflussung der Diffusion organischer Grundwasserinhaltsstoffe durch variierende Hintergrundionenaktivitäten in hochporösen Festgesteinen. Für allgemein gültige Aussagen bezüglich der konkurrierenden Diffusion in hochporösen Kreidegesteinen wurden für die Laborversuche Gesteinsproben von einem deutschen (Söhlde), einem dänischen (Sigerslev) sowie einem israelischen Standort (Negev) verwendet. Alle effektiven Diffusionskoeffizienten sowie die separat gemessenen Porositäten der Proben wurden zur Abschätzung eines Zusammenhangs zwischen Porosität und Diffusivität der Kreidegesteine analog zu Archie's Gesetz verwendet. Es konnten während des Forschungsprojektes signifikante Veränderungen der Matrixdiffusion im Labor durch eine konkurrierende Diffusion ionarer Grundwasserinhaltsstoffe in hochporösen Kreidegesteinen qualitativ und teilweise quantitativ beschrieben werden. Bei den Untersuchungen zur Konzentrationsabhängigkeit der Matrixdiffusion einzelner Ionenpaare wurde festgestellt, dass der effektive Diffusionskoeffizient mit einer Zunahme der Ionenstärke in der wässrigen Phase größer wird. Da diese Zunahme sich jedoch innerhalb oder nahe der Fehlertoleranz bzw. Schwankungsbreite der Methode befindet, war keine Quantifizierung möglich. Basierend auf den Laborergebnissen wird daher davon ausgegangen, dass der Einfluss der Ionenstärke auf die Diffusion ionarer Grundwasserinhaltsstoffe nur von untergeordneter Rolle ist. Vergleichbar zu den Ergebnissen zum Einfluss der Ionenstärke erbrachten die Versuche zur wechselseitigen Beeinflussung der Diffusion für Bromid und Natriumacetat (0,001 m Lösung) in den meisten Fällen eine geringfügige Erhöhung des De, die unter Berücksichtigung der gegebenen Fehlertoleranz nicht quantitativ ausgewertet wurden. Der Einfluss der Hintergrundionenaktivität der wässrigen Phase auf die effektiven Diffusionskoeffizienten ionarer Grundwasserinhaltsstoffe, der zu einer De-Zunahme bei einer Erhöhung der Gesamtionenaktivität führt, kann quantitativ über entsprechende Vorfaktoren in Archie’s Gesetz ausgewertet werden. Abhängig von der Ionenaktivität liegt a bei 1,25 (0,04 M KCl) und 2,50 (1 M KCl). Als neutraler Referenztracer zur Minimierung der Prognoseunsicherheit zeigte Deuterium, wie erwartet, keine Veränderung seines effektiven Diffusionskoeffizienten. Alle Untersuchungsergebnisse werden in Parameterstudien mit dem numerischen Modell Hydrosphere® dargestellt, um so die Bedeutung der einzelnen Parameter, z.B. veränderte Diffusivitäten aufgrund konkurrierender Ionendiffusion, auf den Stofftransport in geklüfteten hochporösen Festgesteinen aufzuzeigen. Hierbei ist erkennbar, dass ein Konzentrationsanstieg am Beobachtungspunkt bei steigender Hintergrundionenaktivität erst mit signifikanter Verzögerung stattfindet. Dieser Effekt ist auf die höhere beziehungsweise schnellere Diffusivität in höher molaren Lösungen zurückzuführen, wodurch die Tracerkonzentration in der Kluft zunächst schneller abnimmt und die Rückdiffusion aufgrund des höheren Konzentrationsgradienten nachhaltiger ausfällt.
Publications
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(2005): The influence of ionic forces on the effective diffusion coefficient in fractured, highly porous chalk. In: Conference Proceedings of the American Geophysical Union, AGU Meeting, San Francisco 5th - 9th of December 2005
Kremer, K. & Reichert, B.
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(2006): Matrix diffusion as a retardation process in fractured chalk. In: Conference Proceedings of the International Conference on Groundwater-Present Status and Future Task - The 34th Congress of International Association of Hydrogeologists, Beijing 9th – 13th of October 2006
Kremer, K. & Reichert, B.
