| Abstract | The theory for modeling non-equilibrium solute transport in porous media is still based on approximations to a
model proposed by Lapidus and Amundson in 1952 that has not been updated. This Mobile-Immobile Model
(MIM) is based on the definition of a mass-transfer coefficient (?), which has been proven subject to some severe
limitations. Measurements at both laboratory and field scales have demonstrated the scale-dependency of ?
values. This means that the MIM theory fails in real applications, since ? is not constant, as defined in the kinetic
model theory, but is a time-residence (or distance) dependent coefficient. Multi-rate mass-transfer models have
been proposed in recent literature to capture real-world solute transport with a multiple mass transfer. In this
study, we propose a novel model, which implements the analytical solution of Fick's second law of diffusion
directly in the nonequilibrium advection/dispersion equation of solute transport in porous media. New model
solutions properly fitted data collected during tracer tests carried out at the CNR-IRSA Laboratory (Bari, Italy) in
a horizontal sandbox, 2m of length, by using sodium chloride as the conservative tracer. Selected breakthrough
curves at specific positions were used to validate the proposed model solution and estimate both conventional
and proposed coefficients of mass transfer. Results have shown a decreasing trend of ? from 0.09 to 0.04 h-1
after about 1.2m of filtration for the investigated sand, whereas new solutions provide two scale-invariant tracer
coefficients of rate of tracer mass-transfer (0.004 ± 0.005 h-1) and of tracer time delay (1.19 ± 0.01). The
proposed model performs very well, since it provides a readily solved analytical solution with respect to the
conventional MIM. Results of the proposed MIM are very similar to those provided by the conventional MIM. The
new model solution can be implemented in particle tracking or random walk software in order to solve twodimensional
nonequilibrium solute transport in groundwater. |
| Text | 400014 2018 10.1016/j.jconhyd.2018.06.004 ISI Web of Science WOS 2,284 Mobile immobile transport model Fick s solution Invariant mass transfer rate coefficient Mass transfer impact on solute mobility in porous media A new mobileimmobile model Costantino Masciopinto , Giuseppe Passarella Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Ricerca Sulle Acque, Reparto di Chimica e Tecnologia delle Acque, 5 via Francesco De Blasio, 70132 Bari, Italy The theory for modeling non equilibrium solute transport in porous media is still based on approximations to a model proposed by Lapidus and Amundson in 1952 that has not been updated. This Mobile Immobile Model MIM is based on the definition of a mass transfer coefficient , which has been proven subject to some severe limitations. Measurements at both laboratory and field scales have demonstrated the scale dependency of values. This means that the MIM theory fails in real applications, since is not constant, as defined in the kinetic model theory, but is a time residence or distance dependent coefficient. Multi rate mass transfer models have been proposed in recent literature to capture real world solute transport with a multiple mass transfer. In this study, we propose a novel model, which implements the analytical solution of Fick s second law of diffusion directly in the nonequilibrium advection/dispersion equation of solute transport in porous media. New model solutions properly fitted data collected during tracer tests carried out at the CNR IRSA Laboratory Bari, Italy in a horizontal sandbox, 2m of length, by using sodium chloride as the conservative tracer. Selected breakthrough curves at specific positions were used to validate the proposed model solution and estimate both conventional and proposed coefficients of mass transfer. Results have shown a decreasing trend of from 0.09 to 0.04 h 1 after about 1.2m of filtration for the investigated sand, whereas new solutions provide two scale invariant tracer coefficients of rate of tracer mass transfer 0.004 ± 0.005 h 1 and of tracer time delay 1.19 ± 0.01 . The proposed model performs very well, since it provides a readily solved analytical solution with respect to the conventional MIM. Results of the proposed MIM are very similar to those provided by the conventional MIM. The new model solution can be implemented in particle tracking or random walk software in order to solve twodimensional nonequilibrium solute transport in groundwater. La teoria per la modellizzazione del trasporto di soluto non di equilibrio in mezzi porosi si basa ancora su approssimazioni del modello proposto da Lapidus e Amundson nel 1952 che non e stato aggiornato. Questo modello mobile Immobile MIM si basa sulla definizione di un coefficiente di trasferimento di massa , che e stato dimostrato soggetto ad alcuni gravi limitazioni. Le misurazioni di laboratorio e di campo hanno dimostrato la dipendenza dalla scala dei valori di . Cio significa che la teoria MIM fallisce nelle applicazioni reali, poiche non e costante, come definito nella cinetica della teoria dei modelli, ma e un coefficiente dipendente dal tempo di residenza o distanza . I modelli di trasferimento di massa a multi velocita sono stati proposti di recente in letteratura per catturare il trasporto del soluto nel mondo reale con un trasferimento di massa multiplo. In questo studio, proponiamo un nuovo modello teorico che implementa la soluzione analitica della seconda legge di diffusione di Fick direttamente nell equazione di non equilibrio di dispersione del trasporto del soluto nei mezzi porosi. Il nuovo modello determina soluzioni appropriatamente correlate ai dati raccolti durante i test di tracciamento effettuati presso il laboratorio del CNR IRSA Bari, Italia in un sandbox orizzontale di 2 m di lunghezza e utilizzando il cloruro di sodio come tracciante conservativo. Le curve di testituzione del cloruro, a posizioni specifiche, sono state utlizzate per convalidare la soluzione del modello proposta e stimare sia i valori dei coefficienti proposti di trasferimento di massa che quelli convenzionali. I risultati hanno mostrato una tendenza decrescente di da 0,09 a 0,04 h 1 dopo circa 1,2 m di filtrazione per la sabbia investigata, mentre le nuove soluzioni forniscono due parametri invarianti con la scala, cioe il coefficiente del trasferimento di massa del tracciante 0,004 ± 0,005 h 1 e il coefficiente di ritardo ritardo del tracciante 1,19 ± 0,01 . Il il modello proposto funziona molto bene, poiche fornisce una soluzione analitica molto piu facile da applicare rispetto alla soluzione del MIM convenzionale. I risultati del nuovo MIM sono molto simili a quelli forniti dalle soluzioni convenzionali. Questa nuova soluzione puo essere implementata in un software di tracciamento di particelle, i.e. particle traking o random walk per risolvere il problema bidimensionale del trasporto di soluti nelle acque sotterranee, in condizioni di non equilibtio. 215 Published version https //doi.org/10.1016/j.jconhyd.2018.06.004 Mass transfer impact on solute mobility in porous media A new mobileimmobile model Propone una nuova teoria per il trasporto di soluti passivi in mezzi porosi in condizioni di non equilibrio chimico determinate dalla presenza di scambi di massa di soluti tra acqua mobile e acqua immobile. Il vantaggo del uovo modello constiste nella facilita di applicazione e nell invarianza del coefficiente di trasferimento di massa con la scala di applicazione. JCH_AI_2018.pdf Articolo in rivista Elsevier 0169 7722 Journal of contaminant hydrology Journal of contaminant hydrology J. contam. hydrol. Journal of contaminant hydrology. giuseppe.passarella PASSARELLA GIUSEPPE costantino.masciopinto MASCIOPINTO COSTANTINO TA.P04.005.008 Integrazione di metodologie per il monitoraggio e la modellizzazione per la gestione delle risorse idriche TA.P04.005.010 Metodi, dispositivi di stima dei parametri idrogeologici e modelli matematici |
