Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Axi-Symmetric Migration of Active Substances which Are Involved in a Sequential Reaction, and Transferred from the Underground Depository of Waste Materials

Sławomirski M.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Earth Sciences

|

2003

|

Vol. 51, nr 1

43-63

EN

In this paper one-dimensional migration of the chemically active substances transferred from the underground depository of waste materials by technical water has been considered. It has been assumed that active substances dissolved in water flowing through rocks are subjected simultaneously to the advection, sorption, and chemical reactions. The author has taken into account the situation in which the substance A flowing out the depository is transformed chemically into substance B, and substance B is afterwards transformed chemically into substance E. The author assumed that from the standpoint of chemical kinetics the sequential reaction A -› B -› E is of the first order. For the description of the propagation problem the system of partial differential transport equations have been applied. In the transport equations, the concentrations FA, FB,FE of substances A, B, E were handled to be the primary dependent variables. The cylindrical symmetry of the problem has been assumed. The system of differential equations describing the propagation process has been solved applying the Carson-Laplace integral transform method. Rational considerations have been completed with a brief discussion concerning the adequacy of the model for the genuine migration phenomenon.

2

The Balance Equation for Chemically Active Substances Flowing through Porous Materials

Sławomirski M.

Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Earth Sciences

|

2002

|

Vol. 50, nr 1

1-13

EN

The subject of the paper is related to the problem of possibility of the deposition of industrial waste materials in abandoned workings and cavings encountered in mines in which the underground exploitation of coal or metal ore has been finished. The paper considers the migration of chemically active substances dissolved in a fluid flowing through the rock mass. The rock is regarded as porous or fractured-porous material for which the relation between the fluid velocity and pressure gradient is represented by the Darcy's law. It is assumed that the principal mode of migration of dissolved substances is advection. Moreover, diffusion, absorption, adsorption, ion exchange and chemical reactions modify the concentration of the dissolved substance. The balance equation involving the superposition of the phenomena mentioned above bas been formulated with respect to a dissolved substance. A system of partial differential equations describing the migration of dissolved substances involved in the sequential reaction bas also been presented.

3

One-dimensional migration of an active substance involving subsurface advection, diffusion and sorption phenomena

Sławomirski M.

Archives of Mining Sciences

|

2002

|

Vol. 47, nr 4

521-537

EN

In this paper one-dimensional migration ofthe chemically active substance in the porous rock mass has been considered. It has been assumed that the active substance dissolved in water flowing through rocks is subjected simultaneously to the advection, diffusion, dispersion, sorption, ion exchange, and chemical disintegration processes. For the description of the problem the differential equations of balance and kinetics have been applied. The considerations are restricted to the initial phase of the migration process. Consequently, it has been assumed that at the initial time t = O the concentration of dissolved active substance C and the concentration of active substance sorbed in the rock are equal to zero. Moreover, the general non-linear kinetics equation may then be approximated by means of the linear relation. The differential equation describing the migration process has been solved applying the Carson-Laplace integral transform method. The solution for the case when the diffusion-dispersion process may be neglected has been compared to the solution for a the situation in which the diffusion and dispersion influence the pattern of the migration phenomenon.

PL

W artykule rozważono jednowymiarową migrację chemicznie aktywnej substancji w porowatym górotworze. Zagadnienie migracji substancji aktywnych posiada zasadnicze znaczenie dla problematyki podziemnego składowania szkodliwych odpadów przemysłowych. Zawarte w składowisku substancje toksyczne, rozpuszczone następnie w postaci jonów i unoszone przez przepływąjace wody podziemne, mogą być rozpraszane na znacznym obszarze, prowadząc do zatrucia podziemnych zasobów wodnych. Z punktu widzenia ochrony zasobów wodnych informacja dotycząca migracji skażeń ma zasadnicze znaczenie. W artykule przyjęto, że substancja rozpuszczona w wodzie przepływającej w skałach (zwana dalej substancją aktywną) podlega równocześnie procesom adwekcji, dyfuzji, dyspersji, sorpcji, wymiany jonowej i rozpadu chemicznego. Do opisu problemu zastosowane zostały równania różniczkowe bilansu i kinetyki. Jako podstawowe równania opisujące ruch płynu unoszącego substancje aktywne przyjęto równanie ciągłości przepływu w ośrodku porowatym (2) oraz formułę Darcy'ego (1). Jednowymiarowa propagacja substancji aktywnej opisana jest równaniem transportu (7) uwzględniającyej procesy wymienione uprzednio. W równaniu tym stężenie substancji w przepływającym płynie C oraz stężenie substancji zasorbowanej w skałach górotworu są podstawowymi zmiennymi zależnymi od położenia i czasu. Założono liniową kinetykę rozpadu substancji aktywnej daną wzorem (6), co z chemicznego punktu widzenia odpowiada reakcji I rzędu. Przyjęto, że procesy dyfuzji i dyspersji opisane są w wystarczającym przybliżeniu prawem Ficka (4). Rozważania ograniczono do początkowego stadium zjawiska migracji. Umożliwiło to przyjęcie założcnia, że w chwili początkowej koncentracja rozpuszczonej w wodzie substancji aktywnej C oraz koncentracja substancji aktywnej zasorbowanej w skałach są równe zeru. Ponadto nieliniowe równanie kinetyki procesu sorpcji i wymiany jonowej (5) może być wówczas aproksymowane relacją linową (8). W rezultacie ogólne równanie transportu (7) upraszcza się do postaci (9). Rozważono przypadek transportu jednowymiarowego, lecz uogólnienie równań na przypadki dwu- i trójwymiarowy nie stanonowi żadnego problemu. Przyjęto warunek początkowy, zgodnie z którym w chwili t = O konccntracja substancji aktywnej w przepływajacym płynie równa jest zeru, a dopływ tej substancji następuje poprzez brzeg x = O. Odpowiada to warunkom początkowo-brzegowym (10)-(12). W celu uniknięcia ewentualnych niejasności, w rozdziale 5 artykułu uściślono pojęcie początkowego stadium procesu migracji. Przyjmuje się, że proces migracji jest w stadium początkowym, jeśli nieliniowe równanie kinetyki procesu sorpcji i wymiany jonowej (5) może być aproksymowane relacją linową (8). Odpowiada to warunkowi (28), pokazanemu graficznie na rysunku l. Otrzymane równanie różniczkowe opisujące proces jednowymiarowej migracji (9) rozwiązano metodą transformacji Carsona-Laplace'a. Rozwiązanie fianlne w postaci całkowej (24) jest jednak niedogodne do przeprowadzania obliczeń i dlatego też skorzystano z numerycznych metod rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych. Równanie transportu (9) rozwiązano metodą różnic skończonych. Zastosowano aproksymację typu semi-implicitc (29), dzięki której problem sprowadzono do rozwiązania równania macierzowego (32) z macierzą współczynników L typu trójdiagonalnego. Analiza stabilności przyjętego schematu różnicowego (29), przeprowadzona szczegółowo w innej pracy autora (Sławomirski 2001) w oparciu o metodę analizy harmonicznej, prowadzi do warunku (30), który w obliczeniach efektywnych musi zawsze być spełniony. Przykładowe obliczenia przeprowadzono na komputerze Digital AlphaStation typu RISC, wykorzystując specjalnie do tego celu napisany przez autora program obliczeniowy oparty na przyjętym schemacie różnicowym. Ze względu na duże możliwości obliczeniowe maszyny zastosowano siatkę obliczeniową zawierającą 6000 węzłów. Wyniki obliczeń przedstawiono na rysunkach 2-5. Rozwązanie (34), (35) dla przypadku, gdy dyfuzja i dyspersja mogą być pominięte porównano z rozwiązaniem odpowiadającym sytuacji, gdy procesy dyfuzyjno-dyspersyjne mają istotny wpływ na finalny obraz zjawiska migracji. W przypadku gdy procesy dyfuzji i dyspersji są pominięte, rozwiązanie ma postać przesuwającej się w czasie fali eksponencjalnej "obciętej" przez wyraźny front falowy. Matematycznie jest on reprezentowany przez funkcję Heaviside'a (rys. 6). Obceność procesów dyfuzji i dyspersji "wygładza" front falowy, powodując nawet przy odpowiednio dużych wartościach współczynnika dyfuzji-dyspersji jego zaniknięcie. Z matematycznego punktu widzenia odpowiada to zmianie typu równania z hiperbolicznego na paraboliczne, w którym żadne nieciągłości pierwszej pochodnej rozwiązania nie powinny mieć miejsca.