Original paper

Modellierung von Transportprozessen dargestellt am Beispiel Chrom (III) / Chrom (VI)

[Modelling of transport processes for the examples of chronium(III) and chromium(VI)]

Ebert, Markus; Hencke, Jörg; Isenbeck-Schröter, Margot

Kurzfassung

Das Transportverhalten von Cr (VI) wurde in Säulenversuchen mit Quarzsand, kalkhaltigem Sand und Quarzsand mit Goethit untersucht, während der Cr(III)-Transport für das Quarzsandsystem beschrieben wurde. Die aus den Versuchen gewonnenen Durchgangskurven wurden mit den Modellen CoTAM (HAMER & SIEGER 1994) und S.O.T.S. (SELIM et al. 1990) vergleichend simuliert. In beiden Modellen wird die Transportgleichung durch das Finite-Differenzen-Verfahren nach einem gemischt explizit/impliziten Schema iterativ gelöst. Für die Beschreibung der Sorptionsvorgänge verwenden beide Programme "Two-Site" LANGMUIR-Isothermen (bei CoTAM optional auch andere Isothermen), die Sorptionskinetik wird jedoch unterschiedlich eingebracht. Im Modell CoTAM sind Ratenkoeffizienten erster Ordnung vorgesehen, während das Modell S.O.T.S. mit kinetischen Konstanten zweiter Ordnung arbeitet. Mit beiden Modellen konnten die Durchgangskurven aus drei Säulenversuchen simuliert werden. Durch die Modellierung wurden Isothermenparameter und Ratenkonstanten bestimmt, mit denen sowohl die Sorption als auch die Desorption berechnet werden konnten. Der Cr(VI)-Durchbruch im Quarzsand-Goethtit-System konnte aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Sulfat und Chromat mit keinem der Modelle abgebildet werden.

Abstract

The transport behaviour of Cr(VI) was studied in laboratory experiments using saturated columns filled with quartz sand, calcereous sand and quartz sand with geothite. The transport behaviour of Cr(III) was described for a quartz sand system. The observed breakthrough curves (BTCs) were simulated with the CoTAM model (HAMER & SIEGER 1994) and the S.O.T.S. model (SELIM et al. 1990). Finite differences approximations in an explicit/implicit scheme were used to solve the one-dimensional transport equation in each model. In both programs sorption processes were described by a "Two-Site" LANGMUIR-isotherm (for CoTAM optional other isotherms), but the kinetics of sorption was described in different ways. The model CoTAM uses first-order kinetic rate coefficients while the model S.O.T.S. works with second-order kinetics. The BTCs of three column experiments could be modelled with each of the two models. Both, measured sorption and desorption could be modeled with the same isotherm-parameters and rate coefficients reach by fitting. The Cr(VI)-breakthrough in the quartzsand-goethite system could not be modelled due to interactions between sulphate and chromate.

Keywords

Soil-column experimentssandtransport simulationchromium (III)chromium (VI)sorptionporositykinetics