Austausch von O₂ und CO₂ im Kapillarsaum eines por?sen 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 Grenzfl?che zwischen der unges?ttigten und ges?ttigten Zone zu untersuchen. In den Experimenten diffundierte Sauerstoff aus der Atmosph?re in die sauerstoffabgereicherte w?ssrige Phase, w?hrend 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 zeitabh?ngigen Konzentrationsverteilung erm?glichte 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 Verst?ndnis der biogeochemischen Kreisl?ufe von Sauerstoff und Kohlenstoff zu verbessern und die Auswirkungen von bestimmenden Faktoren (z. B. Klimawandel, Landnutzung usw.) auf die Grundwasserqualit?t 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 (M?rkische Kies- und Kalksandsteinwerke GmbH, Deutschland). Vor Beginn des Experiments betrieben wir die Diffusionszelle als Durchflusssystem, um in der vollst?ndig wasserges?ttigten Zone gleichm??ige Konzentrationen von Sauerstoff und CO₂ zu erhalten. Durch Hohlnadeln (Au?endurchmesser 1,2 mm) wurde mit einer hochpr?zisen Peristaltikpumpe (IPC 24, ISMATEC, Schweiz) eine NaCl-L?sung (Ionenst?rke 100 mM) injiziert. Die NaCl-L?sung wurde mit einem CO₂-haltigen Gasgemisch gespült und anschlie?end in einem gasdichten Tedlar?-Gasprobenbeutel aufbewahrt. Nachdem der Gleichgewichtszustand erreicht war, wurde der horizontale Fluss gestoppt und das Diffusionsexperiment gestartet. Sauerstoff diffundierte von der Atmosph?re nach unten in die sauerstoffabgereicherte w?ssrige Phase, w?hrend CO₂, das anfangs in der ges?ttigten Zone in hoher Konzentration vorhanden war, nach oben diffundierte. Es wurde erwartet, dass das Entgasen von CO₂ den anf?nglich niedrigen pH-Wert in der ges?ttigten Zone (pH 5,13, ??bestimmt für eine Abwasserprobe vor Beginn des Experiments) erh?ht. Wir zeichneten die 2D-Verteilung von Sauerstoff und CO₂ über die unges?ttigte / ges?ttigte Grenzfl?che 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 Innenw?nde der Durchflusskammer geklebt (Abb. 1a). Wir bestimmten auch die 2D-pH-Verteilung mit einer zus?tzlichen Optrode (VisiSens? A2 mit SF-HP5R, 2 cm x 8 cm). An jeder VisiSens? -Kamera wurde ein Adapter-Tubus angebracht, der Aufnahmen mit einer Fl?che von 2,4 cm x 1,9 cm zulie?. Durch die Aufnahme mehrerer kontinuierlicher Bilder zu verschiedenen Zeitpunkten wurde die gesamte Sensorfl?che ausgelesen. Die Experimente wurden in einem temperaturkontrollierten Raum bei 25 ° C durchgeführt. In den Experimenten war es Wasser m?glich, aus dem por?sen 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 w?hrend 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 Kapillarsaumh?he zuvor mit 4 cm bestimmt. Aufgrund des hohen Wassergehaltes innerhalb des Kapillarsaumes beobachteten wir an der oberen Grenze ein Konzentrationsgef?lle 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 ges?ttigte por?se Medium hinein ausbreitete und zugleich das CO₂ zunehmend aus der ges?ttigten Zone in die Atmosph?re 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 zeitabh?ngige Diffusionsverhalten beobachtet werden. Unter der Annahme, dass sich der Wassergehalt an der Obergrenze des Kapillarsaums schnell ?ndert, und dass sich die Position der Obergrenze des Kapillarsaums über die Zeit nicht ?ndert, wird der Stofftransport über die unges?ttigte / ges?ttigte Grenzfl?che durch die analytische L?sung 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] repr?sentiert die Konzentration an der unges?ttigten / ges?ttigten Grenzfl?che (z = 0 m) bzw. die Hintergrundkonzentration innerhalb der ges?ttigten 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 w?ssrige Diffusionskoeffizient der betrachteten Verbindung ist und T [-] die Tortuosit?t des por?sen Materials. Unter Anwendung der korrekten Grenzbedingungen beschreibt die analytische L?sung das beobachtete Verhalten sowohl für Sauerstoff als auch für Kohlendioxid; ein abweichendes Verhalten k?nnte auf Verdunstung zurückzuführen sein. Unsere Messergebnisse für den pH-Wert sind nicht gezeigt, da die Aufl?sung 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 unges?ttigte / ges?ttigte Grenzfl?che in einem por?sen Medium und unter Verdunstungsbedingungen zu untersuchen. Mit den bildgebenden Systemen konnten wir die Dynamik der Konzentrationsgradienten von O₂ und CO₂ w?hrend der Experimente erfassen und visualisieren. Solche kontrollierten Laborexperimente sind entscheidend für das Verst?ndnis der Kopplung zwischen der Atmosph?re und Schichten unter der Bodenoberfl?che. Darüber hinaus sind solche Experimente hilfreich, um physikalisch basierte numerische Modelle einzugrenzen, die diese gekoppelten Prozesse in gr??eren Feldmasst?ben beschreiben. Auch k?nnen sie helfen grundlegende Forschungsfragen wie die Entwicklung biogeochemischer Kreisl?ufe, den Transport flüchtiger Schadstoffe in gro?em Massstab, und die Evolution der Grundwasserqualit?t in Szenarien, die dynamische Einflussfaktoren berücksichten (z. B. Klimawandel, zunehmender anthropogener Druck und Ver?nderung der Landnutzung), zu beantworten.