Second Presentation B T C


Published on

Solute transport parameters for three sediments with different texture and structure are obtained via a lab column breakthrough (BTC) technique and modeling

Published in: Technology
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Second Presentation B T C

  1. 1. Presentation by Prof. Dr. Mohamed Fahmy Hussein The 4 th Conference on Recent Technologies in Agriculture Challenges of Agricultural Modernization Faculty of Agriculture, Cairo University Tuesday, 3-5 November, 2009
  2. 2. Mohamed Fahmy Hussein * BTC Solute-Transport Parameters for Three Sediments استخدام تقنية منحنى الاجتياز لنمذجة مؤشرات انتقال الذائبات * Cairo Univ., Fac. of Agric., Soil & Water Dept., Egypt,
  3. 3. Prelude – page-1 <ul><li>Solutes move in soils mainly with water the mass-flow ( convection-advection ) process, a transient process modified by the hydrodynamic-dispersion and diffusion , and this makes that processe highly complicated. </li></ul><ul><li>A given soil controls “solute-transport ” differently from any other soil, even under the saturated steady-state water flow, due to the different magnitudes of the involved parameters. </li></ul><ul><li>A mathematical-model representing that phenomenon ( Fick’s Second Law ) is a “general” second-order differential CDE that may be solved, for each case, under a given set of initial and boundary condition equations. </li></ul><ul><li>A closed-form analytical-solution (CfitM) is available on computer to calculate the unknown parameters. </li></ul>
  4. 4. Prelude – page-2 <ul><li>The values of the unknown-parameters once obtained on computer after BTC experiments, may be used further for the simulation of solute movements in soil. This is of primary importance to pollution, fertilization and salinization issues. </li></ul><ul><li>The purpose of this work was to run soil-column lab-experiments ( BTC technique ) in order to get the values of the unknowns for three soil-materials of different nature (from sandy- to clayey-textured and single-grained to aggregated soil-materials.) </li></ul><ul><li>To complete the image, the soil-moisture retention-curves (pF-curves) and the dry-sieving of the used soil-materials were studied to make a link with pore-size distribution. </li></ul>
  5. 5. Particle- and Aggregate fractions and Dry-Sieving Results C U (= d 60 /d 10 ) is the Uniformity Coefficient , high C U value means low uniformity
  6. 6. Dry-Sieving Results for the Main Three Samples
  7. 7. Equations Used for fitting the hydraulic functions  (  ) and K (  ) <ul><li> res res. mois. </li></ul><ul><li> s sat. moist. </li></ul><ul><li>K simulated unsaturated hydraulic-conductivity </li></ul><ul><li> fitness parameter (with 1/  the tension at bubbling) </li></ul><ul><li>b fitness parameter (with b-1 = m * b = l ) </li></ul><ul><li> pore-size distrib. param. ( = b m , controling slope, C , of tangent to pF curve) </li></ul><ul><li>m = 1 – 1/b Mualem constraint </li></ul><ul><li>m = 1 – 2/b Burdine constraint </li></ul><ul><li>m and b empirical constants </li></ul><ul><li>L pore connectivity parameter (fixed at 0.50 in Chemflo) </li></ul>
  8. 8. Soil-moisture Retention Curve (pF-curve)
  9. 9. Pore-size Distribution for the Three Main Samples
  10. 10. Fick’s-Law (Second-Order Differential Eq. of Solute-Transport in porous media) <ul><li> soil-moisture content, dimensionless bulk-fraction </li></ul><ul><li>C L solute concentration, mg.l -1 </li></ul><ul><li>D effective hydrodynamic dispersion coeffient, cm 2 .hr -1 </li></ul><ul><li>Z depth, nevative downward, cm </li></ul><ul><li>q Darcy velocity (flux), negative downward, -1 </li></ul><ul><li>S solute-decay (by a chemical or a biological </li></ul><ul><ul><ul><li>Kinetic-reaction ); a sink-term usually ignored in BTC’s </li></ul></ul></ul>
  11. 11. BTC’s for Three Packed Fine-Earth Sediments
  12. 12. Some Parameters – page-1 <ul><li>Peclet , P ratio of mass-flow transport (  x L ) relative to hydrodynamic-dispersion ( D L ). P increases when (  x L ) surpasses ( D L ) (high P means efficient leaching ). </li></ul><ul><li> x mean pore-water velocity, cm/hr </li></ul><ul><li>L column length, cm </li></ul><ul><li>D L effective hydrodynamic -dispersion coefficient , cm 2 /hr </li></ul><ul><li>q Darcy velocity, cm/hr </li></ul><ul><li> bulk moisture-content, fraction </li></ul><ul><li> longitudinal dispersivity, cm </li></ul>
  13. 13. <ul><li>Retardation factor, R , </li></ul><ul><li>R <1, </li></ul><ul><li>this implies the presence of one or more of the following processes : </li></ul><ul><ul><li>● anion exclusion, </li></ul></ul><ul><ul><li>● solute precipitation </li></ul></ul><ul><ul><li>● immobile moisture . </li></ul></ul><ul><li>R >1, </li></ul><ul><ul><li>● k ( distribution coefficient, cm 3 solution/g soil ) </li></ul></ul><ul><ul><li>is positive (cation exchange or anion adsorption) . </li></ul></ul><ul><li>R =1, </li></ul><ul><ul><li>● indicates lack of solute reaction with soil. </li></ul></ul>Some Parameters – page-2
  14. 14. <ul><li>Distribution coefficient, k , cm 3 solution /g soil </li></ul><ul><li>When R <1, k will be negative (solute precipitation or anion exclusion, (- k ) is the “ specific anion exclusion ” (cm 3 /g soil) and (1–R) is the “ relative volume of anion exclusion ” ( dimensionless ). BTC’s may give better appreciation of adsorption than batch-technique, where soil is mixed with a volume of solution to determine k d by Frundlich equation: </li></ul><ul><li>q = k d C 1/n </li></ul><ul><li>q concentration of adsorbed solute, mmol/kg soil , </li></ul><ul><li>C concentration of added solution, mmol/kg soil </li></ul><ul><li>n power term (generally considered as unity) </li></ul>Some Parameters – page-3
  15. 15. <ul><li>Longitudinal dispersivity,  , cm : It is a length parameter that represents soil non-homogeneity (due to presence of different particle- and void-sizes that define the microscopic configuration of the solid-liquid interface.) </li></ul><ul><li>It may be obtained from the slope of the BTC curve at its inflection point (at C/C 0 = 0.50 in simple case). It may be close to the mean diameter of soil particles if soil was homogeneous, but it becomes larger when soil is non-homogeneous. It may appear small in numerical models due (to a technical problem known as “numerical dispersion”). </li></ul>Some Parameters – page-4
  16. 16. BTC’s Computer Results for Samples and Size-Fractions
  17. 17. ملخص <ul><ul><li>كان من المستحيل عملياً الحفاظ على حالة التشبع الرطوبى برمال الكثبان، وظهر أن معامل الإبطاء R الخاص بالرمال قريب للغاية من الواحد الصحيح ) انعدام تفاعلها مع الذائب ( على حين كانت قيمة رقم بيكليت P متوسطة ) من 49 إلى 61 ( و كانت التشتتية  متوسطة ) من 0.49 إلى 0.61 سنتيمتر ( مما يعنى أن كفاءة غسيل معتدلة تحت سريان مائى قريب من التشبع ) وكان المتوقع الحصول على قيم صغيرة لمؤشر التشتتية - كفاءة غسيل عالية - فيما لو كان السريان تام التشبع قد تحقق . ( </li></ul></ul><ul><ul><li>أما غرين شط النيل فقد أعطى قيماً مرتفعة لرقم بيكليت ) من 117 إلى 180 ( وقيماً صغيرة للتشتتية ) من 0.17 إلى 0.26 سنتيمتر ( مما يعبر عن أعلى كفاءة غسيل شاهدناها بالرواسب المستخدمة، على حين كان معامل الإبطاء يقل عن الواحد الصحيح ) أى وجود قدر من الطرد الأنيونى بهذا الغرين . ( </li></ul></ul><ul><ul><li>وفيما يخص التجمعات البنائية الجبرية الطينية حصلنا على مجال واسع نسبياً لمدى رقم بيكليت وإن كانت كلها قيماً صغيرة ) من 9 إلى 34 ( ، فى حين كان مؤشر التشتتية كبيراً ) من 0.95 إلى 3.4 سنتيمتر ( ، وتزايدت تشتتية المادة الجيرية بزيادة حجم التجمعات البنائية ) أى انخفاض كفاءة الغسيل بزيادة حجم التجمعات ( ، أما معامل الإبطاء فكان يقل بوضوح عن الواحد الصحيح ) أى تعجيل اجتياز الذائبات لعمود التربة بفعل وجود قدر ملموس من الطرد الأنيونى بالتجمعات الطينية الجيرية . ( </li></ul></ul><ul><ul><li>وعلى النقيض مما شاهدناه فى التجمعات الجيرية ) من انخفاض رقم بيكليت ( نعتقد أن ارتفاع رقم بيكليت لكل من رواسب شط النيل ورمال الكثبان يعنى أن انتقال الذائبات مع حركة كتلة المياه - بهذين النوعين الأخيرين من الرواسب - هو الآلية السائدة بهما ، على حين كان انتقال الذائبات عن طريق ميكانيزم التشتت والانتشار بهما ضئيل، ولكنه مؤثر بالتجمعات الطبنية الجيرية . </li></ul></ul><ul><ul><li>من الفوارق التى لاحظناها بقيم تلك المؤشرات تتضح أهمية دراسة انتقال الذائبات لما لها من مردود على الرى والموارد الأرضية، فنرى اعتمادها عند التعامل مع رى وصرف الأراضى وتملحها وتسميدها وتلوثها . </li></ul></ul>
  18. 18. شكراً Thank You