Observation of Groundwater Transport Mechanisms Due to Surface Charge of Colloidal Tracers in Darcy Scale Experiments

Abstract

Die vorliegende Arbeit untersucht Transport und Rückhalt fluoreszierender Microspheres in gesättigten porösen Medien im Modellmaßstab. Grundlage sind vier Laborsäulenversuche, ausgewertet über Partikelmassenbilanzen und eine inverse Modellierung mit HYDRUS-1D. Eingesetzt wurden zwei Microsphere-Typen mit einem Durchmesser von 4.5 μm und unterschiedlicher Oberflächenladung, gelb-orange (YO) und gelb-grün (YG), sowie Bromid als konservativer Tracer. Die mit Quarzsand befüllten Säulen waren 10 cm lang, bei 1.5 cm Durchmesser. Für jeden Versuch wurden die Durchbruchskurve im Ausfluss und das tiefenaufgelöste Retentionsprofil bestimmt. Die Kalibrierung erfolgte zweistufig: zunächst das Strömungsfeld anhand des Bromid-Tracers, anschließend der Microsphere-Durchbruch mit separater Längsdispersivität und einem kinetischen Zwei-Stufen-Modell für Anlagerung und Ablösung. Die Versuche unterschieden sich in Partikeltyp, Porenwassergeschwindigkeit, Porosität (n = 0.37–0.45) sowie im Probenahmeverfahren: Drei Säulen wurden im gesättigten Zustand beprobt, eine zuvor entwässert. Das Transportverhalten war vom Partikeltyp abhängig und nicht von den hydraulischen Randbedingungen. Die YO-Microspheres verblieben nahezu vollständig in den obersten Zentimetern, ihre Ausflussanteile lagen unter 0.01%. Die YG-Microspheres erwiesen sich als deutlich mobiler und brachen mit bis zu 14.7% der injizierten Masse durch. Bei beiden Typen war der Rückhalt im oberen Säulenbereich am größten, was in der Literatur auf Anlagerung nahe dem Säuleneintritt und auf Straining, also Rückhalt in Porenengstellen, zurückgeführt wird. Die Profile verliefen jedoch flacher als erwartet und in zwei der vier Säulen lag das Maximum ein bis drei Zentimeter unterhalb des Eintritts, was ein monoton abfallendes Modell nicht abbilden kann. Insbesondere die YG-Versuche zeigten einen bimodalen Verlauf, dessen zweites Maximum auf eine verzögerte Remobilisierung zurückgehaltener Partikel hindeutet, da ein zweiter Fließweg eine Eigenschaft der Sandpackung wäre und dann auch bei YO und im Bromid-Tracer auftreten müsste. Die angepassten Anlagerungskoeffizienten der ersten Stelle lagen für YO (AttS1 = 0.44 und 0.63/min) rund eine Größenordnung über jenen für YG (0.030 und 0.062/min), was partikelspezifische Oberflächeneigenschaften widerspiegelt. Die Partikelmassenbilanzen schlossen mit etwa 70 bis 95 %. Die größte Einzelunsicherheit war die Eingangskonzentration, die in einem YO-Versuch nach einer volumenfreien Konsistenzprüfung um rund zwei Größenordnungen korrigiert werden musste. Hinzu kam die Anhaftung an den Schlauchwänden. Die inverse Modellierung bildete die Durchbruchskurven gut ab (R2 = 0.79–0.92 für die vier Microsphere-Anpassungen), zeigte jedoch deutliche Grenzen der Parameteridentifizierbarkeit. Der niedrigste Wert stammt aus dem stark bimodalen YG-Versuch, von dem das Ein-Domänen-Modell nur den führenden Peak erfasst. Microspheres und Quarzkörner sind beide negativ geladen, die resultierende Energiebarriere ist jedoch bei YG stark ausgeprägt und bei den schwach geladenen YO-Sphären weitgehend abwesend. Die Kolloidfiltrationstheorie setzt eine tiefenunabhängige Abscheiderate voraus und sagt damit eine exponentiell mit der Tiefe abnehmende Rückhaltung vorher. Die YO-Profile kommen dieser Vorhersage am nächsten, was zu den hohen Anlagerungskoeffizienten und der nahezu vollständigen Rückhaltung in den ersten Zentimetern passt. Die YG-Profile fallen weniger als halb so steil ab und erreichen das Säulenende auf noch deutlichem Niveau. Bei ihnen beschränkt die Energiebarriere die Abscheidung auf wenige günstige Oberflächenstellen, sodass Straining und Unterschiede in der Sandpackung die Profilform mit prägen.

This thesis examines how fluorescent microspheres, used as model colloids, move through and are retained in saturated porous media. Four laboratory column experiments were run and evaluated with particle mass balances and inverse modelling in HYDRUS-1D. Two 4.5 μm microsphere types with different surface charges, yellow-orange (YO) and yellow-green (YG), were applied to saturated quartz-sand columns (10 cm long, 1.5 cm in diameter) together with a conservative bromide tracer. For each run the effluent breakthrough curve and the depth-resolved retention profile were recorded. Calibration proceeded in two steps. The bromide tracer first fixed the flow field of the column. The microsphere breakthrough was then fitted with its own longitudinal dispersivity and a two-site kinetic attachment/detachment model. The four runs differed in particle type, pore-water velocity and porosity (n = 0.37–0.45), and also in the sampling procedure: three columns were excavated fully saturated, one was drained beforehand. Particle type, not the hydraulic setting, governed the transport. The YO spheres stayed almost entirely in the upper few centimetres of the column, and their effluent fractions remained below 0.01%. The YG spheres travelled much further and broke through with up to 14.7% of the injected mass. For both microsphere types the retained concentration was highest in the upper part of the column and fell towards the outlet, which the literature attributes to attachment close to the inlet and to straining in pore constrictions. The profiles were flatter than that picture suggests, and in two of the four columns the maximum sat one to three centimetres below the inlet rather than at it, which a model decaying monotonically from the surface cannot reproduce. The YG runs in particular were clearly bimodal, with a marked second maximum that points to delayed release of previously retained particles, since a second flow path would be a property of the packing and would then also appear in the YO runs and in the bromide tracer, which it does not. The fitted first-site attachment coefficients were about an order of magnitude larger for YO (AttS1 = 0.44 and 0.63/min) than for YG (0.030 and 0.062/min), which reflects a particle-specific difference in surface properties that controls attachment to the negatively charged quartz. Recovery in the particle mass balances ranged from about 70 to 95%. Two effects accounted for the missing mass. The largest was the input concentration: for one YO experiment it had to be corrected by roughly two orders of magnitude after a volume-free consistency check, and it stayed the dominant uncertainty throughout. Adhesion to the tubing walls added further losses. The inverse model matched the breakthrough curves well (R2 = 0.79–0.92 for the four microsphere fits), but it also exposed clear limits to parameter identifiability. The lowest R2 belongs to the strongly bimodal YG run, of which the single-domain model reproduces only the leading peak. Both microsphere types are negatively charged, as are the quartz grains, but they differ strongly in how unfavourable attachment is. The barrier is pronounced for YG and largely absent for the weakly charged YO spheres. Colloid filtration theory assumes a depth-invariant deposition rate and predicts retention that decays exponentially with depth. The YO profiles come closest to that prediction, which is consistent with their high attachment coefficients and their near-complete retention within the first centimetres. The YG profiles depart from it, decaying at less than half the rate and reaching the bottom of the column at a substantial level. For these particles, the energy barrier restricts deposition to a small fraction of favourable sites, so that straining and variations in the packing shape the profile alongside attachment.