RICERCA ITALIANA     

Studio sperimentale e teorico della applicabilità di processi elettrocinetici per il controllo della propagazione degli inquinanti nei terreni a grana fine

Università degli Studi di Perugia

Abstract

Il progetto di ricerca intende fornire un contributo a carattere sia sperimentale che teorico-numerico allo studio delle barriere elettrocinetiche per il contenimento delle sostanze inquinanti per discariche di nuova progettazione o per la cinturazione di siti contaminati.
Gli aspetti innovativi del progetto riguardano:
a) La caratterizzazione sperimentale del comportamento idro-elettro-chemo-meccanico dei terreni argillosi saturi e non saturi, soggetti a trattamenti elettrocinetici;
b) La formulazione di un modello matematico per la descrizione dei processi di deformazione e conduzione idraulica, ionica ed elettrica accoppiate, finalizzata alla analisi quantitativa del comportamento di barriere o cinturazioni elettrocinetiche;
c) L’mplementazione numerica, mediante il metodo degli elementi finiti, del modello matematico per i processi di deformazione e conduzione idraulica, ionica ed elettrica accoppiate;
d) La realizzazione di test pilota in laboratorio per la validazione dei modelli teorico/numerici in condizioni di flusso e deformazione mono- e multidimensionali. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Claudio Tamagnini Università degli Studi di PERUGIA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Obiettivo primario del programma di ricerca è valutare le potenzialità offerte nel campo dell’ingegneria ambientale dall’impiego di tecnologie innovative per il contenimento delle sosotanze inquinanti presenti nel sottosuolo, quali le barriere elettrocinetiche o le cinturazioni elettrocinetiche. A tale fine, la ricerca si propone, da un lato, di approfondire lo stato attuale delle conoscenze, a livello sperimentale, dei fenomeni di deformazione e conduzione (idraulica, ionica ed elettrica) accoppiati – noti come fenomeni elettrocinetici - che si manifestano applicando un campo elettrico ad un terreno argilloso; dall’altro, di mettere a punto un modello teorico per tali fenomeni che, sulla base di una opportuna implementazione numerica mediante il metodo degli elementi finiti, consenta di fornire delle previsioni quantitative circa l’efficacia di barriere elettrocinetiche e cinturazioni elettrocinetiche, e di valutare caso per caso le condizioni di esercizio ottimali, in termini di disposizione geometrica degli elettrodi, differenza di potenziale applicata, durata del trattamento, etc.

Il raggiungimento di tale obiettivo prevede le seguenti attività fondamentali:

1. Determinazione in laboratorio delle caratteristiche di conducibilità elettrica e di permeabilità elettroosmotica di terreni saturi e non saturi.
2. Determinazione sperimentale del comportamento meccanico e idraulico in condizioni sature e non sature di terreni naturali e di terreni compattati impiegati come barriera contro la propagazione degli inquinanti, e studio dei processi di degradazione nel tempo per effetto di variazioni cicliche della composizione chimica del fluido interstiziale e del contenuto in acqua.
3. Studio sperimentale degli effetti di prolungati trattamenti elettrocinetici sulla microstruttura dei materiali di barriera e sul loro comportamento meccanico e idraulico in condizioni sature e non sature.
4. Formulazione matematica del problema di deformazione e conduzione idraulica, ionica ed elettrica accoppiate.
5. Modellazione costitutiva, nell'ambito della teoria della plasticità con incrudimento generalizzato, del comportamento dei materiali argillosi impiegati per le barriere.
6. Implementazione numerica, mediante il metodo degli elementi finiti, del modello matematico per i processi di deformazione e conduzione idraulica, ionica ed elettrica accoppiate.
7. Realizzazione di test pilota in laboratorio per la validazione dei modelli teorico/numerici sviluppati, in condizioni di flusso e deformazione mono- e multidimensionali. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il controllo della migrazione delle sostanze inquinanti presenti nelle discariche di rifiuti solidi urbani o disperse nel terreno in siti interessati da lavorazioni industriali mediante barriere di contenimento di vario genere rappresenta uno dei problemi applicativi di maggiore interesse nell’ambito della geotecnica ambientale. Per le discariche di nuova realizzazione, esso viene tipicamente affrontato impiegando barriere artificiali realizzate mediante liners in argilla compattata e/o geomembrane. Tali elementi sono spesso integrati tra loro e con sistemi di raccolta del percolato a formare dei sistemi di sbarramento complessi quali, ad es., doppie barriere con trappola idraulica (Rowe et al. 1997). Per i siti nei quali discariche non adeguatamente progettate hanno dato luogo a fenomeni di inquinamento ambientale, o dove siano presenti residui tossici di processi di trasformazione industriale, è invece necessario prevedere la progettazione di interventi di messa in sicurezza, in relazione alle prescrizioni normative vigenti. Tali interventi possono comportare la realizzazione di barriere idrauliche quali diaframmi plastici realizzati con miscele terreno-bentonite o cemento-bentonite, per intercettare e limitare la propagazione nel sottosuolo degli agenti inquinanti, quando il trattamento dei terreni interessati per la loro rimozione non sia percorribile da un punto di vista tecnico/economico. In entrambi i casi, il principio alla base della progettazione consiste nell’isolare efficacemente le sostanze inquinanti dall’ambiente circostante.
Tuttavia, nella valutazione della efficacia di un sistema di contenimento, così come nella selezione tra le varie possibili alternative progettuali, è opportuno tener presente i seguenti fattori:

1. La durabilità nelle condizioni di lungo termine delle membrane di geosintetico poste in opera in ambienti estremamente aggressivi rappresenta tuttora una questione aperta. Inoltre, la presenza di difetti di costruzione può pregiudicare l’efficacia della barriera.
2. Le barriere di argilla compattata possono risultare molto efficaci nel limitare il trasporto dei contaminanti per convezione, anche in presenza di rilevanti gradienti idraulici, ma sono relativamente meno efficienti nel controllare il trasporto per diffusione.
3. La permeabilità idraulica di una barriera di argilla compattata può inoltre essere influenzata in misura significativa dalla composizione chimica del fluido interstiziale (compatibilità chimica, si veda ad es. Fernandez &amp; Quigley 1985; Mitchell &amp; Madsen 1987; Manassero &amp; Shackelford 1994, Manassero 1994).
4. L’efficienza di una barriera di argilla compattata può essere incrementata impiegando materiali ad elevata capacità di adsorbimento, ma l’entità dell’effetto ritardante di tali materiali rimane comunque relativamente limitata, ed i meccanismi di adsorbimento ancora non del tutto ben compresi (Yeung 1993).

Alla luce degli inconvenienti ora descritti, un approccio innovativo e di grande potenzialità per la realizzazione di sistemi di contenimento attivo di grande efficacia, è rappresentato dalle cosiddette “barriere elettrocinetiche” (Mitchell 1991; Yeung et al. 1992; Yeung 1993). Tali barriere utilizzano un meccanismo di contenimento attivo basato sulla possibilità di mobilizzare le sostanze presenti nella fase liquida in forma ionica o non polare facendo circolare nel volume di terreno che costituisce la barriera una corrente continua, opportunamente diretta. In presenza di un campo elettrico, si innescano nel terreno dei processi di flusso e trasporto ionico accoppiati, noti come “fenomeni elettrocinetici”, che, opportunamente controllati, possono contrastare efficacemente i processi di trasporto per diffusione e convezione/dispersione eventualmente prodotti da differenze di carico idraulico e concentrazione esistenti tra la zona contaminata e l’ambiente esterno.
In particolare, i fenomeni di maggiore rilevanza per la realizzazione di barriere elettrocinetiche sono noti come “elettroosmosi” e “migrazione ionica”. L’elettroosmosi consiste nella comparsa di un moto di filtrazione, diretto dall’anodo (polo positivo) verso il catodo (polo negativo), a seguito della applicazione di un campo elettrico. La migrazione ionica è il moto delle specie ioniche disciolte nella fase liquida verso gli elettrodi di polarità opposta per attrazione coulombiana.
Il principio di funzionamento di una barriera elettrocinetica è illustrato schematicamente nella Figura 1.



Figura 1

Applicando un campo elettrico di bassa intensità tra due elettrodi piani e paralleli disposti in corrispondenza delle superfici interna ed esterna di una barriera di argilla compattata - con il catodo all’interno della barriera, a contatto con la zona contaminata, e l’anodo all’esterno - si innesca nella barriera un moto di filtrazione per elettroosmosi diretto verso l’interno della zona contaminata. Tale flusso elettroosmotico ( ) contrasta attivamente la migrazione dei contaminanti verso l’esterno dovuta a: (1) convezione ( ) associata alle differenze di carico idraulico esistenti tra discarica e terreno naturale; e (2) diffusione ( ) associata ai gradienti di concentrazione chimica delle varie specie presenti nella fase liquida. Inoltre, per le sostanze inquinanti in forma ionica, il fenomeno della migrazione ionica fornisce un ulteriore contributo al trasporto dei cationi (ioni positivi) verso l’interno della barriera ( ), mentre accelera il trasporto degli anioni (ioni negativi) verso l’ambiente esterno ( ).
Nel caso di discariche di nuova costruzione, le barriere elettrocinetiche possono essere realizzate predisponendo delle reti metalliche in corrispondenza delle superfici esterna ed interna di liners in argilla compattata, come indicato in Fig. 1. Barriere elettrocinetiche possono inoltre essere predisposte anche per discariche già esistenti o per zone contaminate da residui tossici di processi di trasformazione industriale, mediante realizzazione di diaframmi argillosi verticali muniti di elettrodi sulle superfici esterne, o mediante l’infissione diretta nel terreno di file di elettrodi. In quest’ultimo caso, si ottiene una cosiddetta “cinturazione elettrocinetica” (“electrokinetic fence”, Lageman et al. 1989), vedi Fig. 2. Nello schema riportato in figura, la configurazione degli elettrodi è predisposta con i catodi in prossimità della zona contaminata, in modo che il flusso elettroosmotico impedisca la migrazione dei contaminanti all’esterno della barriera.



Figura 2

La previsione quantitativa dei fenomeni che avvengono all’atto della applicazione del campo elettrico nel terreno, ed in particolare della evoluzione nello spazio e nel tempo delle concentrazioni delle sostanze inquinanti, è fondamentale per la valutazione della efficacia di una barriera elettrocinetica e della sua corretta progettazione tanto dal punto di vista tecnico quanto da quello economico. Ciò richiede l’analisi dei processi mutuamente accoppiati di:
1. conduzione idraulica ed elettrica;
2. trasporto di massa delle sostanze contaminanti (ioniche e non ioniche) presenti all’interno della fase liquida;
3. deformazione dello scheletro solido indotta dalle variazioni del regime delle pressioni interstiziali e della composizione chimica del fluido interstiziale,
nonché la modellazione dei processi geochimici di precipitazione/dissoluzione, adsorbimento, ossidoriduzione e formazione di complessi che possono verificarsi sia in fase liquida che al contatto solido-liquido.

I modelli teorici attualmente disponibili per l’analisi dei processi accoppiati di conduzione elettrica, idraulica e di trasporto solido in terreni argillosi soggetti alla azione combinata di campi elettrici, gradienti idraulici e gradienti di concentrazione possono essere classificati in: (1) modelli di convezione-diffusione estesi (Hamed et al. 1991); (2) modelli di trasporto multiplo (Corapcioglu 1991; Shapiro &amp; Probstein 1993; Acar et al. 1993; Alshawabkeh &amp; Acar 1992, 1996); (3) modelli basati sulla applicazione dei principi della termodinamica delle trasformazioni irreversibili (Yeung &amp; Mitchell 1993; Yeung &amp; Datla 1995). Allo stato attuale, peraltro, tali approcci presentano le seguenti limitazioni:
1. l’analisi dei processi di conduzione è limitata al solo caso monodimensionale;
2. i parametri che descrivono i diversi processi di conduzione – ed in particolare la permeabilità elettrosmotica - sono assunti costanti, ed indipendenti dalla evoluzione nel tempo delle concentrazioni delle specie ioniche in soluzione;
3. il terreno è considerato sempre perfettamente saturo;
4. le proprietà tampone dei minerali argillosi non sono debitamente messe in conto nella analisi della evoluzione del pH nello spazio e nel tempo.
Per quanto riguarda in particolare i punti (2)-(4), l’esame della letteratura tecnica evidenzia una forte carenza di risultati sperimentali di elevata qualità e sufficientemente completi da fornire chiare indicazioni su come le grandezze che controllano i processi di conduzione siano influenzate dallo stato del materiale e dalla composizione chimica del fluido interstiziale. Di particolare importanza a tale riguardo sono le variazioni di pH del fluido interstiziale prodotte dalle reazioni di idrolisi agli elettrodi (Acar et al. 1989, 1990; Alshawabkeh &amp; Acar 1996, Musso 2000). Infatti, il pH del fluido interstiziale influenza significativamente la conducibilità elettrica e la permeabilità elettroosmotica del terreno, nonchè le diverse reazioni geochimiche in fase liquida o all’interfaccia solido-liquido (Eykholt &amp; Daniel 1994; Alshawabkeh &amp; Acar 1996; Yeung et al. 1997; Alshawabkeh et al. 2004). Limitate evidenze sperimentali (de Wet 1995) sembrano inoltre indicare che le caratteristiche di conducibilità elettrica e di permeabilità elettrosmotica siano fortemente influenzate anche dal grado di saturazione del terreno.

La limitazione al caso di deformazione e flusso monodimensionale ha spinto inoltre a concentrare l’attenzione sui processi di conduzione accoppiati, trascurando nella analisi gli effetti di carattere meccanico che le variazioni del regime delle pressioni interstiziali, del grado di saturazione e della composizione chimica del fluido interstiziale possono indurre sullo scheletro solido. Un aspetto non trascurabile per la valutazione del comportamento delle barriere elettrocinetiche riguarda il fatto che queste sono spesso costituite da terreni non saturi. Da un lato, infatti, i materiali posti in opera come barriera sono tipicamente compattati a contenuti in acqua corrispondenti a gradi di saturazione inferiori all’unità. Quando invece, a scopo di protezione, si utilizzano unità stratigrafiche naturali superficiali, queste sono in generale composte da terreni argillosi raramente saturi a causa della loro storia e della interazione con gli agenti atmosferici. Inoltre, lo studio sulle barriere elettrocinetiche ha già messo in luce che all’interno di un volume di terreno soggetto alla circolazione di corrente continua possono svilupparsi significativi incrementi di suzione (Eykholt &amp; Daniel 1994; Acar &amp; Alshawabkeh 1996), capaci di desaturare volumi di terreno inizialmente saturi. Infine, le reazioni agli elettrodi danno luogo a sviluppo di gas che non può essere disperso facilmente. Anche questo processo può dar luogo a variazioni del grado di saturazione che influiscono sull’efficienza e la durabilità delle barriere (Alshawabkeh et al. 2004).
Come ben noto, il contenuto in acqua di compattazione e le sue successive variazioni influenzano in modo determinante le caratteristiche di deformabilità, resistenza e permeabilità idraulica dei terreni compattati (Gens 1996). Per quanto riguarda le barriere, particolare attenzione è stata rivolta, tradizionalmente, all’influenza delle modalità di messa in opera del terreno sulle sue prestazioni idrauliche (Daniel 1984; Benson &amp; Daniel 1990; Khire et al. 1995; Meerdink et al. 1996). Le variazioni delle prestazioni meccaniche e idrauliche osservate a livello macroscopico traducono, in genere, variazioni microstrutturali indotte sulle unità di arrangiamento particellare e sugli aggregati di particelle, come studi recenti stanno mettendo in evidenza (Musso et al. 2003). La diminuzione del grado di saturazione può, inoltre, dar luogo a fenomeni di fessurazione che, aumentando la permeabilità idraulica della barriera, limitano in modo irreversibile l’efficacia del sistema di protezione o di messa in sicurezza (Kleppe &amp; Olson 1984; Albrecht &amp; Benson 2001)
La composizione chimica del fluido interstiziale gioca un ruolo importante sull’assetto microstrutturale e dunque sul comportamento idro-meccanico dei terreni. In argille ad elevata plasticità, quali quelle utilizzate nella realizzazione di barriere per il contenimento degli inquinanti, variazioni di concentrazione delle specie in soluzione, della loro forza ionica e del pH della soluzione interstiziale possono indurre fenomeni di consolidazione e rigonfiamento osmotico, associati a modifiche della struttura mineralogica (Van Olphen 1977; Mitchell 1993). A scala microscopica, la distanza fra i pacchetti argillosi dipende da valenza, dimensione e stato di idratazione dei cationi fra loro intrerposti. L’importanza di questi fattori sulla permeabilità idraulica è stata mostrata, ad es., da Krishna Mohan &amp; al. (1999). A scala mesoscopica, la forza ionica della soluzione controlla le forze di repulsione fra le particelle e la suzione osmotica nei micropori. A scala macroscopica, permane l’effetto della suzione osmotica, mentre si perde l’effetto di repulsione a causa della distanza fra gli aggregati. Un incremento della concentrazione di ioni nel fluido di porosità può, quindi, indurre un duplice effetto meccanico: a livello microscopico, le modifiche strutturali dei pacchetti argillosi danno luogo a un riarrangiamento dell’assetto strutturale dei pacchetti stessi; modifiche nello stato tensionale efficace vengono indotte da variazione della suzione osmotica (Barbour &amp; Fredlund, 1989). Di Maio (1996) mette in luce la forte dipendenza delle deformazioni associate a processi osmotici dal livello tensionale e dall’indice dei vuoti, e la natura più o meno irreversibile dei processi deformativi in funzione delle specie ioniche presenti nel fluido interstiziale.
Non appaiono invece reperibili in letteratura studi, né a carattere teorico-numerico, né tantomeno sperimentali, volti ad analizzare l’effetto dei processi elettrocinetici sul comportamento chemo-idro-meccanico. E’ stato tuttavia osservato che l’applicazione di un campo elettrico può anch’esso generare variazioni strutturali dei materiali argillosi (Chighini et al. 2002).

Le attuali tendenze nella modellazione costitutiva del comportamento idraulico e meccanico dei terreni non saturi, o soggetti ad accoppiamento chimico, possono essere riassunte in due approcci concettuali. Il primo cerca di sviluppare modelli di tipo irreversibile individuando più meccanismi deformativi, spesso associati a differenti livelli microstrutturali, ciascuno descritto mediante un’opportuna variabile tensionale (Gens &amp; Alonso 1992; Alonso &amp; Vaunat 2001; Guimaraes 2002). Alternativamente, il grado di saturazione e la concentrazione chimica intervengono direttamente nelle leggi di evoluzione delle variabili che governano l’incrudimento del materiale (Jommi e di Prisco 1994; Tamagnini et al. 2002; Nova et al. 2003; Loret et al. 2002; Gajo et al. 2002). <<<