On the evaluation of mixing in heterogeneous porous media: from laboratory characterization to the design of engineered chaotic flows for practical application
Authors:   , Bertran Oller Oriol 
Published: February 2024

(English) Groundwater is now under high stress levels and its quality and quantity arise as one of the most interesting and necessary topics our community should address. This doctoral thesis is focused on the quality of the groundwater: from the study of chemical reactions in laboratory experiments, necessary for the biodegradation of harmful organic pollutants to occur, to the design of an engineered method to promote reactions in the field scale. Chemical reactions are induced by the mixing between two different waters, so understanding and predicting this phenomena become crucial to accurately forecast reactive transport and groundwater remediation.

Sharp interfaces and heterogeneity in porous media play a significant role in controlling mixing. This thesis aims to investigate the influence of a sharp interface on mixing through laboratory experiments. The experiments were conducted using laboratory columns filled with a bilayer distribution scheme of coarse-fine glass beads, and for comparison, two homogeneous distributions. To examine the distinct characteristics of transport and chemical reactions associated with a sharp interface, the evolution of mass concentration and spatial moments of a colored product across these bilayer systems was studied. This colored product is formed when two colorless reactants are mixed and serves as a direct indicator of mixing. Quantification of this product was achieved through image analysis. The results obtained from these experiments concluded that coarse-to-fine transitions tend to promote and enhance solute reactivity in heterogeneous systems compared to fine-to-coarse transitions, leading to increased reaction rates and mass production. Furthermore, an asymmetrical response in transport was observed through the analysis of higher-order spatial moments of the concentration distributions. Additionally, it was found that analytical solutions based on the advection-dispersion equation successfully matched the actual arrival times recorded by both images and flow outlet samples. However, these solutions failed to simulate the complexities associated with a two-layer reactive transport system that includes an interface.

Mixing is an essential phenomenon for chemical reactions to occur and for achieving successful outcomes in the context of in-situ groundwater remediation. However, natural attenuation alone often results in a slow mixing process. Some authors have addressed this issue by employing an Engineered Injection-Extraction (EIE) system. EIE has been proven as an effective method to promote the dilution of treatment solutions, facilitating the mixing between these solutions and the contaminated groundwater. This enhanced mixing facilitates chemical reactions, which, in turn, lead to the biodegradation of pollutants. However, existing studies on the subject have not considered the potential impact of connectivity and preferential flow-paths. Since preferential flow-paths can mainly carry the fluid, limiting the mixing and chemical reactions, neglecting the presence of these high-permeable channels can lead to an overestimation of EIE's capabilities. In this doctoral thesis it has been studied the capabilities of EIE system to dilute a treatment solution in both poorly-connected and highly-connected fields. The approach involves determining an optimal stirring protocol, tailored to each specific medium, which maximizes the mixing process. Metrics are proposed to measure both the extent of mixing and the containment of the treatment solution within the remediation volume. Additionally, particle trajectories are analyzed to assess if preferential flow paths are disrupted. The results obtained from these metrics show that the effectiveness of EIE in enhancing mixing remains consistent, irrespective of the presence of preferential flow paths. This study demonstrates that using EIE with rotating dipoles reduces the uncertainty in remediation outcomes caused by medium heterogeneity.

(Català) L'aigua subterrània ha passat a trobar-se sota una situació de sobreexplotació, essent la seva qualitat i quantitat un dels factors que se'ns plantegen com a interessants i necessaris per abordar. Aquesta tesi doctoral es focalitza en la qualitat de l'aigua subterrània: des de l'estudi de reaccions químiques a partir d'experiments de laboratori fins al disseny d'un mètode enginyeril capaç de promoure les reaccions a nivell d'escala de camp. Les reaccions químiques són produïdes per la mescla entre dues aigües, així que entendre i predir la mescla s'esdevé primordial per preveure el transport reactiu i la remediació de l'aigua subterrània.

Les interfícies abruptes i la heterogeneïtat al medi porós, controlen la mescla. A aquesta tesi s'han conduit experiments de laboratori per d'estudiar el paper que tenen aquestes interfícies abruptes, que separen dos granulometries amb diferents propietats de transport, sobre la mescla. Els experiments s'executen utilitzant columnes de laboratori reomplertes amb una capa de material fi i una altra de groller. Per comparació, també se'n reomplen dues homogèniament. Per analitzar les particularitats que una interfície abrupta té sobre el transport i les reaccions químiques, s'estudia com evolucionen les concentracions i els moments espacials d'un producte colorimètric a través tant d'aquests sistemes bicapa com de les columnes reblertes homogèniament. Aquest producte colorimètric es forma un cop dos reactants incolors es mesclen, podent ser considerat el seu anàlisi com un resultat explícit de la mescla. La quantificació d'aquest producte es fa a través d'anàlisi d'imatges. Dels resultats obtinguts dels experiments es conclou que la transició de groller-a-fi tendeix a promoure i millorar les reaccions químiques en comparació a les transicions de groller-a-fi. L'assimetria en el transport també queda demostrada mitjançant l'anàlisi dels moments espacials de la distribució de concentracions. Addicionalment, també es demostra que les solucions analítiques basades en l'equació d'advecció-dispersió, ajusten bé els temps d'arribada enregistrats tant per les imatges com per les mostres a la sortida de la columna, encara que fracassen en simular les singularitats dels sistemes bicapa amb interfície sobre el transport reactiu.

La mescla és un fenomen essencial per produir reaccions químiques i per assolir resultats exitosos en remediacions d'aigua subterrània in-situ. No obstant, l'atenuació natural comporta un procés de mescla lent. Alguns autors van resoldre aquesta problemàtica usant el sistema EIE (de l'anglès, Engineered Injection-Extraction). EIE ha demostrat ser una metodologia eficaç a l'hora de promoure la dilució d'una solució de tractament, facilitant la seva mescla amb l'aigua subterrània contaminada. Aquesta millora en la mescla permet les reaccions químiques i la biodegradació dels contaminants. Tot i això, els treballs previs que havien estudiat els beneficis del sistema EIE, no ho havien fet considerant la presència de connectivitat o fluxos preferencials. Com que els fluxos preferencials poden transportar principalment el fluid, la seva presencia és limitant per la reacció dintre de l'emplaçament contaminat i, per tant, obviar-los acaba precipitant una sobre-estimació de l'EIE. En aquesta tesi doctoral s'estudia la capacitat del sistema EIE a l'hora de diluir una solució de tractament tant en medis escassament connectats i medis altament connectats. Per cada tipus de medi s'analitza quina és la seqüencia IE que estimula més la mescla dins el sistema. Les mètriques que es proposen són per mesurar l'extensió de la mescla dintre de la zona afectada, així com per la caracterització de les partícules per tal d'estudiar si s'ha sigut capaç de trencar aquests camins preferencials. Els resultats obtinguts d'aquestes mètriques mostren que la tècnica EIE és consistent i i independent de la connectivitat del sistema, reduint llavors la incertesa associada a l'heterogeneïtat del medi.