The flocculation process of released clay particles and its effect on the permeability of porous media

Abstract

In the process of artificial recharge to remediate seawater intrusion, the disturbances that impact hydrogeochemistry and hydrodynamics lead to an abrupt change of permeability. When freshwater drives seawater, there is a critical salt concentration (CSC) and a critical flocculation concentration (CFC). When the salinity is lower than the CSC, the particles will release from the pore surfaces. When the salinity is higher than the CFC, flocculation will occur between the released clay particles. The CSC depends on the interaction force between the clay particles and the pore surface, and the CFC depends on the interaction force between the released clay particles. This study found the distinction between CSC and CFC through batch experiments and sand column experiments. The CFC of clay particles for a NaCl solution and a seawater/freshwater mixed solution were determined as 40 mmol/L (4,485 μS/cm) and 4,800 μS/cm, respectively, both lower than the CSC (60 mmol/L and 6,800 μS/cm, respectively), which shows that the released clay particles can be re-flocculated. The result was consistent with the Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theoretical calculation. In this experiment, the flocculation of the released clay particles had a significant effect, by reducing the permeability. When the electrical conductivity was higher than the CFC, the clay particles concentration in the solution fell to about 20% of the initial concentration, and the permeability reduced with the decrease of electrical conductivity during the whole process. When the electrical conductivity was lower than the CFC (4,800 μS/cm), the permeability reduction of the porous medium was not obvious.

Résumé

Dans le processus de recharge artificielle pour remédier aux intrusions salines, les perturbations qui impactent l’hydrogéochimie et l’hydrodynamique entrainent des changements abrupts de perméabilité. Quand l’eau douce entraine l’eau de mer, il y a une concentration en sel critique (CSC) et une concentration de floculation critique (CFC). Lorsque la salinité est inférieure à la CSC, les particules seront libérées de la surface des pores. Quand la salinité est supérieure à la CFC, la floculation entre les particules d’argile libérées aura lieu. La CSC dépend de la force d’interaction entre les particules d’argiles et la surface du pore, et la CFC dépend de la force d’interaction entre les particules d’argile libérées. Cette étude a trouvé la distinction entre CSC et CFC au travers d’expériences batch et d’expériences en colonnes de sable. La CFC des particules d’argile pour une solution de NaCl et une solution mixte eau salée/eau douce ont été déterminées à 40 mmol/L (4,485 μS/cm) et 4,800 μS/cm, respectivement, les deux inférieures au CSC (60 mmol/L et 6,800 μS/cm, respectivement), ce qui montre que les particules d’argiles libérées peuvent de nouveau floculer. Ce résultat est cohérent avec le calcul théorique de Derjaguin-Landau-Verwery-Overbeek (DLVO). Dans cette expérience, la floculation des particules d’argile libérées eu un effet significatif en réduisant la perméabilité. Quand la conductivité électrique était supérieure au CFC, la concentration des particules d’argile en solution ont été réduite d’environ 20% de la concentration initiale, et la perméabilité a été réduite avec une augmentation de la conductivité électrique pendant tout le processus. Quand la conductivité électrique était inférieure au CFC (4,800 μS/cm), la réduction de la perméabilité du milieu poreux n’était pas évidente.

Resumen

En el proceso de recarga artificial para remediar la intrusión de agua de mar, las perturbaciones que afectan a la hidrogeoquímica y la hidrodinámica provocan un cambio brusco de permeabilidad. Cuando el agua dulce impulsa el agua de mar, existe una concentración crítica de sal (CSC) y una concentración crítica de floculación (CFC). Cuando la salinidad es menor que la del CSC, las partículas se liberan de las superficies de los poros. Cuando la salinidad es mayor que la del CFC, se produce una floculación entre las partículas liberadas de la arcilla. El CSC depende de la fuerza de interacción entre las partículas de arcilla y la superficie del poro, y el CFC depende de la fuerza de interacción entre las partículas liberadas de arcilla. Este estudio encontró la distinción entre CSC y CFC a través de experimentos por lotes y experimentos en columnas de arena. El CFC de las partículas de arcilla para una solución de NaCl y una solución de mezcla de agua de mar/agua dulce se determinó como 40 mmol/L (4,485 μS/cm) y 4,800 μS/cm, respectivamente, ambos más bajos que el CSC (60 mmol/L y 6,800 μS/cm, respectivamente), lo que demuestra que las partículas de arcilla liberadas pueden ser reflotadas. El resultado fue consistente con el cálculo teórico de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO). En este experimento, la floculación de las partículas de arcilla liberadas tuvo un efecto significativo, al reducir la permeabilidad. Cuando la conductividad eléctrica era superior a la del CFC, la concentración de partículas de arcilla en la solución descendía a cerca del 20% de la concentración inicial, y la permeabilidad se reducía con la disminución de la conductividad eléctrica durante todo el proceso. Cuando la conductividad eléctrica era inferior al CFC (4,800 μS/cm), la reducción de la permeabilidad del medio poroso no era evidente.

摘要

在人工回灌修复海水入侵的过程中,水化学和水动力学的扰动会导致渗透性的突变。在淡水驱替海水的过程中存在着临界盐浓度和临界絮凝浓度。当盐浓度低于临界盐浓度时,粘土颗粒会从孔隙表面释放。当盐浓度高于临界絮凝浓度时,被释放的粘土颗粒之间又会产生絮凝。临界盐浓度取决于粘土颗粒与孔隙表面之间的相互作用力,而临界絮凝浓度取决于被释放的粘土颗粒之间的相互作用力。本研究通过批量试验和砂柱试验发现了临界盐浓度和临界絮凝浓度之间的差异。粘土颗粒在NaCl溶液和海水/淡水混合溶液中的临界絮凝浓度分别为40 mmol/L (4,485 μS/cm) 和4,800 μS/cm,均低于粘土颗粒释放的临界盐浓度 (60 mmol/L和6,800 μS/cm),这说明释放后的粘土颗粒可以再絮凝。这一结果与DLVO理论计算值一致。在本试验中,释放后的粘土颗粒再絮凝对渗透性的降低具有显著效应。当电导率高于临界絮凝浓度时,流出液中粘土颗粒的浓度约降至初始浓度的20%,并且在整个过程中渗透性随着电导率的降低而降低。当电导率低于临界絮凝浓度 (4,800 μS/cm) 时,多孔介质的渗透性并没有明显降低。

Resumo

No processo de recarga artificial para remediar a intrusão da água do mar, as perturbações que impactam a hidrogeoquímica e a hidrodinâmica levam a uma mudança abrupta de permeabilidade. Quando a água doce conduz água do mar, há uma concentração salina crítica (CSC) e uma concentração crítica de floculação (CCF). Quando a salinidade é menor que a CSC, as partículas se libertarão das superfícies dos poros. Quando a salinidade é maior que a CCF, ocorrerá floculação entre as partículas de argila liberadas. O CSC depende da força de interação entre as partículas de argila e a superfície do poro, e oa CCF depende da força de interação entre as partículas de argila liberadas. Este estudo encontrou a distinção entre CSC e CCF através de experimentos em lotes e experimentos de coluna de areia. A CCF das partículas de argila para uma solução de NaCl e uma solução mista de água do mar / água doce foi determinado como 40 mmol / L (4,485 μS / cm) e 4,800 μS / cm, respectivamente, ambos abaixo do CSC (60 mmol / L e 6,800 μS / cm, respectivamente), o que mostra que as partículas de argila liberadas podem ser refloculadas. O resultado foi consistente com o cálculo teórico de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO). Neste experimento, a floculação das partículas de argila liberadas teve um efeito significativo, reduzindo a permeabilidade. Quando a condutividade elétrica foi maior que a CCF, a concentração de partículas de argila na solução caiu para cerca de 20% da concentração inicial, e a permeabilidade diminuiu com a diminuição da condutividade elétrica durante todo o processo. Quando a condutividade elétrica era menor que a da CCF (4,800 μS / cm), a redução da permeabilidade do meio poroso não era óbvia.