Il secondo test di validazione effettuato mira invece alla simulazione del fenomeno nelle condizioni imposte durante la sperimentazione a volume variabile (vedi Capitolo 6).
La colonna elettrosmotica utilizzata durante la sperimentazione ha simmetria cilindrica, con lunghezza pari a24cme diametro pari a8cm.
Anche in questo caso è stato utilizzato un dominio bidimensionale, sovrapponibile all’as- se di simmetria della cella.
Il dominio rettangolare utilizzato (vedi Figura 9.5), avente lato maggiore pari a 24cm
e lato minore pari a 8cm, è stato discretizzato in 384 elementi triangolari di dimensione costante e 225 nodi.
Le condizioni al contorno al modello numerico simulano quelle della fase sperimentale, sia dal punto di vista idraulico che dal punto di vista elettrico.
Per quanto riguarda le condizioni idrauliche, si considera come unico elemento filtran- te quello in corrispondenza del catodo, mentre l’anodo viene posto impermeabile. Viene inoltre imposta una condizione di pressione neutra costante, sempre e solo al catodo, di
400kP a, uguale quindi alla pressione neutra applicata attraverso il sistema di applicazione delle pressioni neutre in fase sperimentale.
Le condizioni al contorno di tipo elettrico, vengono mantenute costanti, ed uguali a quelle imposte nel test di validazione precedente, viene dunque imposto un gradiente elettrico, tra anodo e catodo, pari a1V cm−1.
I parametri fisici utilizzati, in input al modello, (riassunti in Tabella 9.1) sono stati ricavati dalle prove sperimentali effettuate sul terreno trattato.
La Figura 9.6 mostra la distribuzione della pressione neutra all’interno del provino di terreno durante il trattamento simulato. Si può notare come la pressione neutra mostri un andamento non lineare per tutta la durata della prova. Si può inoltre osservare l’instaurarsi di una pressione neutra negativa in prossimità dell’anodo, generata dalla presenza del flusso elettrosmotico e dell’anodo chiuso, pari a circa−15kP a.
9.3 Test di validazione 2
Figura 9.5: Dominio di calcolo utilizzato.
Tabella 9.2: Parametri fisici utilizzati per il confronto nel test 2.
Parametro Valore Permeabilità idraulicaKh 1 · 10−5 [cm · s−1] Permeabilità elettrosmoticaKe 1 · 10−4 [cm2· s · V−1] Resistività elettricaρ 1 · 10−1 [Ohm · cm−1] Modulo edometrico(mv· γw) 1 · 10−6 [cm−1] Capacità elettricaCp 1 · 102 [F arad · cm3]
9. Validazione del codice di calcolo 0 5 10 15 20 x [cm] 380 385 390 395 400 405 410
Pressione neutra [kPa]
t = 6 min t = 12 min t = 24 min t = 50 min t = 1.6 ore t = 3.5 ore t = 7 ore t = 15 ore t = 30 ore t = 60 ore t = 100 ore t = 184 ore Tempo Catodo Anodo
Figura 9.6: Distribuzione della pressione neutra nel dominio di calcolo.
0 5 10 15 20 x [cm] 0 5 10 15 20 25 30 Tensione [V] t = 6 min t = 12 min t = 24 min t = 50 min t = 1.6 ore t = 3.5 ore t = 7 ore t = 15 ore t = 30 ore t = 60 ore t = 100 ore t = 184 ore Tempo Catodo Anodo
9.4 Considerazioni finali 0 20 40 60 80 Tempo [ore] 0 1×10-11 2×10-11 3×10-11 4×10-11 5×10-11
Flusso fluido in uscita [cm
3 cm -2 s -1 ]
Valori sperimentali Modello
Figura 9.8: Confronto tra il flusso di fluido in uscita dalla cella.
si può osservare un andamento non lineare per tutta la durata della simulazione, fino al rag- giungimento dello stato stazionario, in cui la distribuzione raggiunge un andamento lineare.
Il confronto con la sperimentazione è stato effettuato in termini di flusso elettrosmotico in uscita dal catodo. La Figura 9.4 mostra il risultato del confronto con le prove effettuate per il fango di flottazione durante la sperimentazione a volume costante.
Si può osservare come il flusso elettrosmotico calcolato con il modello numerico, rispec- chi quello misurato in fase sperimentale nella prova effettuata sul fango di flottazione.
9.4
Considerazioni finali
Come documentato in letteratura, l’andamento della distribuzione della tensione elettrica, all’interno della colonna di terreno trattata è fortemente non lineare durante la prima fase del trattamento ([??]). Il comportamento del modello durante la fase finale del trattamento (tensione elettrica lineare) è risultato in accordo con le equazioni utilizzate, ma leggermente in disaccordo con il comportamento reale del processo. Questa differenza è dovuta al mo- vimento degli ioni prodotti dall’idrolisi dell’acqua, sia all’anodo che al catodo, che determina una diminuzione dello zeta potenziale ed una conseguente diminuzione del flusso elettro- smotico. Tale diminuzione è anche associata alla variazione della conducibilità elettrica al- l’interno del terreno trattato, condizione di cui non si è tenuto conto nell’implementazione del codice di calcolo.
Anche la distribuzione della pressione neutra all’interno del provino mostra un andamen- to non lineare. Questo risultato era atteso visto l’andamento non lineare della distribuzione della tensione elettrica.
9. Validazione del codice di calcolo
I confronti effettuati in termini di flusso elettrosmotico, sia nel test di validazione 1 che nel test di validazione 2, mostrano un corretto funzionamento del codice nell’interpretazione del fenomeno fisico.
Ciò dimostra la validità del modello matematico assunto per l’interpretazione dei feno- meni fisici, seppure con le dovute approssimazioni adottate.
CAPITOLO
10
Conclusioni
Le caratteristiche geotecniche dei materiali contenuti nei bacini di decantazione degli sterili di flottazione, si riflettono sia sulla stabilità degli argini di contenimento sia sulle possibilità di flusso delle acque inquinate verso l’esterno del bacino.
Le peculiarità di questi bacini ed in particolare le loro considerevoli dimensioni rendono non economici gli interventi di bonifica. Per questo si rendono necessari interventi di messa in sicurezza permanente, consistente nell’isolamento idraulico dell’intero bacino, attraverso la costituzione di sistemi barriera impermeabili che impediscono la dispersione delle acque inquinate nell’ambiente circostante.
La ricerca è stata incentrata sulla sperimentazione di sistemi di costruzione delle barriere impermeabili dei bacini di decantazione.
Sono stati proposti, studiati e testati i metodi elettrocinetici per la formazione di barrie- re impermeabili e per la creazione di barriere elettrocinetiche di contenimento delle acque contaminate.
Queste tecniche, indubbiamente costose, costituiscono valide soluzioni ai problemi am- bientali indotti dai grandi bacini di decantazione.
Lo studio è stato sviluppato in tre fasi:
1. Misura della costante di permeabilità elettrosmotica con l’ausilio di un’apparecchiatura sperimentale in cui il volume del campione rimane costante.
2. Studio della consolidazione indotta dai processi elettrocinetici mediante una sperimen- tazione con cella a volume variabile.
3. Sviluppo di un modello numerico bidimensionale, capace di simulare il moto dei fluidi in un mezzo poroso, dovuto alla contemporanea applicazione di un gradiente idraulico e di un gradiente elettrico e sua validazione attraverso la comparazione dei dati numerici con quelli misurati durante la fase sperimentale.
La prima parte della sperimentazione elettrosmotica è stata sviluppata utilizzando una cella in cui il volume del campione rimane costante durante il trattamento, con l’obiettivo della misura del coefficiente di permeabilità elettrosmotica dei fanghi contenuti nei bacini di decantazione (Capitolo 5, pagina 69).
E’ stato ottenuto un flusso elettrosmotico in un fango di flottazione senza aggiunta di additivi chimici, a dimostrazione dell’idoneità della tecnica per il trattamento della particolare tipologia di terreno.
Il flusso elettrosmotico ottenuto con il fango di flottazione, senza aggiunta di sali nella soluzione elettrolita, (test A - 0), è stato pari a0.05cm3cm−2s−1. L’aggiunta di sale nella
soluzione elettrolita ha aumentato il flusso elettrosmotico in uscita dalla cella fino a valori pari a circa0.08cm3cm−2s−1, con un miglioramento pari a circa il 60%.
Il campo di variabilità della permeabilità elettrosmotica misurata nei test condotti nel fan- go di flottazione (Terreno A), è compreso tra1.5·10−5cm2V−1s−1e2.5·10−5cm2V−1s−1,
in accordo con i dati reperibili in letteratura per i terreni argillosi.
Il trattamento elettrosmotico modifica i parametri geotecnici del terreno in modo non uni- forme tra anodo e catodo. Nelle prove condotte sul fango di flottazione si è misurato una riduzione dell’indice dei vuoti pari a circa il 30% ed una uguale riduzione del contenuto d’acqua.
Il confronto con la consolidazione tradizionale, anche se effettuato sotto ipotesi abba- stanza restrittive, ha messo in evidenza in termini di tempo di consolidazione, la reale possi- bilità di utilizzo di questa tecnica nella stabilizzazione dei fanghi di flottazione in tempi molto più brevi di quelli della consolidazione tradizionale. I tempi in cui si raggiunge il 90% della consolidazione, vengono ridotti dal trattamento elettrocinetico dell’80%.
La valutazione economica ha messo in evidenza costi di esercizio sostenibili.
Si può concludere considerando che l’utilizzo delle tecniche elettrocinetiche, nei bacini di decantazione dei fanghi di processo, riduce il tempo necessario al raggiungimento delle condizioni di messa in sicurezza accelerando i processi di consolidazione.
La seconda parte della sperimentazione ha avuto l’obiettivo di investigare l’evoluzione della pressione neutra all’interno di un mezzo poroso a bassa permeabilità, causata sia dall’applicazione di un carico statico, che genera all’interno del mezzo un flusso idrodinamico (flusso di consolidazione), sia dall’applicazione di un campo elettrico, che genera invece sovrappressioni causate dal movimento elettrosmotico dell’acqua (flusso elettrosmotico) nel mezzo poroso (vedi Capitolo 6, pagina 99).
La situazione simulata in laboratorio è quella di uno strato di terreno situato al di sot- to del piano di campagna, con una condizione di stress imposta dalla colonna di terreno sovrastante.
In queste condizioni è stata valutata la diminuzione della permeabilità del terreno otteni- bile a seguito di un trattamento elettrosmotico.
10. Conclusioni
sistemi di impermeabilizzazione in situ, nel fondo dei bacini di raccolta degli sterili di flotta- zione.
La diminuzione della permeabilità, del grado di consolidazione e dell’indice dei vuoti, ottenibili con l’attivazione dei processi elettrosmotici, implica in generale un miglioramen- to delle caratteristiche geotecniche dei fanghi di flottazione. Questo aspetto può essere efficacemente utilizzato nelle operazioni di consolidamento degli argini.
Per quanto riguarda la sperimentazione condotta sul fango di flottazione (Terreno A), si è ottenuto una riduzione del coefficiente di permeabilità del terreno da 0.5 · 10−6ms−1 a
1 · 10−8ms−1con una riduzione di un ordine di grandezza.
I risultati ottenuti sono stati soddisfacenti e permettono di valutare la possibilità di utilizzo di questa tecnologia.
La parte finale dello studio ha riguardato lo sviluppo di un modello numerico bidimen- sionale, basato su modelli matematici già formulati in passato. Tale modello è in grado di simulare l’accoppiamento del moto idrodinamico di un acquifero con il moto causato dall’applicazione di un campo elettrico (Capitolo 7, pagina 129 e Capitolo 8, pagina 137).
Lo sviluppo del modello numerico è stato effettuato per poter fornire un valido strumento di progettazione degli interventi di messa in sicurezza dei bacini di decantazione degli sterili di flottazione, basati sull’applicazione di barriere elettrocinetiche. L’applicazione di queste tecniche permette il contenimento del flusso di contaminante e nello stesso tempo riducono il coefficiente di permeabilità dei fanghi stessi, creando delle barriere impermeabili.
Il modello implementato è stato poi validato attraverso il confronto con i risultati speri- mentali (Capitolo 9, pagina 149).
Come documentato in letteratura, l’andamento della distribuzione della tensione elettrica, all’interno della colonna di terreno trattata, è fortemente non lineare durante la prima fase del trattamento [??]. Il comportamento del modello durante la fase finale del trattamento (tensione elettrica lineare) è risultato in accordo con le equazioni utilizzate, ma leggermente in disaccordo con il comportamento reale osservato. Questa differenza è probabilmente do- vuta al movimento degli ioni prodotti dall’idrolisi dell’acqua, sia all’anodo che al catodo, che determina una diminuzione dello zeta potenziale ed una conseguente diminuzione del flusso elettrosmotico. Tale diminuzione è anche associata alla variazione della conducibilità elettri- ca all’interno del terreno trattato, condizione di cui non si è tenuto conto nell’implementazione del codice di calcolo.
Anche la distribuzione della pressione neutra all’interno del provino mostra un anda- mento non lineare. Questo risultato era atteso, considerato l’andamento non lineare della distribuzione della tensione elettrica.
I confronti effettuati in termini di flusso elettrosmotico, mostrano un corretto funzionamen- to del codice nell’interpretazione del fenomeno fisico.
correttamente i fenomeni fisici che si sviluppano durante la consolidazione indotta dall’elet- trocinesi.
APPENDICE
A
Caratterizzazione geotecnica dei materiali utilizzati
In questo appendice vengono presentate le prove geotecniche di caratterizzazione effettuate sui materiali oggetto della sperimentazione.