Zrozumienie sposobu, w jaki zanieczyszczenia przemieszczają się przez glebę i wody gruntowe, jest niezbędne do ochrony ekosystemów i zarządzania zanieczyszczeniami. W wielu rzeczywistych środowiskach substancje takie jak jony metali ciężkich, naładowane elektrycznie atomy metali rozpuszczone w wodzie, które mogą być toksyczne, oraz zawieszone cząstki, czyli drobne materiały stałe przenoszone w płynącej wodzie, migrują razem przez porowate materiały geologiczne. Materiały porowate to gleby lub skały zawierające wiele małych, wzajemnie połączonych przestrzeni, w których może przemieszczać się woda. Na ich ruch wpływa nie tylko przepływ wody, ale także naprężenia mechaniczne, czyli ciśnienie fizyczne wywierane na glebę oraz zmiany temperatury w glebie. Jednak uchwycenie wszystkich tych oddziałujących procesów w jednej strukturze predykcyjnej od dawna stanowi wyzwanie dla badaczy badających środowiska podpowierzchniowe, czyli obszary poniżej powierzchni gruntu, w których wchodzi w interakcję gleba, skały i wody gruntowe.
Znani profesorowie Bing Bai i Haiyan Wu, Rui Zhou, Nan Wu i Bixia Zhang z Uniwersytetu Jiaotong w Pekinie wraz z Nan Wu z Uniwersytetu Miejskiego w Suzhou opracowali kreatywne ramy teoretyczne umożliwiające rozwiązanie tej złożoności. W ich badaniach wprowadzono sprzężony model przepływu substancji wielofazowych, zaprojektowany w celu symulacji wspólnego ruchu wody, cząstek stałych i rozpuszczonych zanieczyszczeń w materiałach porowatych. Układ wielofazowy odnosi się do mieszaniny zawierającej różne formy materii, takie jak ciała stałe i ciecze poruszające się razem. Praca została opublikowana w recenzowanym czasopiśmie Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. Integrując wiele procesów fizycznych w ujednoliconą strukturę termodynamiczną, strukturę opartą na prawach rządzących energią i ciepłem w układach fizycznych, model pozwala dokładnie przewidzieć, w jaki sposób zanieczyszczenia migrują pod ziemią.
Naukowcy zbudowali model w oparciu o zasady termodynamiki ziarnistej – podejścia naukowego, które bada, jak zachowują się zbiory małych cząstek podczas interakcji, ruchu i wymiany energii. Ich ramy uwzględniają połączone skutki deformacji, czyli zmianę kształtu lub objętości gleby pod naprężeniem, przepływ przesączania, powolny przepływ wody przez pory gleby i migrację substancji zawieszonych. Jak wyjaśnił profesor Bai: „Model ten wprowadził nowe pojęcia, takie jak temperatura ziarnista i entropia ziarnista, aby opisać rozpraszanie energii na poziomie mezo”. Temperatura ziarnista odnosi się do energii związanej z ruchem i przegrupowaniem cząstek, podczas gdy entropia entropii opisuje stopień nieuporządkowania lub losowego rozmieszczenia tych cząstek. Poziom mezo odnosi się do skali pośredniej pomiędzy zachowaniem mikroskopijnych cząstek a ruchem gleby na dużą skalę. Koncepcje te pozwalają naukowcom wyjaśnić zmiany energii, które zachodzą, gdy cząstki przestawiają się, zderzają lub przemieszczają się przez pory gleby podczas procesów transportu.
Wyniki pokazują, że model może uchwycić złożoną interakcję między siłami fizycznymi a transportem chemicznym. Transport chemiczny odnosi się do ruchu rozpuszczonych substancji przenoszonych przez wodę przez glebę i skały. Kiedy ciśnienie zewnętrzne ściska glebę, przestrzenie porów, maleńkie otwory pomiędzy ziarnami gleby przechowujące wodę, kurczą się, zatrzymując więcej zawieszonych cząstek i zmieniając ścieżkę migracji zanieczyszczeń. Symulacje ujawniają również, że gradienty temperatur, czyli różnice temperatur między dwoma lokalizacjami, mogą przyspieszyć przemieszczanie się substancji zanieczyszczających poprzez napędzanie dyfuzji termicznej, tendencję cząstek do przemieszczania się z cieplejszych obszarów do chłodniejszych obszarów oraz wzmacnianie ruchu cząstek. Odkrycia te podkreślają, jak warunki środowiskowe, takie jak obciążenie mechaniczne, nacisk wywierany na glebę przez siły zewnętrzne i zmiany temperatury, mogą silnie wpływać na prędkość i wzór transportu zanieczyszczeń.
Jedną z głównych zalet tego modelu jest jego zdolność do łączenia wielu procesów w jeden układ równań, czyli wyrażeń matematycznych używanych do opisu zmian i interakcji wielkości fizycznych. Jak zauważył profesor Bai: „Ten punkt widzenia ujednolica deformację, przesiąkanie i migrację substancji zawieszonych w materiałach geotechnicznych w ramach termodynamiki ziarnistej”. Materiały geotechniczne odnoszą się do naturalnych materiałów ziemnych, takich jak gleby i osady, które inżynierowie badają podczas projektowania fundamentów lub systemów środowiskowych. Łącząc odkształcenie mechaniczne, przepływ płynów, ruch cieczy, takich jak wody gruntowe, i migrację chemiczną, podejście to zapewnia bardziej realistyczną reprezentację zachowania materiałów porowatych w warunkach naturalnych i sztucznych.
Aby przetestować model, zespół porównał swoje przewidywania z eksperymentami laboratoryjnymi obejmującymi sprzężony transport jonów metali ciężkich i cząstek zawieszonych w kolumnie gleby. Kolumna glebowa to układ eksperymentalny, w którym pionowa rura jest wypełniona glebą w celu odtworzenia sposobu, w jaki woda i zanieczyszczenia przemieszczają się przez warstwy gruntu. Wyniki ściśle odpowiadały zaobserwowanym krzywym przebicia, wykresom pokazującym, jak stężenie substancji opuszczającej kolumnę zmienia się w czasie oraz wzorom osadzania zmierzonym w eksperymentach. Osadzanie odnosi się do cząstek, które zostają uwięzione lub osiadają w porach gleby. W modelu pomyślnie odtworzono sposób, w jaki zmiany stężenia wtrysku, ilość zanieczyszczeń wprowadzanych do układu, prędkość przepływu, prędkość poruszającej się wody i wielkość cząstek wpływają na ruch zanieczyszczeń, wykazując jego wiarygodność w praktycznych symulacjach.
Poza spostrzeżeniami teoretycznymi, badania mają praktyczne zastosowanie w inżynierii środowiska, dziedzinie skupiającej się na ochronie zasobów naturalnych i ograniczaniu zanieczyszczeń. Dokładne prognozy migracji zanieczyszczeń mają kluczowe znaczenie przy projektowaniu strategii remediacji, metod stosowanych do oczyszczania zanieczyszczonych gleb i wód gruntowych, oceny bezpieczeństwa składowisk oraz zarządzania zasobami wód podziemnych. Wody gruntowe to woda zmagazynowana pod powierzchnią w glebie i warstwach skał, które zasilają studnie i źródła. Uwzględniając takie czynniki, jak gradienty temperatury i deformacja gleby, nowe ramy zapewniają narzędzie do badania złożonych procesów podpowierzchniowych, które tradycyjne modele często nadmiernie upraszczają.
Ogólnie rzecz biorąc, badanie oferuje ujednolicony sposób zrozumienia, w jaki sposób zanieczyszczenia przemieszczają się przez porowate systemy geologiczne pod wpływem połączonych sił fizycznych. Ta praca badawcza jest na wiodącym poziomie międzynarodowym. W miarę rosnących wyzwań środowiskowych i wzrostu ryzyka skażenia modele oddające całą złożoność transportu podpowierzchniowego mogą stać się niezbędne zarówno w badaniach naukowych, jak i praktyce inżynierskiej.
Odniesienie do czasopisma
Bai B., Wu H., Zhou R., Wu N., Zhang B. „Oparty na granularnym termodynamicznym modelu sprzężonego wielofazowego przepływu substancji, uwzględniający efekt napędzania temperatury”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2025. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.11.017
O autorze
Bai Bing urodził się w październiku 1966 r. i jest profesorem na Uniwersytecie Beijing Jiaotong w Pekinie, Chiny. Jego zainteresowania badawcze obejmują inżynierię geośrodowiskową, teorię konsolidacji termicznej, teorię transportu zanieczyszczeń i metody kontroli. Poświęcił się postępowi w zanieczyszczeniu gleby, przetwarzaniu odpadów stałych i środowisku geotechnicznym. Opracował teorię opisującą współtransport metali ciężkich i cząstek zawieszonych z uwzględnieniem temperatury w ośrodkach porowatych i zaproponował nieliniowy model przyłączania-odrywania z histerezą odpowiedni dla substancji o rozmiarach od jonów do dużych cząstek, co ma ogromne znaczenie w mechanizmie zanieczyszczenia wód gruntowych i technologii oczyszczania. Opracował serię wysokowydajnych materiałów geopolimerowych na bazie czerwonego szlamu, dostarczając ważnych pomysłów badawczych i technologii wykorzystania odpadów stałych.
Opublikował ponad 200 prac naukowych w międzynarodowych czasopismach naukowych oraz zredagował 10 monografii akademickich i podręczników. W 2023 r. otrzymał Pekińską Nagrodę Nauk Przyrodniczych oraz Nagrodę Nauk Przyrodniczych Ministerstwa Edukacji Chińskiej Republiki Ludowej w 2022 r. za wybitne badania naukowe jako pierwszy laureat. Przez kolejne lata znajdował się na liście „2% najlepszych naukowców świata” Uniwersytetu Stanforda. Zdobył nagrodę „Scott Sloan Award dla najlepszego artykułu w 2021 r.” przyznaną przez członka Royal Society. W 2023 r. był nominowany do nagrody Eni, prestiżowej nagrody międzynarodowej w dziedzinie energii i środowiska. Został odznaczony 15. Medalem Naukowca przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Materiałów Zaawansowanych (IAAM), a w 2024 r. został przyjęty jako członek IAAM. Jest członkiem rady redakcyjnej czasopism Journal of Geotechnical Engineering oraz Rock and Soil Mechanics of China. Jest członkiem kilku komisji zawodowych, takich jak dyrektor chińskiego oddziału mechaniki i inżynierii gruntów.
