カラム浸出テストでの細孔水の平衡化について

カラムの浸出テストは、バッチ振動試験よりも自然条件に近く、過去数年間、汚染された土壌、廃棄物、リサイクル、建設材料などのさまざまな固形物からの汚染物質の放出の可能性を評価するために、より一般的になりました。浸透水の固体との平衡に関して依然として不確実性が存在し、排水中の汚染物質濃度の過小評価につながる可能性があります。このペーパーの意図は、有限浴での毛穴水の平衡化が、サンプルからの特定の割合の汚染物質の放出と根本的に異なっており、列に典型的な低液体とソースの比率で平衡がはるかに速く到達することを示すことです。実験（<0.25）は、液体と固体の比率がはるかに高いバッチテスト（2-10）を持つバッチテスト。2つの物質移動メカニズムが解明されます：1次型のリリース（フィルム拡散）と粒子内拡散。後者の場合、物質移動は時間とともに減速し、遅かれ早かれ、浸透が開始された後のカラムアウトレットで非平衡条件が観察されます。平衡浸出の時間尺度は、カラムの長さと物質移動ゾーンの長さとの比較に基づいて推定できます。これは、ダムケラー数アプローチに相当します。この研究で使用される物質移動および拡散係数は、有機化合物の放出にも典型的な水の拡散によって制限される物質移動メカニズムに適用されますが、方解石、石膏などの可溶性鉱物の溶解にも適用されます。これらの理論的考慮事項に基づく結論として、カラムテスト（a）バッチ浸出テストよりもはるかに速く平衡化します。平衡化のために特定の表面積が重要であるため、粒子サイズの高調波平均は関連性があります（小さな粒子サイズは、カラムの短い前均衡の後でも高濃度になります）。線形収着と水性拡散で計算された絶対時間スケールは、有機化合物を目的としており、薄溶性ミネラル相（金属酸化物やケイ酸塩など）には有効ではありません。ただし、異なる液体と固体の比と特定の表面積が平衡時間スケールにどのように影響するかについての一般的な調査結果も、他の物質移動メカニズムにも適用されます。

Column leaching tests are closer to natural conditions than batch shaking tests and in the last years have become more popular for assessing the release potential of pollutants from a variety of solids such as contaminated soils, waste, recycling and construction materials. Uncertainties still exist regarding equilibration of the percolating water with the solids, that might potentially lead to underestimation of contaminant concentrations in the effluent. The intention of this paper is to show that equilibration of pore water in a finite bath is fundamentally different from release of a certain fraction of the pollutant from a sample and that equilibrium is reached much faster at low liquid-to-solid ratios typical for column experiments (<0.25) than in batch tests with much higher liquid-to-solid ratios (e.g., 2-10). Two mass transfer mechanisms are elucidated: First-order type release (film diffusion) and intraparticle diffusion. For the latter, mass transfer slows down with time and sooner or later non-equilibrium conditions are observed at the column outlet after percolation has been started. Time scales of equilibrium leaching can be estimated based on a comparison of column length with the length of the mass transfer zone, which is equivalent to a Damköhler number approach. Mass transfer and diffusion coefficients used in this study apply to mass transfer mechanisms limited by diffusion in water, which is typical for release of organic compounds but also for dissolution of soluble minerals such as calcite, gypsum or similar. As a conclusion based on these theoretical considerations column tests (a) equilibrate much faster than batch leaching tests and (b) the equilibrium concentrations are maintained in the column effluent even for slow intraparticle diffusion limited desorption for extended periods of time (>days). Since for equilibration the specific surface area is crucial, the harmonic mean of the grain size is relevant (small grain sizes result in high concentrations even after short pre-equilibration of a column). The absolute time scales calculated with linear sorption and aqueous diffusion aim at organic compounds and are not valid for sparingly soluble mineral phases (e.g. metal oxides and silicates). However, the general findings on how different liquid-to-solid ratios and specific surface area influence equilibration time scales also apply to other mass transfer mechanisms.