Enhancement of TCE volatilization and vapor extraction from variably-saturated clay using salt and alcohol solutions

Abstract

One of the most common dense non-aqueous phase liquids (DNAPLs) found in polluted underground systems in the U.S. is trichloroethylene (TCE). Most of the remediation technologies for chlorinated solvents like TCE have been designed for sands and high permeability media, therefore new technologies need to be developed to successfully remove these contaminants from tight formations. Previous research has demonstrated enhanced remediation of TCE-contaminated sites through the use of combined treatment technologies using surfactant- and gravity-induced mobilization, dense brine containment and collection, and vapor phase extraction in saturated heterogeneous soils. This research evaluates and develops the enhancement of TCE volatilization and vapor extraction from variably-saturated clay by the addition of salt and alcohol solutions. Enhanced volatilization of TCE is assessed in static and dynamic reactors. The effect of salt content on permeability is assessed through soil-air permeability measurements at different water contents and salt concentrations. Air permeability measurements indicate that the air permeability of Coto clay could be enhanced by the addition of NaCl at low moisture contents. Results for static batch experiments indicate that NaCl enhances vapor TCE extraction for reactors containing TCE-solution with TCE NAPL, for NaCl concentrations below 4.28 M. In the absence of TCE NAPL, for low TCE aqueous concentrations, a high NaCl concentration (4.28 M) yields higher TCE vapor concentrations, and suggests potential enhancement in vapor TCE extraction. Results for the dynamic flux experiments indicate that in TCE-solution with TCE NAPL, a NaCl concentration of 0.60 M yields higher TCE vapor concentrations than in absence of NaCl. NaCl also has a significant effect on TCE solution with saturated clay (i.e. Coto clay) in presence of MeOH. Results also indicate that in unsaturated clay (i.e. Coto clay) NaCl has a significant effect on TCE volatilization. MeOH has a significant effect on TCE solution with or without TCE NAPL. In general, results show that there is a potential for enhanced vapor-phase extraction of TCE by using salt and methanol solution. The differences are, however slight for NaCl. Other salt solutions may show greater enhancement. A test bed was designed to be tested as part of another project to determine if a cycled injection of brine and alcohol solutions enhances soil vapor extraction of TCE from clayey soils. The design integrated a soil column, liquid injection and vapor extraction points, vapor samplers, vacuum, and flow meters. The suggested experimental design involves the cycled application of an alcohol aqueous solution (10%), followed by a brine solution, both injected through reactant delivery membranes, and vapor extraction through extraction wells. Air pressures, flow rates, solution delivery rates, and changes in water content at the bottom boundary are to be monitored during the SVE enhancement experiments.

Uno de los líquidos densos en fase no acuosa (DNAPL) que más comúnmente se encuentran en sistemas subterráneos contaminados en los EE.UU. es el tricloroetileno (TCE). La mayoría de las tecnologías para remediación de solventes clorinados como el TCE, han sido diseñadas para arenas y medios de alta permeabilidad, por lo tanto, deben desarrollarse nuevas tecnologías que remuevan exitosamente estos contaminantes de formaciones poco permeables. Pasadas investigaciones han demostrado mejoras a la remediación de sitios contaminados con TCE a través del uso de tecnologías de tratamientos combinados usando movilización inducida por surfactantes y por la gravedad, la contención y colección por soluciones saladas densas, y la extracción en fase de vapor en suelos heterogéneos saturados. Esta investigación evalúa y desarrolla la mejora a la volatilización de TCE y la extracción de vapores de arcilla a saturación variable mediante la adición de soluciones de sal y alcohol. Se evalúa la mejora a la volatilización del TCE a través de reactores estáticos y de flujo dinámicos. El efecto del contenido de sal en la permeabilidad se evalúa a través de medidas de permeabilidad de aire en suelo a diferentes contenidos de humedad y diferentes concentraciones de sal. Las medidas de permeabilidad de aire indican que la permeabilidad de aire para la arcilla Coto se podría mejorar mediante la adición de cloruro de sodio (NaCl) a bajos contenidos de humedad. Los resultados para el experimento de reactores estáticos indican que el NaCl aumenta la extracción de TCE en vapor de los reactores que contienen solución de TCE con TCE en fase no acuosa, para concentraciones de NaCl menores a 4.28 M. En ausencia de TCE en fase no acuosa, para concentraciones acuosas de TCE bajas, una concentración alta de NaCl (4.28 M) resulta en concentraciones más altas de TCE en vapor, lo que sugiere una mejora potencial en la extracción de TCE en vapor. Los resultados para el experimento de reactores de flujo dinámico indican que en solución de TCE con TCE en fase no acuosa una concentración de NaCl de 0.60 M resulta en concentraciones de TCE en vapor más altas que en la ausencia de la sal. El NaCl también tiene un efecto significativo sobre la arcilla Coto saturada de solución de TCE en presencia de metanol (MeOH). Los resultados para el experimento de reactores de flujo dinámico también indican que en arcilla Coto no saturada el NaCl tiene un efecto significativo sobre la volatilización del TCE. El MeOH tiene un efecto significativo en la solución de TCE con o sin TCE en fase no acuosa. En general, los resultados muestran que hay potencial para la mejora de la extracción de TCE en fase de vapor al usar sal y solución de MeOH. Las diferencias son, sin embargo, leves para el NaCl. Soluciones de otras sales podrían resultar en una mayor mejora. Una columna ha sido diseñada para ser evaluada como parte de otro proyecto, para determinar si una inyección cíclica de soluciones de sal y alcohol mejora la extracción de vapores de TCE del suelo. El diseño integra una columna de suelo, puntos de inyección líquida y de extracción de vapores, muestreadores de vapor, bomba de vacío y metros de flujo. El diseño experimental sugerido envuelve la aplicación cíclica de una solución de alcohol (10%), seguida por la aplicación de una solución de salmuera, ambas inyectadas a través de membranas de distribución de reactivos, y la extracción de vapores a través de pozos de extracción. Durante los experimentos de mejora a la extracción de vapores del suelo, se medirán las presiones de aire, razones de flujo, razones de distribución de soluciones, y los cambios en el contenido de humedad en el límite inferior de la columna.