Development of testbed for assessment of enhanced soil vapor extraction of trichloroethylene in unsaturated clayey soil

Abstract

Trichloroethylene (TCE) is a volatile organic compound (VOC) commonly found in many contaminated sites. It is a dense non-aqueous phase liquid (DNAPLs) considered harmful to human health. DNAPL pose particular threats because of their heterogeneous distribution and long-term perseverance in underground environments. Current remediation techniques for TCE in clay soil are extremely difficult and expensive. It is, therefore, necessary to develop an enhanced, cost-effective remediation technology that can be applied to those site contaminated clays. This project involves: development and testing of a testbed; conducting soil vapor extraction (SVE) experiments in the testbed; using cycled injections, and evaluating of experimental data. A laboratory-scale SVE testbed was developed, consisting of a stainless steel column packed with fine clay soil, fourth (4) soil vents, two (2) injection wells, and an extraction system. It is instrumented with transducer pressure sensors, flow meters, and sampling port. To evaluate the enhancement of SVE for the removal of TCE from unsaturated clayey soils by the addition of a capillary-based delivery of alcohol and brine solutions (methanol / CaCl2), SVE pilot study-experiments were conducted. Results from the SVE experiments were analyzed to determine the performance of the SVE methods to induce airflow and extraction of TCE vapors from TCE-contaminated clay soils. According to the results, the hydraulic behavior and extracted mass show reproducibility and consistency. Capillary-based delivery has proven to be a viable method to delivery reactant into clay soils of low permeability. Changes in pressure gradients suggest that the use of CaCl2 brine may increase air permeability of the system. The results from all the tests show that SVE can be used to extract TCE contaminants from clay soil; however, the removal is subject to mass transfer limitations, which reduce the efficiency of the extraction. Removal efficiency is between 33% and 53%, indicating that a large amount of initial mass still resides in the system and that total removal would take a long time. Measured temperatures through the soil bed during the extraction process indicate a significant variation in temperature. Lower temperatures under the extraction process are attributed to cooling effect of water in the system and TCE volatilization.

Tricloroetileno (TCE) es un compuesto orgánico y volátil comúnmente encontrado en muchos lugares contaminados. Este compuesto es clasificado como uno denso y en fase líquido no acuoso (DNAPL, por sus siglas en inglés) considerado dañino para la salud humana. DNAPL es considerado una amenaza particular, ya que su distribución es heterogénea y se preserva a largo plazo en ambientes subterráneos. Las técnicas de remedición para TCE que existen actualmente para lugares con suelos arcillosos, son extremadamente difíciles y costosas. Es por esto que es necesario desarrollar mejores tecnologías de remedición, de tal forma que sean más costo-efectivas y que puedan ser utilizadas en lugares con arcillas contaminadas. Este proyecto consiste de: desarrollar y probar un banco de prueba; llevar a cabo experimentos utilizando extracción de vapores del suelo (SVE, por sus siglas en ingles) en el banco de prueba; usar ciclos de inyecciones de soluciones, y la evaluación de los datos experimentales. Un banco de prueba de SVE a una escala de laboratorio, fue desarrollado. Este banco consiste de una columna de acero inoxidable empacada con suelo arcilloso fino, cuatro (4) orificios de ventilación del suelo, dos (2) pozos de inyección, y un sistema de extracción. Además, este banco está equipado con sensores transductores de presión, medidores de flujo y puerto de muestreo. Todo esto es para evaluar el desempeño del estudio piloto de SVE propuesto para mejorar la eliminación de TCE en suelos arcillosos en estado insaturados, por medio de la adición capilar de soluciones de alcohol y sal (metanol / CaCl2). Los resultados de los experimentos de SVE fueron analizados para determinar el desempeño de cada uno de los métodos establecidos para inducir el flujo de aire y extracción de vapores de TCE en los suelos arcillosos contaminados. Según los resultados, el comportamiento hidráulico y la cantidad de masa extraída muestran que los experimentos se pueden reproducir de una forma consistente. La entrega de solución por medio de tensión capilar ha demostrado ser un método viable para la entrega de reactivos en los suelos arcillosos de baja permeabilidad. Cambios en los gradientes de presión sugieren que el uso de CaCl2 podría mejorar la permeabilidad del aire a través del sistema. Los resultados de todas las pruebas muestran que el SVE podría ser utilizado para extraer contaminantes de TCE en suelos arcillosos, pero la remoción está sujeta a limitaciones de transferencia de masa, la cual reduce la eficiencia de la extracción. La eficiencia de remoción está entre 33% y 53%, lo cual indica que gran cantidad de la masa inicial, se mantiene residente en el sistema, y que extraer la masa total, tomará un largo periodo de tiempo. Medidas de temperaturas a través del suelo en la columna durante el proceso de extracción, indican una variación significativa en la temperatura. Las reducciones en las temperaturas durante el proceso de extracción se atribuyen al efecto enfriamiento del agua en el sistema y la volatilización del TCE.