Traitement des DNAPL dans les eaux souterraines par injection de solutions de polymères : étude expérimentale et numérique - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Remediation of DNAPL saturated aquifers by injecting polymer solutions : Experimental and numerical study

Traitement des DNAPL dans les eaux souterraines par injection de solutions de polymères : étude expérimentale et numérique

Résumé

The remediation of soils contaminated with DNAPL (Dense non-aqueous phase liquid) near groundwater is a crucial environmental issue due to the significance of water resources. Injection of polymer solutions into the contaminated zones has been used as a promising method for soil aquifer remediation. The existing literature lacks a comprehensive numerical and experimental examination of the non-Newtonian properties of polymer solutions used for displacing DNAPL in single or multi-layer systems. There's also an underexplored area concerning the reduction of residual DNAPL in layered systems following the primary introduction of a polymer solution. Furthermore, addressing the challenge of density-driven concerns in an unconfined system during polymer injection remains necessary. In order to evaluate the efficiency of this technology, a variety of experimental and numerical analyses has been performed. The non-Newtonian behavior of polymer solutions, along with other chemical substances including suspended particles, surfactant, salt, and alcohols in bulk and in porous media, was examined. The 1-column and 2D-tank as the experimental setups were used for displacement studies, and COMSOL Multiphycics was used for numerical analysis. To address the density-driven issue during the displacement of DNAPL a gravity-driven remediation method is evaluated in which the polymer solution is densified either by suspended barite particles or the salts. The impact of densifying the polymer solution with suspended particles or soluble salt showed that the polymer densification can improve DNAPL displacement efficiency up to 4 times. Deposition of suspended particles in porous media during densified polymer suspension injection was characterized; a reduction in permeability up to 70% was observed. For the case of injection of densified brine polymer solution, densification of polymer solution in 2D two-phase experiments could result in improvement of propagation aspect ratio (ratio of lateral to vertical radius) in the system from 0.38 to 1.2. Two-phase flow numerical simulations in porous media were employed to assess various scenarios during the displacement of DNAPL using polymer solutions. The injection of polymer solution in an unconfined domain has been analyzed experimentally and numerically in order to mimic the conditions as close as possible to a real polluted site. The performance of polymer solutions with and without surfactant on the remediation of a DNAPL-polluted multilayer system has been investigated. 2D experiments revealed that the displacement of DNAPL in multilayer zones was affected by permeability difference and density contrast of fluids in a heterogeneous soil. To minimize the residual saturation of DNAPL in the multilayer system, the efficiency of post-injection mixtures of polymer/alcohol/surfactant was evaluated. Density analysis of the samples obtained from displacement experiments in single-layer column and the multilayer 2D tank shows that the mobilization mechanism can improve the recovery efficiency from 91% (achieved by primary flushing) to 99% in 1D column and from 86% to 94% in 2D tank. This thesis provides the promising results for remediation of real polluted aquifers by DNAPL, by shedding light on the non-Newtonian properties of polymer solutions and considering the impact of density-driven flow on DNAPL displacement in both single-layer and multilayer systems.
La dépollution des nappes phréatiques contaminées par les DNAPLs (en anglais, «Dense Non-Aqueous Phase Liquid ») est un enjeu environnemental crucial en raison de l'importance des ressources en eau. L'injection de solutions de polymères constitue une technique prometteuse pour le traitement de ces aquifères. La littérature existante ne dispose pas d'un examen numérique et expérimental complet des propriétés non newtoniennes des solutions polymères utilisées pour déplacer le DNAPL dans des systèmes monocouches ou multicouches. Il existe également un domaine sous-exploré relatif à la diminution du DNAPL résiduel dans les systèmes en couches suite à l'introduction primaire d'une solution de polymère. De plus, il est nécessaire de relever le défi des problèmes liés à la densité dans un système non confiné lors de l’injection de polymère. Diverses analyses expérimentales et numériques ont été effectuées afin d'évaluer l'efficacité de cette technologie. Des essais rhéologiques ont été effectués avec différents types de polymères en solution (sans et avec milieu poreux), ainsi que d'autres substances chimiques incluant les microparticules en suspension, le tensioactif, le sel (iodure de sodium) et les alcools. Une colonne 1D et un bac 2D ont été utilisés pour les études expérimentales de dépollution, et COMSOL Multiphycics a été utilisé pour l'analyse numérique. L'impact de la densification de la solution de polymère avec des particules en suspension ou du sel soluble a été évalué ; il a été démontré que la densification du polymère permet d’améliorer l'efficacité du déplacement du DNAPL jusqu'à un facteur 4. De plus, le dépôt de matières en suspension dans les milieux poreux lors de l'injection de suspension de polymère densifiée a été caractérisé ; une réduction de la perméabilité allant jusqu'à 70% a été observée. Dans le cas de l'injection de solution de polymère densifiée avec de la saumure, la densification de la solution de polymère dans des expériences bidimensionnelles à deux phases entraîne une amélioration du rapport d'aspect (ratio du rayon latéral/ rayon vertical de propagation) dans le système passant de 0,38 à 1,2. Des simulations numériques de l’écoulement diphasique en milieu poreaux ont été réalisées pour évaluer divers scénarios de déplacement des DNAPLs à l'aide de solutions de polymères. L'injection de solution de polymères dans un milieu non confiné a été étudiée expérimentalement et numériquement afin de reproduire les conditions les plus proches possibles d'un site pollué. Les performances des solutions de polymères, avec et sans tensioactif, sur la dépollution d'un système multicouche pollué par des DNAPLs ont été étudiées. Les expériences en bac 2D ont révélé que le déplacement des DNAPLs dans les zones multicouches était affecté par la différence de perméabilité et le contraste de densité des fluides dans un sol hétérogène. Par ailleurs, l'efficacité des mélanges post-injection de polymère/alcool/tensioactif a été évaluée afin de diminuer la saturation résiduelle des DNAPL en milieu hétérogène. Les analyses de la densité des échantillons obtenus à partir des expériences en colonne 1D monocouche et en bac 2D multi couche montrent que le mécanisme de mobilisation peut améliorer l'efficacité de récupération de 91% (atteint par le rinçage primaire) à 99% en colonne 1D, et de 86% à 94% en bac 2D. Cette thèse fournit des résultats prometteurs pour la réhabilitation d'aquifères réellement pollués par DNAPL, en mettant en lumière les propriétés non newtoniennes des solutions polymères et en considérant l'impact de l'écoulement basé sur la densité sur le déplacement de DNAPL dans les systèmes monocouches et multicouches.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04445743 , version 1 (08-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04445743 , version 1

Citer

Amir Hossein Mohammadi Alamooti. Traitement des DNAPL dans les eaux souterraines par injection de solutions de polymères : étude expérimentale et numérique. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. HESAM Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023HESAE073⟩. ⟨tel-04445743⟩
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