Air-flow geometry in air sparging of fine-grained sands

Abstract

Laboratory visualization experiments in fine- to very fine-grained sands (grain diameter <0.21 mm) reveal a previously unrecognized air-flow geometry. This air-flow geometry is termed "chamber flow" and is characterized by: (1) a significant horizontal component, (2) pervasive air-flow coverage within a region demarcated by a distinct, irregular boundary, and (3) the presence of predominantly vertical inlet and outlet channels. The attributes of chamber flow differ significantly from channelized flow and pervasive/bubbly flow, which occur at larger grain sizes and have been described in the literature by several researchers. Previous research, which indicates a dramatic increase in contaminant removal time in sediments <0.2 mm, indirectly corroborates the phenomena observed in this study. The extent of sediment column affected by chamber flow of sparge air ranges from 4–54% on an area basis, and is approximately 28% on a volume basis. These values indicate that chamber air flow has the potential to affect a much larger percentage of the sediment column than either channelized or pervasive/bubbly flow. Because of the irregularity of air-flow chambers, in terms of both form and frequency, a detailed knowledge of stratigraphy is important to maximize air-sparging efficiency at sites where chamber flow is likely to occur. Des expériences de visualisation en laboratoire dans des sables à grains fins à très fins (diamètre des grains inférieur à 0,21 mm) ont mis en évidence une géométrie des écoulements d'air non reconnue auparavant. Cette géométrie des écoulements d'air est nommée «écoulement en cavité» et est caractérisée par (1) une composante horizontale significative, (2) un domaine d'expansion de l'écoulement d'air dans une région délimitée par une frontière distincte et irrégulière, et (3) la présence de chenaux essentiellement verticaux d'entrée et de sortie. Les caractères de l'écoulement en cavité diffèrent significativement de l'écoulement en chenaux et de l'écoulement expansif en bulle, qui se produisent pour des tailles de grains plus grandes et qui ont été décrits dans la littérature par plusieurs chercheurs. Une étude antérieure, qui indique un accroissement considérable du temps de déplacement d'un polluant dans des sédiments de granulométrie inférieure à 0,2 mm, confirme indirectement les phénomènes observés dans ce travail. La part de la colonne de sédiment affectée par l'écoulement en cavité de l'air poussé et injecté va de 4 à 54% par rapport à la surface, et est d'environ 28% en volume. Ces valeurs indiquent que l'écoulement d'air en cavité a la capacité d'affecter une part de la colonne de sédiment bien plus vaste que l'écoulement en chenaux ou en bulles expansives. À cause de l'irrégularité des cavités d'écoulement d'air, à la fois en termes de forme et de fréquence, une connaissance détaillée de la stratigraphie est importante afin que l'injection de l'air soit maximale à des sites où il est probable que l'écoulement en cavité se produise. La visualización de experimentos de laboratorio con arenas de tamaño de grano fino a muy fino (diámetro de grano inferior a 0,21 mm) revela la existencia de una geometría de flujo de aire que no se había identificado previamente. Esta geometría es denominada "flujo en cámara" y se caracteriza por: (1) una componente horizontal significativa, (2) la cobertura generalizada del flujo de aire dentro de una región delimitada por un contorno distinto e irregular, y (3) la presencia de canales predominantemente verticales en las zonas de entrada y salida. Los atributos del flujo en cámara difieren significativamente del flujo en canales y el flujo generalizado/de burbujas, los cuales tienen lugar con tamaños mayores de grano y han sido descritos en la literatura por diversos investigadores. Las investigaciones previas, que indican un aumento enorme en el tiempo de descontaminación necesario para sedimentos de tamaño inferior a 0,2 mm, corroboran de forma indirecta los fenómenos observados en este estudio. La zona afectada por flujo en cámara durante la inyección de aire en la columna de sedimentos varía entre el 4 y el 54% en área, lo cual equivale aproximadamente al 28% en volumen. Estos valores indican que el flujo en cámara de aire tiene el potencial de afectar a un porcentaje de la columna mucho mayor que los otros mecanismos de flujo. Debido a la irregularidad de las cámaras de flujo de aire, tanto en forma como en frecuencia, es importante adquirir un conocimiento detallado de la estratigrafía para maximizar la eficacia de la inyección de aire en lugares en los que es probable el desarrollo de flujo en cámara.