Drijflaagverwijdering, gedrag van een drijflaag in de bodem

Drijflaag definitie

Er is sprake van een drijflaag in de bodem als er op en rond het grensvlak van onverzadigde en verzadigde zone op het grondwater een laag 'puur product' aanwezig is. De vloeistof blijft op het grondwater liggen doordat het niet goed wateroplosbaar is en een lagere dichtheid heeft dan water. Er is sprake van een 3-fasen systeem:

1. vast bodemmateriaal,
2. bodemvocht/grondwater
3. bodemlucht

Figuur 1 Drijflaag in een driefasen systeem

Om het gedrag van een drijflaag in de bodem (zoals verspreiding) te kunnen voorspellen is het belangrijk om de eigenschappen ervan in beschouwing te nemen. Inzicht in het gedrag is bovendien van belang voor de wijze van onderzoek en voor de selectie en dimensionering van de drijflaagverwijderingstechniek. De volgende aspecten bepalen de eigenschappen van een drijflaag:

• Samenstelling van een drijflaag
• Viscositeit van een drijflaag
• Oplosbaarheid van een drijflaag
• Vluchtigheid van een drijflaag
• Oppervlakte- en grensvlakspanning van een drijflaag
• Ouderdom van een drijflaag.

Naast de stofspecifieke kritische factoren als samenstelling, viscositeit, oplosbaarheid, oppervlakte-en/of grensvlakspanning en ouderdom van een drijflaag wordt de verspreiding van een drijflaag natuurlijk ook bepaald door externe factoren zoals fluctuatie van de grondwaterstand, zwaartekracht, het verhang van de grondwaterspiegel, het neerslagoverschot en de (effectieve) porositeit.

Samenstelling van een drijflaag

Een drijflaag kan in verschillende vormen voorkomen, als een:

• enkelvoudige vloeistof (zoals tolueen)
• mengsel van soortgelijke vloeistoffen, zoals kerosine (C6-C15 alifaten)
• mengsel van verschillende vloeistoffen, zoals benzine (C4-C12 alifaten) plus aromaten (BTEX)
• mengsel van verschillende vloeistoffen en vaste stoffen, zoals creosoot (minerale olie plus fenolen en polycyclische aromaten)
• mengsel van vloeistoffen die verschillen in dichtheid ten opzichte van water, zoals minerale olie met perchloorethyleen (PER). De dichtheid van het mengsel is afhankelijk van de samenstelling.

De mogelijkheden voor fysische verwijdering en biologische afbraak van een drijflaag hangen sterk af van de samenstelling van de drijflaag. Indien de samenstelling onbekend is wordt geadviseerd om de monsters te laten analyseren op minerale olie fracties, BTEXN en een uitgebreide GC/MS-screening.

Viscositeit van een drijflaag

De verspreiding en fysische verwijderingsmogelijkheden van een drijflaag hangen sterk af van de viscositeit (of stroperigheid) van de drijflaag. Benzine bijvoorbeeld is minder visceus dan smeerolie, waardoor een drijflaag van benzine gemakkelijker te verwijderen is maar zich tevens sneller verspreidt dan een drijflaag van smeerolie. De viscositeit wordt veelal uitgedrukt in Pa.s (Pascal seconde) of kg m-1 s-1.

Oplosbaarheid van een drijflaag

Stel dat een drijflaag uit een mengsel bestaat van slecht wateroplosbare koolwaterstoffen (alifaten) en redelijk wateroplosbare aromaten (zoals BTEX). De oplosbaarheid van de alifaten in het mengsel zal dan hoger zijn dan in de situatie zonder aromaten. Gevormde emulsies hebben een andere oplosbaarheid dan de oplosbaarheid van de separate componenten. Andere oplossingsverhogende componenten kunnen zijn fenolen, humuszuren, dicarbonzuren (zoals verweerde alifaten), vluchtige gechloreerde koolwaterstoffen en detergenten.

Vluchtigheid van een drijflaag

In hoeverre een drijflaag zal uitdampen naar de onverzadigde zone en/of de atmosfeer wordt bepaald door de vluchtigheid van de component(en) waaruit de drijflaag bestaat. De vluchtigheid wordt bepaald door de dampdruk van die stof en de oplosbaarheid van die stof en uitgedrukt in de Henry-coëfficiënt (dimensieloos of atm.m3/mol). Hoe hoger de dampdruk en hoe lager de oplosbaarheid, des te makkelijker het drijflaagproduct zal uitdampen.

Oppervlakte en -grensvlakspanning van een drijflaag

Een oppervlaktespanning is de spanning die heerst aan een vloeistofoppervlak. De oppervlaktespanning wordt veroorzaakt doordat de moleculen in het grensvlak vloeistof/lucht een naar binnen gerichte netto kracht ondervinden ten gevolge van de aantrekking door de onderliggende moleculen (figuur 1). De verplaatsing van een drijflaag, ten gevolge van de capillaire krachten in een droge bodem, wordt bepaald door de oppervlaktespanning van een drijflaag en de capillaire ruimte tussen de bodemdeeltjes (wet van LaPlace voor een 2-fasen systeem).

Een grensvlakspanning is de resulterende spanning, aan het grensvlak tussen twee niet mengbare vloeistoffen, die ontstaat indien die vloeistoffen met elkaar in contact worden gebracht. De verplaatsing van een drijflaag, ten gevolge van de capillaire krachten in een vochtige bodem, wordt bepaald door de grensvlakspanning tussen een drijflaag en bodemvocht en de capillaire ruimte tussen de vochtige bodemdeeltjes (wet van LaPlace voor een 3-fasen systeem).

De stuwende druk (dP) achter de verplaatsing van een vloeistof met oppervlaktespanning (y) in een porie (capillair) met interne straal (r) wordt gegeven door de vergelijking van LaPlace & Young:

Een vloeistof stijgt in een capillair totdat de druk van de vloeistofkolom gelijk is aan dP:

Door combinatie van vergelijkingen (1) en (2) kan de capillaire opstijging worden berekend [Moore, 1974]. Een gerelateerd begrip is de wettability. Wanneer een vloeistof in contact komt met een vaste stof, kan de vloeistof een grote affiniteit hebben voor de vaste stof of juist een hele kleine affiniteit. Wanneer de vloeistof een grote affiniteit heeft voor de vaste stof zal ze zich uitspreiden over het oppervlak, de vloeistof wordt dan een wetting vloeistof genoemd. Wanneer de vloeistof een lage affiniteit heeft voor de vaste stof zal ze als individuele druppels op de vaste stof aanwezig blijven. De vloeistof wordt dan een non-wetting vloeistof genoemd (figuur 2). Bekende voorbeelden zijn water op glas (wetting) of kwik op glas (non-wetting).

Figuur 2 Contacthoek en wettability

A : een wetting en non-wetting vloeistof op een vast oppervlak bijvoorbeeld glas. De affiniteit van de vloeistof voor het oppervlak kan worden uitgedrukt in de contacthoek, lambda.

B : het gedrag van puur product met wetting en non-wetting eigenschappen in een bodem.

Ouderdom van een drijflaag

Een verse drijflaag kan zich anders gedragen dan een verweerde, vanwege veranderde fysisch-chemische eigenschappen. Hier liggen meerdere processen aan ten grondslag: chemische of biologische oxidatie, uitdamping van de vluchtige bestanddelen en “uitspoelen” van goed oplosbare bestanddelen. Deze processen zullen voornamelijk aan de randen van de drijflaag optreden, waardoor de “gedaanteverandering” van de drijflaag als geheel een langzaam proces is. De gevolgen van verwering voor de achterblijvende drijflaag zijn onder andere en afname van de mobiliteit en een toename van de viscositeit.

Veel voorkomende producten die een drijflaag kunnen vormen

Enkele veel voorkomende producten die een drijflaag kunnen vormen zijn in tabel 1 opgenomen.

Tabel 1 Eigenschappen van veel voorkomende olieproducten die een drijflaag kunnen vormen