Transport de nanoparticules de TiO2 en milieux poreux saturés et non saturés : expériences et modélisation

The transport of manufactured titanium dioxide (TiO2, rutile) nanoparticles (NP) in porous media was investigated under different saturation, water velocity and ionic strength (IS) conditions. The breakthrough curves show that the amount of retained NPs decreases when the water velocity increased and that TiO2 NP retention is influenced by the water content for values of IS larger than 3mM KCl. It can be assumed that the interface between air and water (AWI) does not retain TiO2 NPfor IS equal to, or smaller than, 3 mM KCl.The breakthrough curves with an IS of 5mM KCl, influenced by water content profile and watervelocity profile, were modeled. The 3P transport model was developed to describe the retention ofTiO2 NP, taking into account the AWI and the effects of the water velocity. This model depends on three parameters and takes into account the water content profile of the porous medium, modeled through the previously identified hydrodynamic parameters. The 3P model provides a better data description than the classic Langmuirian retention model, often used in the literature. Moreover, it can be applied under both saturated and unsaturated conditions.Le transport de nanoparticules (NP) de dioxyde de titane (TiO2) manufacturées a été étudié dans un milieu poreux sous différentes conditions de saturation, vitesse d’écoulement et force ionique (IS). Les courbes de percée montrent que la quantité de NP retenue diminue quand la vitesse d’écoulement augmente, et qu’elle est influencée par la teneur en eau en présence d’une IS plus grande que 3 mM KCl. On peut supposer que l’interface entre eau et air (AWI) ne retient pas de NP en présence d’IS supérieurs ou égaux à 3 mM KCl. Les courbes de percées des expériences conduites en présence d’une IS de 5 mM, influencées par les profils de teneur en eau et de vitesse, ont été modélisées. Le modèle de transport 3P, qui tient en compte l’AWI et les effets de la vitesse, a été développé pour décrire la rétention des NP. Ce modèle dépend de trois paramètres et du profil de teneur en eau, modélisé à travers les paramètres hydrodynamiques identifiés auparavant. Le modèle 3P donne lieu à une meilleure description des données par rapport à celle du modèle classique, souvent utilisé en littérature. Il peut d’ailleurs être utilisé en milieu saturé comme insaturé

Transport of TiO2 nanoparticles in saturated and unsaturated porous media : experiments and modeling

Le transport de nanoparticules (NP) de dioxyde de titane (TiO2) manufacturées a été étudié dans un milieu poreux sous différentes conditions de saturation, vitesse d’écoulement et force ionique (IS). Les courbes de percée montrent que la quantité de NP retenue diminue quand la vitesse d’écoulement augmente, et qu’elle est influencée par la teneur en eau en présence d’une IS plus grande que 3 mM KCl. On peut supposer que l’interface entre eau et air (AWI) ne retient pas de NP en présence d’IS supérieurs ou égaux à 3 mM KCl. Les courbes de percées des expériences conduites en présence d’une IS de 5 mM, influencées par les profils de teneur en eau et de vitesse, ont été modélisées. Le modèle de transport 3P, qui tient en compte l’AWI et les effets de la vitesse, a été développé pour décrire la rétention des NP. Ce modèle dépend de trois paramètres et du profil de teneur en eau, modélisé à travers les paramètres hydrodynamiques identifiés auparavant. Le modèle 3P donne lieu à une meilleure description des données par rapport à celle du modèle classique, souvent utilisé en littérature. Il peut d’ailleurs être utilisé en milieu saturé comme insaturé.The transport of manufactured titanium dioxide (TiO2, rutile) nanoparticles (NP) in porous media was investigated under different saturation, water velocity and ionic strength (IS) conditions. The breakthrough curves show that the amount of retained NPs decreases when the water velocity increased and that TiO2 NP retention is influenced by the water content for values of IS larger than 3mM KCl. It can be assumed that the interface between air and water (AWI) does not retain TiO2 NPfor IS equal to, or smaller than, 3 mM KCl.The breakthrough curves with an IS of 5mM KCl, influenced by water content profile and watervelocity profile, were modeled. The 3P transport model was developed to describe the retention ofTiO2 NP, taking into account the AWI and the effects of the water velocity. This model depends on three parameters and takes into account the water content profile of the porous medium, modeled through the previously identified hydrodynamic parameters. The 3P model provides a better data description than the classic Langmuirian retention model, often used in the literature. Moreover, it can be applied under both saturated and unsaturated conditions

Transport of TiO2 nanoparticles in saturated and unsaturated porous media : experiments and modeling

Le transport de nanoparticules (NP) de dioxyde de titane (TiO2) manufacturées a été étudié dans un milieu poreux sous différentes conditions de saturation, vitesse d’écoulement et force ionique (IS). Les courbes de percée montrent que la quantité de NP retenue diminue quand la vitesse d’écoulement augmente, et qu’elle est influencée par la teneur en eau en présence d’une IS plus grande que 3 mM KCl. On peut supposer que l’interface entre eau et air (AWI) ne retient pas de NP en présence d’IS supérieurs ou égaux à 3 mM KCl. Les courbes de percées des expériences conduites en présence d’une IS de 5 mM, influencées par les profils de teneur en eau et de vitesse, ont été modélisées. Le modèle de transport 3P, qui tient en compte l’AWI et les effets de la vitesse, a été développé pour décrire la rétention des NP. Ce modèle dépend de trois paramètres et du profil de teneur en eau, modélisé à travers les paramètres hydrodynamiques identifiés auparavant. Le modèle 3P donne lieu à une meilleure description des données par rapport à celle du modèle classique, souvent utilisé en littérature. Il peut d’ailleurs être utilisé en milieu saturé comme insaturé.The transport of manufactured titanium dioxide (TiO2, rutile) nanoparticles (NP) in porous media was investigated under different saturation, water velocity and ionic strength (IS) conditions. The breakthrough curves show that the amount of retained NPs decreases when the water velocity increased and that TiO2 NP retention is influenced by the water content for values of IS larger than 3mM KCl. It can be assumed that the interface between air and water (AWI) does not retain TiO2 NPfor IS equal to, or smaller than, 3 mM KCl.The breakthrough curves with an IS of 5mM KCl, influenced by water content profile and watervelocity profile, were modeled. The 3P transport model was developed to describe the retention ofTiO2 NP, taking into account the AWI and the effects of the water velocity. This model depends on three parameters and takes into account the water content profile of the porous medium, modeled through the previously identified hydrodynamic parameters. The 3P model provides a better data description than the classic Langmuirian retention model, often used in the literature. Moreover, it can be applied under both saturated and unsaturated conditions

Modeling the effects of water content on TiO2 nanoparticles transport in porous media

International audienceThe transport of manufactured titanium dioxide (TiO2, rutile) nanoparticles (NP) in porous media was investigated by metric scale column experiments under different water saturation and ionic strength (IS) conditions. The NP breakthrough curves showed that TiO2 NP retention on the interface between air and water (AWI) and the interface between the solid and the fluid (SWI) is insignificant for an IS equal to or smaller than 3 mM KCl. For larger IS, the retention is depending on the water content and the fluid velocity. The experiments, conducted with an IS of 5 mM KCl, showed a significantly higher retention of NP than that observed under saturated conditions and very similar experimental conditions. Water flow was simulated using the standard Richards equation. The hydrodynamic model parameters for unsaturated flow were estimated through independent drainage experiments. A new mathematical model was developed to describe TiO2 NP transport and retention on SWI and AWI. The model accounts for the variation of water content and water velocity as a function of depth and takes into account the presence of the AWI and its role as a NP collector. Comparisons with experimental data showed that the suggested modeled processes can be used to quantify the NPs retentions at the AWI and SWI. The suggested model can be used for both saturated and unsaturated conditions and for a rather large range of velocities

Vadose Zone Modeling in a Small Forested Catchment: Impact of Water Pressure Head Sampling Frequency on 1D-Model Calibration

The characterization of vadose zone processes is a primary goal for understanding, predicting, and managing water resources. In this study, the issue of soil water monitoring on a vertical profile in the small forested Strengbach catchment (France) is investigated using numerical modeling with the long-term sequences 1D-Richards’ equation and parameter estimation through an inverse technique. Three matric potential sensors produce the observation data, and the meteorological data is monitored using an automatic weather station. The scientific questions address the selection of the calibration sequence, the initial starting point for inverse optimization and monitoring frequency used in the inverse procedure. As expected, our results show that the highly variable data period used for the calibration provides better estimations when simulating the long-term sequence. For the starting point of the initial parameters, handmade iterative initial parameters estimation leads to better results than a laboratory analysis or set of ROSETTA parameters. Concerning the frequency of monitoring, weekly and daily datasets provide efficient results compared to hourly data. As reported in other articles, the accuracy of the boundary conditions is important for estimating soil hydraulic parameters and accessing water stored in the layered profile

From mixed flow reactor to column experiments and modeling: Upscaling of calcite dissolution rate

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