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Sub project: Dynamic capillary fringes - a multidisciplinary approach

Das Projekt "Sub project: Dynamic capillary fringes - a multidisciplinary approach" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ - Department Bodensystemforschung durchgeführt. The capillary fringe is characterized by the fluctuating water table evoking the dynamic formation and dissolution of trapped gas. Due to phase discontinuities flow and transport across this interface cannot be described by classical theory. In this sub-project we want to (I) experimentally explore the dynamics of phase saturation during water table fluctuations at a high spatial (0.01 mm) and high temporal (1 s) resolution using X-ray radiography, (ii) investigate the formation and dissolution of a residual gas phase under transient forcing, and (iii) study incoherent gas transport and the extent to which it may be represented by travel time distributions and effective continuum properties. The experiments will be run in Hele- Shaw cells corresponding to the other SPs. The continuum scale analysis will be complemented by optical measurements of the dynamics of water-gas interfaces and the movement and size distribution of gas bubbles at the pore scale (resolution 0.01 mm). Using 3D X-ray tomography the structure of the pore geometry is obtained which provides the basis for pore scale modeling of the dissolution of gas bubbles (SP2). Moreover, the pore structure will be quantified in terms of pore size distribution, connectivity and pore-solid interface curvature. These measures are then used as input to an equivalent micro-model where the detailed multiphase dynamics can be explored. This will provide the experimental basis to relate structural properties, external forcing and fluid properties to effective properties observed in the central experimental facility of CP.

Sub project: Numerical methods for the accurate and efficient simulation of multiphase multicomponent reactive flow in the capillary fringe

Das Projekt "Sub project: Numerical methods for the accurate and efficient simulation of multiphase multicomponent reactive flow in the capillary fringe" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Interdisziplinäres Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen durchgeführt. he capillary fringe is a zone where liquid and gas phase are strongly interacting, providing a favorable environment for many chemical reactions and microorganisms. The quantitative prediction of processes in the capillary fringe with computer models is a big challenge as it requires not only the description of multi-component two-phase reactive flow but also the macroscopic simulation of phase entrapment, gas bubble dissolution and the flow of a disconnected gas phase, which is a mostly unsolved problem. After a thorough testing of stability, speed and precision of the operator splitting approach developed in the first funding period compared to a global implicit approach, the project SP2 focuses on the simulation of the experiments conducted in the other projects in close cooperation with the experimenters. Pore scale and continuum scale models will be used. The comparison of simulations and experimental data on flow and transport processes, chemical reactions and microbial activity will be used to detect deficiencies of the model and obtain helpful suggestions for its improvement. The model will be incorporated in a parameter estimation framework to estimate transport parameters and reaction rates from the experiments.

dynamic capillary fringes - a multidisziplinary approach (DyCap)

Das Projekt "dynamic capillary fringes - a multidisziplinary approach (DyCap)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ, Department Bodenphysik durchgeführt.

Der dynamische Kapillarsaum - ein multidisziplinärer Denkansatz; Teilprojekt 5: Refraktäre organische Substanzen im Kapillarsaum: ihre Dynamik, Gradienten und Reaktionen (DyCap II)

Das Projekt "Der dynamische Kapillarsaum - ein multidisziplinärer Denkansatz; Teilprojekt 5: Refraktäre organische Substanzen im Kapillarsaum: ihre Dynamik, Gradienten und Reaktionen (DyCap II)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engler-Bunte-Institut, Lehrstuhl für Wasserchemie und Wassertechnologie durchgeführt. Der Kapillarsaum stellt einen hochaktiven Bereich für den (bio-) chemischen Abbau organischer Substanzen im Boden dar. Wegen der großen Verbreitung synthetischer organischer Mikroverunreinigungen ist das Verhalten der Substanzen und ihre biologische Abbaubarkeit in gesättigten und ungesättigten Bereichen des Bodens von großer ökologischer Bedeutung. Die möglichen Abbauprodukte der Schadstoffe und ihre Integration in die Bodenmatrix wurden allerdings noch nicht eingehend erforscht. Es wird erwartet, dass der Saumbereich eine hohe Bioaktivität beim Abbau und bei der Umformung der Schadstoffe aufweist. Dieser 'natürliche Bioreaktor' führt zu einem makromolekularen Material aus Biomasse, in welchem die Xenobiotika und ihre Abbauprodukte integriert werden können. Untersuchungen zum Transportverhalten und der biochemischen Umwandlungen ausgewählter organischer Modellstoffe (Phenol, Salicylsäure, Benzolsulfonsäure) und organischer Mikroverunreinigungen (Röntgenkontrastmittel, Atrazin) im Kapillarsaumbereich stehen im Mittelpunkt der Untersuchungen. Es wird ein 2D-Versuchsstand (2D-flow through experiment) eingesetzt, um die Abhängigkeit der Reaktionen von den spezifischen Bedingungen im Kapillarsaum (Variation im Wassergehalt, Sauerstoffkonzentration, Redoxpotential, vertikale und horizontale Strömung) zu bestimmen. Vergleichend werden ebenfalls Batch- und Säulenexperimente durchgeführt. Durch die quantitativen Ergebnisse wird ein umfassenderes Verständnis und damit eine näherungsweise Berechnung der Vorgänge im Kapillarsaum erwartet.

Geobiologische Interaktionen zwischen Hydrothermalfluiden und symbiotischen Primärproduzenten an Spreizungsachsen

Das Projekt "Geobiologische Interaktionen zwischen Hydrothermalfluiden und symbiotischen Primärproduzenten an Spreizungsachsen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie durchgeführt. In den letzten 2 Jahren des SPP 1144 werden wir unsere Untersuchungen an endosymbiontischen Bakterien in Evertebraten, einer der wichtigsten Gruppen von Primärproduzenten an Hydrothermalquellen des Mittelatlantischen Rückens (MAR), abschließen. In enger Zusammenarbeit mit Geologen und Geochemikern soll der Einfluss von unterschiedlichen geologischen Strukturen und Gradienten in Ventfluiden auf symbiontische Diversität, Biomasse und Aktivität aufgeklärt werden. Diese Forschung wird zu einer der Kernfragen des SPP 1144 beitragen: Welche Wechselwirkungen bestehen zwischen hydrothermalen und biologischen Prozessen? Eine weitere Kernfrage des SPP 1144 ist: Wie beeinflussen Achsenmorphologie und Meeresströmungen die Verbreitung von Ventorganismen entlang der Rückenachse? Biogeographische Analysen der Symbionten von Muscheln und Garnelen sollen zeigen, ob geologische und hydrologische Barrieren zwischen den nördlichen und südlichen Hydrothermalquellen zu einer räumlichen Isolierung von symbiotischen Bakterien führen. Die Ergebnisse dieser Forschung liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Kopplung geologischer und biologischer Prozesse an gemäßigt spreizenden Rückenachsen.

OPUS - Transport organischer Verunreinigungen in ungesaettigten Boeden - Ein integrierter Ansatz (Bodenphysikalischer Teil)

Das Projekt "OPUS - Transport organischer Verunreinigungen in ungesaettigten Boeden - Ein integrierter Ansatz (Bodenphysikalischer Teil)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, Institut für Terrestrische Ökologie, Arbeitsgruppe Bodenphysik durchgeführt. In controlled laboratory experiments, the dominant physical, chemical, and biological characteristics of transport of organic pollutants through well defined, but partly heterogeneous porous media are investigated. Joint experiments with eight other groups from ETHZ, EAWAG and EPFL are carried out predominantly under unsaturated flow conditions in columns to examine simultaneously occurring physical, chemical, and biological processes. These columns are equipped with pressure transducers, time domain reflectometry probes, solution and gas sampling ports to ensure a high spatial and temporal resolution of measurements. Unsaturated gravity flow is used to simulate the unsaturated zone above the capillary fringe. In contrast, a fluctuating water table in the columns is used to mimic conditions found in natural aquifers. This experimental design allows to examine phase distribution as affected by the presence of soluble organic compounds and hydrophobic surfaces. Also changing redox conditions due to varying degrees of saturation is evaluated. The impact of sorption on the transport of nitro aromatic compounds is analyzed. In this research programme we emphasize interactions across disciplinary boundaries.

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