Coupled multi-ion electrodiffusion analysis for clay soils


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Abstract

For a well-engineered compacted clay landfill liner, diffusive transport through the liner is the main mass transport mechanism from the landfill. Therefore, accurate estimates of diffusion coefficients for clay liners are essential for the engineering design of liner systems. A long-standing problem has been the effect of ion pairing on the estimation of diffusion coefficients for multicomponent ionic solutions migrating through clay liners. This paper considers the solution of a fully coupled set of transport equations describing the simultaneous diffusion of several ion species through a clayey soil. The analysis takes into account the diffusion coefficient for each ion species, ion pairing (as required by electroneutrality of the solution), and time-dependent first-order ion and (or) ligand exchange reactions with the clay particles. The behaviour of a double-reservoir diffusion cell, often employed for the estimation of diffusion coefficients in the laboratory, is analyzed using the coupled transport model. A detailed theoretical analysis is made of sodium fluoride transport through saturated kaolinitic clay.RésuméDans le cas d'une membrane d'étanchéité en argile ayant été soumise à un bon compactage mécanique pour un site d'enfouissement sanitaire, le transport par diffusion à travers la membrane est le principal mécanisme de transport de masse qui s'échappe du site d'enfouissement. En conséquence, des estimations précises des coefficients de diffusion pour les membranes d'argile sont essentielles pour la conception mécanique des systèmes de membranes. Un problème de longue date est l'effet de couplage d'ions sur l'estimation des coefficients de diffusion pour des solutions à multiples composantes migrant à travers les membranes d'argile. Cet article considère la solution d'un ensemble complètement couplé d'équations de transport décrivant la diffusion simultanée de plusieurs espèces d'ions à travers le sol argileux. L'analyse prend en compte le coefficient de diffusion pour chaque espèce d'ions, pour chaque couplage d'ions (tel que requis pour la neutralité électrolytique de la solution), et pour chaque ion de premier ordre dépendant du temps et (ou) liant les réactions d'échange avec les particules d'argile. Le comportement d'une cellule de diffusion à double réservoir, souvent utilisée pour l'estimation des coefficients de diffusion en laboratoire, est analysé au moyen du modèle de transport couplé. On fait une analyse théorique détaillée du transport de fluorure de sodium à travers l'argile de kaolin saturée.

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