Modelování transportu zinku půdním profilem po aplikaci inovativních sorpčních materiálů

Bc. Jitka Kubíková

Master's thesis

Modelling of zinc transport through the soil profile after application of innovative sorption materials

Abstract:

Cílem práce bylo sestavení modelů transportu Zn v půdním profilu laboratorních kolon při aplikaci sorbentů (biochar a amorfní oxid manganu - AMO) za pomoci dvou programů a typů modelů – Hydrus-1D (rovnovážný model) a DRUtES (kinetický model). Modelování předcházely kolonové experimenty. Proudění vody (průběh tlakových výšek) bylo sledováno jen v samotné půdě a půdě s biocharem, neboť AMO neovlivňuje hydraulické parametry půdy. Laboratorně stanovené hodnoty hydraulické vodivosti a parametry retenční křivky pro oba typy půdy byly optimalizovány a použity při tvorbě modelů. Transport Zn kolonou byl sledován ve všech typech půd (čistá/ošetřená biocharem/ ošetřená AMO). Do kolon byl v pulzech (vždy s následným proplachem čistou vodou) vpouštěn roztok Zn o známé koncentraci. V pravidelných časových krocích byly odebírány vzorky proteklého roztoku a koncentrace Zn byly analyzovány na ICP-OES. Změřené výstupní koncentrace byly použity pro kalibraci transportních modelů. Při experimentu proudění vody byl z tlakových výšek zjištěn vliv biocharu na zvýšení vlhkosti ošetřené půdy. Při experimentu transportu byly pozorovány pozitivní vlivy obou sorbentů na imobilizaci Zn, přičemž jako účinnější z nich se projevil AMO, u něhož byly naměřeny nižší výstupní koncentrace Zn (o 69,1 % oproti samotné půdě). V programu Hydrus-1D byl sestaven rovnovážný model transportu. Tento model byl úspěšně validován pro transport Zn v samotné půdě, avšak pro půdu s jednotlivými sorbenty nebylo možné ho použít, neboť nebyl schopen vystihnout procesy sorpce popisovaného dynamického systému. V programu DRUtES byly provedeny simulace pouze pro transport v samotné půdě. Z nich vyplynula nedostatečná optimalizační schopnost programu pro stanovení parametrů sorpce. Bylo by zapotřebí zlepšit podmíněnost úlohy implementací dalšího kritéria. Z výsledků práce vyplývá nutnost sestavení kinetického modelu v případě popisu transportu Zn v půdě ošetřené sorbenty, neboť rovnovážným modelem, sestaveným v Hydrus-1D, nelze postihnout probíhající sorpční procesy. Kinetický transportní model v programu DRUtES nebyl dokončen pro četné komplikace a časovou náročnost výpočtů, avšak při jeho sestavování byly odhaleny nedostatky v experimentu i modelování, které pomohou při dalším řešení této problematiky.

Abstract:

The aim of this thesis was to build Zn transport models in the soil profile of laboratory columns after application of two sorbents - biochar and amorphous manganese oxide (AMO) - using two programs and model types - Hydrus-1D (equilibrium model) and DRUtES (kinetic model). Hydraulic properties of soil are not influenced by AMO amendment, therefore water flow was only observed in soil and soil with biochar amendment. Based on laboratory measuring, hydraulic conductivity and retention curve parameters for both soil types were optimized and used for model building. Transport of Zn through three types of soil columns (soil, soil with AMO and biochar amendment, respectively) was observed. Zinc solution of known concentration was applied into the columns in pulses (with following rinsing of clean water). Flow-through samples were taken at regular time steps and ICP-OES was used to analyze the Zn concentrations. The measured output concentrations were used to calibrate the transport models. In the water flow experiment, the influence of biochar on the increase in the moisture of the treated soil was determined. In the transport experiment, positive effects of both sorbents on Zn immobilization were observed, with AMO being more effective (69,1 % lower concentration compared to soil). The equilibrium model built in Hydrus-1D was only successfully validated in soil. It was not possible to use it for the soil with sorbents due to the fact that it was unable to capture the sorption processes of the dynamic system. In DRUtES, simulations were only performed for transport in the soil. These showed insufficient optimization ability of the programe to determine sorption parameters. It will be necessary to improve the conditionality of the task by implementing another criterion.The results of the work show the necessity of building the kinetic model in the case of Zn transport description in the soil treated with sorbents; the sorption processes cannot be described with the equilibrium model. The kinetic transport model in DRUtES was not completed for numerous complications and time-consuming calculations. However, the shortcomings of the programm were detected and their solution will help in the further issue processing.

Keywords

Zinek, Hydrus, DRUtES, Modelování

Keywords

Modelling, Zinc, Hydrus, DRUtES

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 4. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Mgr. Lukáš Trakal, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme / field:
Landscape Engineering / Environmental Modelling