The effects of porosity clogging on the transport properties of porous materials under geochemical perturbation: Experimental approach and modeling

Abstract

The effects of simple salt precipitation in the pore space on the diffusive properties of two types of porous materials (purified sea sand and Na- exchanged illite) were investigated. In a first step, the initial transport properties of the materials were determined by conservative tracer (HTO) through diffusion, mercury intrusion porosimetry and computed tomography. Then, the precipitation of celestite (SrSO4) or calcite (CaCO3) within the pore space was induced by counter diffusion of the constitutive cations and anions. The evolution of the porosity and linked transport parameters was followed by HTO tracing, computed tomogra-phy and post-mortem analysis (SEM- EDX, selective dissolution and autoradiography). It was found that the precipitation occurred in a very restricted zone in both materials. In the sand, the precipitation reduced the initial porosity by only 30%. This amount of clog-ging had a strong effect on the through diffusion of the tracer, but did not prevent its through diffusion. In the clay, the precipitation occurred in the part of the porosity that is accessible to all ions, closing successively the anion accessible porosity. This leads to a reduced through diffusion of HTO (a neutral species) and a complete stop of anions (36Cl-) transport. Reactive transport models were developed in 1D and 2D to reproduce the experi-mental data. The models could perfectly reproduce the experiments when no precipitation occurred, but encountered severe limitations when porosity reduction by precipitation was implemented.

Die Auswirkungen der Fällung einfacher Salze im Porenraum auf die diffusiven Eigenschaf-ten von zwei unterschiedlichen porösen Materialien (gereinigtes See- Sand und kompaktierter Na- ausgetauschter Illit) wurden in dieser Arbeit untersucht. In einem ersten Schritt sind die initialen Transporteigenschaften der Materialien durch Diffusionsexperimen-te mittels konservative Tracer (tritiiertes Wasser, HTO), Hg- Porosimetrie und Computerto-mographie (μCT) bestimmt worden. Anschließend wurde die Ausfällung von Celestin (SrSO4) oder Calcit (CaCO3) im Porenraum durch Gegendiffusion der konstitutiven Katio-nen und Anionen induziert. Die Entwicklung der Porosität und die damit verknüpften Transportparameter wurde durch Monitoring des HTO- Stoffstrom, μCT und post- mortem- Analyse (REM-EDX, selektive Auflösung und Autoradiographie) verfolgt. Die induzierten Mineral- Ausfällungen konnten in einem sehr scharfen Reaktionssaum für beide poröse Medien beobachtet werden. Für das See- Sand System verringerten diese Porenraumausfällungen die initiale Porosität nur um ca. 30%, hatten aber einen starken Ein-fluss auf die Transporteigenschaften des porösen Mediums. Eine komplette Verstopfung („Clogging“) des Systems konnte nicht beobachtet werden. Im kompaktierten Ton konnte die Mineral- Präzipitation in dem Teil der Porosität be-obachtet werden, der für alle Ionen zugänglich ist. Wiederum wurde für den konservativen Tracer HTO (neutrale Spezies) ein Reduktion des Massenflusses beobachtet; allerdings kam es durch die Ausfällungen zu einer sukzessiven Reduktion der Anionen (36Cl-) verfügbaren Porosität bis zur vollständigen Versiegelung („Clogging“). Weiterhin wurden 1D- und 2D reaktive Transportmodelle entwickelt, um die experi-mentellen Daten zu reproduzieren. Die Modelle konnten perfekt die initialen Transportbe-dingungen der Experimente reproduzieren, stießen aber an ihre Grenzen bei der Beschrei-bung der Porositätsverringerung durch Porenraum- Mineralfällung unter Verwendung aller in den Experimenten ermittelter Parameter.