efectos de sorción y desorción en la movilidad y ... · benceno tiene un factor de retardo de 1 a...
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Efectos de Sorción y Desorción en la
movilidad y remediación de plumas
contaminantes con Orgánicos
Sección B)
Factor de Retardo
Proceso de transporte en zona saturada
¿Existen las condiciones ideales?
Isotermas y Curvas de avance
CURSO Instituto de Ingeniería UNAM DRA ROSA M.LEAL BAUTISTA
rleal@cicy.mx
MEXICO DF Sept. 5, 2014
¿Que es una gasolina oxigenada?
• 1990 CAA contenido MTBE, etanol (TBA, TAME)
• Gasolina “limpia”
• Gasolina contiene 15% MTBE o 10% etanol para 2.7% oxigeno (peso)
Metil tert-butil eter (MTBE)
Desde 1979 se añade para el mejoramiento del octanaje en las gasolinas y como el mejor substituto del plomo
Es uno de los aditivos menos caros
Crea una gasolina baja en presion de vapor
Reduce las emisiones de hidrocarburos y de CO a la atmosfera
Es polar y altamente soluble
Benceno y BTEX BTEX es Benceno, tolueno,
etilbenzeno, xilenos
Benceno es el mayor constituyente aromatico de las gasolinas
Es la parte mas toxica y movil de las gasolinas
Benceno
EPA maximum contaminant level (MCL) = 0.5 mg/L
NOM-127-1-SSA 2004 10 mg/L
Remediacion mas aplicada es la llamada atenuacion natural
Niveles de MTBE en agua subterranea
Es el contaminante comunemente encontrado en
los pozos de agua potable en USA
Catalogado como “molesto quimico en agua”
(Nuisance chemical in water EPA nivel
recomendado 20-40 g/L)
USEPA presentara en nivel oficial (MCL) en 2010
Algunos estados: CA MCL 5 g/L , IL MCL 70 g/L
MTBE impacto en el agua subterranea
Se mueve a la misma velocidad que el agua
subterranea
Potencialmente presenta baja sorbcion y alta
solubilidad
Baja biodegradacion considerado como recalcitrante
Aumenta la disolucion de otros
contaminantes\cosolvente
Promueve la detecion de contaminacion en
agua subterraea (Flag/marcador)
MTBE en Illinois
En 2004, de 1,800 pozos publicos de agua potable el MTBE se presento en: 24 pozos fue deteccion
intermitentedetection was intermittent (circulos rojos)
4 comunidades debieron clausurar sus pozos (circulos amarillos
IL MTBE “Elimination Act of 2001”
Aditivos oxigenados en Mexico
MTBE esta presente en las gasolinas mexicanas (Magna-Sin and Premium)
No hay un monitoreo oficial del MTBE en alas aguas subterraneas
Gasolina contiene 11% MTBE
Factor de retardo (R): relacion entre el
movimiento del agua dividido entre la relacion
del movimiento de contaminante
R= 1+ ( / )Kd
es densidad del material
es porosidad del material
Kd factor de distribution
Estudios previos acerca de la
sorbcion Benceno
Benceno es el mas estudiado en diferentes tipos de materiales geologicos debido a su toxicidad y movilidad
Benceno tiene un factor de retardo de 1 a 2 para materiales glacio-fluviales, y materiales arcillo-arenosos (Borden et al., 1997; Fetter, 1999; and Wiedemeier et al., 1999) (para arcillas-arenosas 1.03)
La investigacion es limitada en materiales finos ricos en materia organica
Etanol
Actualmente no ha sido reportado ningun valor de retardo o proceso de sorbcion para el etanol
MTBE
Previas investigaciones en material arcillo-arenoso ha mostrado poca sorbcion (R=1.003) (Borden et al., 1997)
ENFOQUE
¿Cuál es el impacto del MTBE en el agua subterranea?
¿Es realmente el etanol el sustituto adecuado?
¿Qué tanto estan afectando estos aditivos el comportamiento de los otros componentes de las gasolinas?
Hipotesis and Resultados
1) Es el MTBE sorbido en materiales–finos ricos en materia organica?
2) La presencia de MTBE o etanol afecta la sorbion que se presenta en algun orto componente de la gasolina: benceno en los materiales finos de Illinois?
3) El etanol o el MTBE promueven la biodegradacion del etanol del benceno?
SI! La sorcion del MTBE puede ocurrir en materiales-finos y se puede incrementar bajo la presencia de altos contenidos de materia organica
El benceno es transportado mas rapidamente bajo la influencia del MTBE y el atanol, por lo tanto la sorbcion del benceno se reduce
NO! El etanol y el MTBE retardan la biodegradacion del benceno
Objectivos 1)Determinar la sorbcion del MTBE y el benceno en loess y sedimentos
lacustres. 2)Determinar la sorbcion y biodegradacion del benceno, etanol y el
MTBE usando columnas no alteradas de loess. 3)Evaliacion de la distribucion espacial del benceno y los
microorganismos asociados con la heterogeneidad en los matereiales finos loess.
1
2
3
Parte Norte de Illinois
Meteriales colectados aprtir de los 0 a 180 cm de profundidad
El contenido tipico de material organico es 1.9% en los primeros 50 cm y varia con la profucndidad
Textura 35% arenas, 54% limo and 24% arcilla
Northern Illinois University
0 to 49 cm
1.9% OC
49 to 70 cm
0.5% OC
70 to 102 cm
0.4% OC
102-180 cm
1.8% OC
OC Carbon Organico
Chalco Basin, Mexico
An important
groundwater supply for
Mexico City
Sedimentos lacustres 5-10 % arenas
55-65% limos
20-30% arcillas
Contenidos de materia
organica Chalco 15.3%,
Mixquic and Xico 11.2%
Las muestras fueron
colectadas a la misma
profundidad 200 to 300
cm
Chalco
Mixquic
Xico
Chalco Basin, Mexico
Location Temperature Benzene MTBE
Chalco (15.3 % TOC)
10 C
25 C
R= 1.967
R= 1.996
R=1.559
R=1.855
Xico (11.2 % TOC)
10 C
25 C
R= 1.753
R= 1.863
R=1.014
R=1.132
Mixquic (11.2% TOC)
10 C
25 C
R= 1.888
R= 1.967
R=1.011
R=1.117
Loess (0-49 cm) 1.9 % TOC
Temperature Benzene MTBE
10 C R= 1.811 R= 1.058
25 C R= 1.775 R=1.095
Estudios en columnas Material colectado en la
misma locacion que el material de las isotermas
Cuatro columnas no alteradas de 40 cm x 30 cm loess
Son mas representativas de las condiciones naturales de campo
Cuatro columnas :
Agua(control)
Agua+benceno
Agua+ benceno+EtOH
Agua+benceno+MTBE
Temperatura 19 ˚C
+/- 3 ˚C
Influente, efluente, obtencion de pH, DO, Eh, and conductivity
Las concentraciones de los contaminantes se monitorearon usando SPME y GC/MS
Benceno
R
Columna Tiempo
(Dias)
Literatura
Control 67 1.000 1.000 *
Benceno 79 1.179 1.000-2.000**
Benceno+EtOH 78 1.164 ND
Benceno+MTBE 74 1.104 1.030*
MTBE and EtOH
Columna
Tiempo
(Dias)
Literatura
Control 67 1.000*
Benceno+EtOH 67 1 ND
Benceno+MTBE 69 1.029 1.003*
tracer
C
t
tR
tracer
C
t
tR
Factor de retardo (R): El factor de retardo se define como la relación
entre la velocidad de transporte del contaminante respecto a la del
fluido, determinada por la interacción química entre éste y el material
geológico:
ρb = densidad del suelo (kg/l)
ne = porosidad efectiva del medio
Resultados Geoquimicos Columna Benceno+EtOH :
Oxigeno disuelto: Influente 6mg/L, Efluente 3 mg/L
Decremento del pH
Concentraciones de nitrato y sulfato se mantienen
Incremento en la disolucion mineral
No se detectaron estos efectos en las otras columnas
0
1
2
3
4
5
6
60 80 100 120 140 160
Elapsed time (days)
Fe
(II)
mg/L
Control
BTEX
BTEX+Ethanol
BTEX+MTBE
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
60 80 100 120 140 160Elapsed time (days)
Con
du
cti
vit
y u
S
Control
BTEX
BTEX+Ethanol
BTEX+MTBE
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
5 5.5 6 6.5 7 7.5 8
pH
Eh
(m
V)
Control
BTEX
BTEX+Ethanol
BTEX+MTBE
Distribucion (Microcores)
Las columnas fueron desmanteladas en tres secciones: la del Influente (I), Efluente (E), y seccin Media (M)
Se mapearon las caracteristicas litoestratigraficas
Se colectaron micro-nucleo a travez de un patron
A) Microorganismos detectados por seccion Conteo Heterotrofico en
Plato microorganisms detected per section in each column
B) Microorganismos que degradaron benceno por seccion
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Influent Midsection Effluent
Section
CF
U/ g
so
il (
x10
6 )
Control
BTEX
BTEX+EtOH
BTEX+ MTBE
0
10
20
30
40
50
60
70
Influent Midsection Effluent
Section
CF
U/g
so
il (
x1
06 )
Control
BTEX
BTEX+EtOH
BTEX+MTBE
A)
B)
Mineralogia
Cambio mineralogico
Antes de la inyeccion: Arcillas absorbentes, smectitas, placas
intercaladas parcialmente cementadas
Despues de la inyeccion: Se mantuvieron las mismas caracteristicas en
las columnas de control (Agua), Benceno (Agua+benceno), and Benceno+MTBE (Agua+benceno+MTBE)
Cambio en Benceno+etanol presento kaolinita
Conclusions Las isotermas corroboraron que la sorbcion del MTBE
es posible en materiales de grano fino y exite el potencial de incremento con contenido de materia organica alto
Se observo sorbcion en loess de la parte norte de Illinois
La mayor sorbcion del MTBE se observo en los sedimentos lacustres de Chalco, Mexico Chalco>>Xico>Mixquic>DeKalb>Ottawa Sand
El retardo del benceno es mayor en las columnas que
en las isotermas.
Contraste regional entre el desarrollo y disponibilidad del
agua
La disponibilidad natural media per
cápita, ha disminuido de 18 035
m³/hab/año en 1950 a tan sólo 4 312
en el 2007.
Región Hidrológico-Administrativa
Disponibilidad natural media totala (m.ll.m3/año)
Población a dic de 2007 (millones de habitantes)
Disponibilidad natural media per cápita 2007 (m3/hab/año)
Escurrimiento natural medio superficial total (m.ll.m3/año)
Recarga media total de acuíferosa (m.ll.m3/año)
VIII Lerma-
Santiago-
Pacífico
34 037 20.63 1 650 26 351 7 686
XII Península
de Yucatán
29 645 3.90 7 603 4 329 25 316
XIII Aguas del
Valle de
México
3 008 21.09 143 1 174 b 1 834
Primer Modelo Conceptual
Existe un lente de agua dulce, y cerca de la costa, agua salobre, flotando sobre agua del mar
• La dirección del flujo es generado por un gradiente de carga hidráulica
• Una evidencia de la descarga son los ojos de agua.
De los vectores contaminantes generados por las diferentes actividades antropogénicas, el acuífero
es el más vulnerable a su influencia
y G. Velazquez Oliman
• La mayoría de la infraestructura turística y poblacional se localiza a lo largo de 10 Km de la costa
• La Riviera Maya ha reportado una velocidad de crecimiento de un 15% en los últimos 8 años
• En 1995 la Riviera Maya alcanzo los 3600 habitantes para el 2003 había alcanzado los 12,000 (PDDUT, 2006)
• Playa del Carmen mostro la
velocidad de crecimiento mas rápida del país (30.5 %), seguida por Cancún (9.1%) (CONAPO, 2004).
Con Respecto A La Contaminación Natural y
Antropogénica
CONTAMINACION NATURAL
La naturaleza de un acuífero costero:
1. Lente de agua dulce yace sobre la presencia de agua de mar.
2. Rápida infiltración, debido al poco
desarrollo de suelos.
3. Rápido transporte de contaminantes debido a zonas de alta permeabilidad Se observan velocidades de flujo, en el orden de decenas de metros por día.
4. Efectos de huracanes: inundaciones, penetración del mar en la costa.
Indicadores Químicos Emergentes Cafeína
Antibióticos: 5 tipos diferentes
No-prescripción en: aguas recreacionales/ turísticas (analgésicos)
Productos de Cuidado Personal Bloqueadores solares en cenotes
E.coli=85 NMP/ 100 mL
CAFEINA PRESENCIA
P5 Cenote
Riesgos
Las características geológicas influyen en la calidad del
agua
Determinar quien es el causante de la contaminación
es el primer paso para detener la contaminación
El uso de multi-indicadores tanto microbiológicos
como químicos es una herramienta capaz de mostrar
diferencias en la identificación de la actividad
contaminante
El deterioro de la calidad del agua en los
acuíferos es cada vez mas palpable, así
como su conexión con el incremento de
actividades antropogénicas.
El distinguir las fuentes de contaminación
permite definir estrategias de control y
políticas de protección
AGRADECIMIENTOS Dr. German Cuevas R, Dr. Eugene Perry, Dra.
Melissa Lenczewski, Dra. Jeanne McLain. Dr
Tomoyuki Tshibata, Dr. Philip Carpenter, Dr. Manuel
Lizaldi, Dr. Luis Marin,
M.C. Laura Fernández, M.C. Cinthya Grimaldo, Ing.
Norma Jaime Montiel, Ing. Alondra, Ing Alejandro
López, Ma. Teresa Tavera, Ing Rodrigo Diaz,
Biol.Carolina Suarez
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