DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS POR EL MÉTODO SOIL …

DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS POR EL MÉTODO SOIL VAPOR EXTRACTION

SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ

2005


SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ

Proyecto de Grado para optar al título de Ingeniero Ambiental

Asesor ARCESIO LIZCANO PELÁEZ, Ph.D.

Profesor Asociado

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ

2005


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I

AGRADECIMIENTOS

“Por su inspiración y enseñanzas cuya esencia es este libro, doy las gracias a todos y cada uno de mis maestros, y se los ofrezco a todos.”

Sogyal Rimpoché

A mis mejores maestros, mis padres, por su apoyo y confianza incondicional la cual espero no haber defraudado, y a mi hermana por alegrarme la vida.

A Manuel, por su comprensión, dedicación y por estar siempre conmigo apoyándome. A mis amigos, por todos los momentos divertidos y por haber compartido conmigo estos años. A los ingenieros Maria Angélica Echevarria y Jesús Jácome, a José Naranjo y Alix Jaimes por su colaboración en el desarrollo de este proyecto; además a todas las personas que también contribuyeron a mi formación personal y académica. A todas estas personas, GRACIAS y a Dios por haberlos puesto en mi camino y permitirles dejar una huella en mi vida.


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II

CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS................................................................................................... I

CONTENIDO..................................................................................................................II

ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................V

ÍNDICE DETABLAS ....................................................................................................VI INTRODUCCIÓN......................................................................................................VIII

1. CONTAMINACIÓN DEL SUELO........................................................................1

1.1 INTRODUCCIÓN.............................................................................................1 1.2 TRANSFORMACIÓN Y TRANSPORTE DE SUSTANCIAS........................1

1.2.1 Mecanismos de Transporte............................................................................3 1.2.1.1 Lixiviación .............................................................................................3 1.2.1.2 Advección ..............................................................................................4 1.2.1.3 Difusión .................................................................................................4 1.2.1.4 Dispersión..............................................................................................5

1.2.2 Mecanismos de Transformación....................................................................7 1.2.2.1 Degradación ...........................................................................................7 1.2.2.2 Volatilización.........................................................................................7 1.2.2.3 Sorción ...................................................................................................8

1.3 HIDROCARBUROS DEL PETRÓLEO EN EL SUELO.................................9 1.3.1 Parámetros del Contaminante .....................................................................10

1.3.1.1 Solubilidad al agua ..............................................................................10 1.3.1.2 Presión de vapor ..................................................................................10 1.3.1.3 Polaridad ..............................................................................................10

1.3.2 Parámetros del Suelo...................................................................................11 1.3.2.1 Materia orgánica ..................................................................................11 1.3.2.2 Contenido de agua ...............................................................................11 1.3.2.3 Textura del suelo..................................................................................12 1.3.2.4 Estructura del suelo..............................................................................12 1.3.2.5 Profundidad del nivel freático .............................................................13

1.3.3 Parámetros Ambientales ..............................................................................13 1.3.3.1 Temperatura.........................................................................................13 1.3.3.2 Precipitación ........................................................................................13 1.3.3.3 Evapotranspiración ..............................................................................13

1.3.4 Transporte y Transformación de los Hidrocarburos...................................13 1.3.4.1 Dispersión............................................................................................13 1.3.4.2 Evaporación .........................................................................................13 1.3.4.3 Disolución............................................................................................14


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III

1.3.4.4 Fotooxidación ......................................................................................14 1.3.4.5 Transformación microbiana.................................................................14

1.4 MÉTODOS DE REMEDIACIÓN...................................................................15 2. ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN...............................................................17

2.1 INTRODUCCIÓN...........................................................................................17 2.2 CASO DE ESTUDIO......................................................................................17 2.3 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO.............................................................18

2.3.1 Marco Teórico .............................................................................................18 2.3.1.1 Humedad natural..................................................................................18 2.3.1.2 Límites .................................................................................................18 2.3.1.3 Contenido de materia orgánica ............................................................19 2.3.1.4 Gravedad específica.............................................................................19 2.3.1.5 Análisis granulométrico.......................................................................20 2.3.1.6 Permeabilidad ......................................................................................21

2.3.2 Procedimiento..............................................................................................22 2.3.2.1 Humedad natural..................................................................................22 2.3.2.2 Límites .................................................................................................22 2.3.2.3 Contenido de materia orgánica ............................................................23 2.3.2.4 Gravedad específica.............................................................................24 2.3.2.5 Análisis granulométrico.......................................................................25 2.3.2.6 Permeabilidad ......................................................................................26

2.3.3 Datos y Resultados ......................................................................................27 2.3.3.1 Humedad natural..................................................................................27 2.3.3.2 Limites .................................................................................................27 2.3.3.3 Contenido de materia orgánica ............................................................28 2.3.3.4 Gravedad específica.............................................................................29 2.3.3.5 Análisis granulométrico.......................................................................29 2.3.3.6 Permeabilidad ......................................................................................31

2.3.4 Clasificación del Suelo ................................................................................32 2.4 CARACTERIZACIÓN DEL CONTAMINANTE..........................................34

2.4.1 Marco Teórico .............................................................................................34 2.4.1.1 Hidrocarburos totales de petróleo (TPH).............................................35 2.4.1.2 Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX)..........................35

2.4.2 Procedimiento..............................................................................................36 2.4.2.1 Hidrocarburos totales de petróleo (TPH).............................................37 2.4.2.2 Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX)..........................37

2.4.3 Datos y Resultados ......................................................................................37 2.4.4 Clasificación del Contaminante ..................................................................38

3. MODELO DE REMEDIACIÓN..........................................................................40

3.1 INTRODUCCIÓN...........................................................................................40 3.2 MÉTODO DE REMEDIACIÓN.....................................................................40

3.2.1 Sistema de Extracción de Vapores del Suelo...............................................40 3.2.1.1 Aplicabilidad........................................................................................41 3.2.1.2 Costo....................................................................................................42 3.2.1.3 Duración ..............................................................................................42 3.2.1.4 Limitaciones ........................................................................................42


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IV

3.2.2 Modelo del Sistema de Extracción de Vapores del Suelo............................43 3.2.2.1 Modelo Físico......................................................................................43 3.2.2.2 Materiales ............................................................................................45 3.2.2.3 Montaje................................................................................................46

3.2.3 Resultados ....................................................................................................47

4. CONCLUSIONES .................................................................................................50

BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................IX

ANEXO 1........................................................................................................................XI ANEXO 2.....................................................................................................................XIII

ANEXO 3...................................................................................................................... XV


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V

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Diversos Procesos que Ocurren en la Zona No Saturada...................................2

Figura 2. Muestra del Suelo en Estudio...........................................................................18

Figura 3. Obtención del Límite Líquido del Suelo en Estudio........................................23

Figura 4. Obtención del Límite Plástico del Suelo en Estudio........................................23

Figura 5. Obtención del Contenido de Materia Orgánica del Suelo en Estudio..............24

Figura 6. Obtención de la Gravedad Específica del Suelo en Estudio. ...........................24

Figura 7. Obtención de la Granulometría del Suelo en Estudio. .....................................25

Figura 8. Obtención de la Permeabilidad del Suelo en Estudio. .....................................26

Figura 9. Determinación del Límite Líquido del Suelo en Estudio.................................27

Figura 10. Determinación de la Granulometría del Suelo en Estudio. ............................31

Figura 11. Carta de Plasticidad. .......................................................................................33

Figura 12. Cromatógrafo de Gases Acoplado a un Detector Selectivo de Masas...........36

Figura 13. Preparación de la Muestra de Suelo en Estudio para ser Introducida en el

Cromatógrafo. ..........................................................................................................37

Figura 14. Cromatograma de la Muestra Inicial del Suelo en Estudio............................38

Figura 15. Diagrama Esquemático del Soil Vapor Extration. .........................................41

Figura 16. Equipo de Simulación de la Remediación de un Acuífero en 2D..................43

Figura 17. Tanque para la Simulación de un Acuífero. ...................................................44

Figura 18. Sistema de Extracción de Vapores para la Simulación de la Remediación de

un Acuífero. .............................................................................................................44

Figura 19. Cromatograma de la Muestra Final del Suelo en Estudio..............................47

Figura 20. Comparación de los Cromatogramas Inicial y Final. .....................................49


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VI

ÍNDICE DETABLAS Tabla 1. Procesos de Transformación y Transporte..........................................................3

Tabla 2. Parámetros de Contaminante, Suelo y Ambiente que Influyen en el Transporte

a Través del Suelo......................................................................................................9

Tabla 3. Métodos de Remediación de Suelo y Agua Subterránea...................................15

Tabla 4. Resumen Comparativo de las Tecnologías de Remediación.............................16

Tabla 5. Rangos Típicos de Tiempo y Costo para las Tecnologías de Remediación. .....16

Tabla 6. Determinación de la Humedad Natural del Suelo en Estudio. ..........................27

Tabla 7. Determinación del Límite Líquido del Suelo en Estudio. .................................28

Tabla 8. Determinación del Límite Plástico del Suelo en Estudio. .................................28

Tabla 9. Determinación del Índice Plástico del Suelo en Estudio...................................28

Tabla 10. Determinación del Contenido de Materia Orgánica del Suelo en Estudio......28

Tabla 11. Determinación de la Gravedad Específica del Suelo en Estudio.....................29

Tabla 12. Determinación de la Granulometría de la Muestra 1 del Suelo en Estudio.....29

Tabla 13. Determinación de la Granulometría de la Muestra 2 del Suelo en Estudio.....30

Tabla 14. Determinación del Porcentaje de Arcilla del Suelo en Estudio.......................31

Tabla 15. Determinación del Porcentaje Retenido en el Tamiz No. 200 del Suelo en

Estudio.....................................................................................................................31

Tabla 16. Determinación de la Densidad del Suelo en Estudio.......................................32

Tabla 17. Determinación de la Permeabilidad del Suelo en Estudio...............................32

Tabla 18. Compuestos Presentes en la Muestra Inicial del Suelo en Estudio. ................38

Tabla 19. Máxima Concentración Permitida en un Suelo Contaminado.........................38

Tabla 20. Comparación entre las Concentraciones Permitidas y las Encontradas en la

Muestra Inicial. ........................................................................................................39

Tabla 21. Comparación entre el SVE In y Ex Situ (Costo). ............................................42

Tabla 22. Comparación entre el SVE In y Ex Situ (Duración y Limitaciones). ..............42

Tabla 23. Determinación del Peso del Suelo en Estudio.................................................45


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VII

Tabla 24. Determinación de la Permeabilidad del Suelo en Estudio en el Modelo.........45

Tabla 25. Compuestos Presentes en la Muestra Final del Suelo en Estudio. ..................47

Tabla 26. Comparación entre las Concentraciones Permitidas y las Encontradas en la

Muestra Final. ..........................................................................................................48

Tabla 27. Porcentaje de Descontaminación del Suelo en Estudio...................................48


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VIII

INTRODUCCIÓN En el proyecto de grado “Remediación de Suelos Contaminados con Hidrocarburos”, se estudió el fenómeno de la contaminación en los suelos, por medio de la recopilación de información de los libros, artículos, publicaciones y páginas de internet consultados durante el transcurso del proyecto. Este tenía como objetivo principal la elaboración de un compendio de diferentes literaturas sobre el saneamiento de los suelos y lo que se ha venido haciendo en el mundo al respecto, con el fin de que éste sirviera como un punto de partida para las personas interesadas en el estudio de la remediación de los suelos contaminados con hidrocarburos. La implementación de un proyecto de remediación seguro y exitoso requiere un conocimiento previo de la teoría, una investigación detallada del sitio, para de esta manera conocer sus características físicas químicas y biológicas, además de una modelación física, la cual es una actividad que permite evaluar las diversas suposiciones a ser usadas en el diseño del sistema de remediación. El presente estudio es fundamentalmente una continuación de dicho proyecto; el cual, pretende principalmente poner en práctica los conceptos adquiridos, analizando un caso particular de contaminación de un suelo en la ciudad de Bogotá y una posible técnica de remediación a ser utilizada. El proyecto se encuentra dividido en tres partes. La primera parte contiene información general sobre la contaminación de los suelos, específicamente los mecanismos de transporte y transformación de los contaminantes y los métodos de remediación más utilizados. Posteriormente se encuentra la caracterización del caso práctico (suelo y contaminante) por medio de una serie de ensayos de laboratorio, los cuales cuentan con un marco teórico, un procedimiento y los datos y resultados obtenidos. Finalmente se estudia una alternativa de remediación, extracción de vapores, buscando que tan eficiente es tratando una arcilla contaminada con gasolina.


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1. CONTAMINACIÓN DEL SUELO

1.1 INTRODUCCIÓN La disposición deliberada de desechos industriales ha sido una práctica común durante mucho tiempo; sin embargo la contaminación del agua subterránea y del suelo fue reconocida como un problema ambiental no hace más de 30 años. La contaminación del suelo se puede originar esencialmente por operaciones industriales, actividades agrícolas, domésticas y urbanas, produciendo efectos nocivos sobre ecosistemas naturales, comprometiendo de esta manera la salud humana. La industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia ambiental. El petróleo es un combustible importante en la sociedad contemporánea por que es la fuente de energía principal y más predominante; las instalaciones de ésta infraestructura poseen riesgos inherentes de fugas de petróleo, diesel y gasolina por roturas de tanques y ductos. Por esto, la importancia del conocimiento de los mecanismos de transporte y transformación de los contaminantes, los parámetros involucrados en la contaminación del suelo con hidrocarburos y los métodos de remediación existentes. El presente capitulo esta basado en la recopilación realizada previamente, la cual se encuentra en el documento “Remediación de Suelos Contaminados con Hidrocarburos”, si desea profundizar en el tema refiérase a éste.

1.2 TRANSFORMACIÓN Y TRANSPORTE DE SUSTANCIAS De acuerdo con Tindall et al. (1999), numerosos problemas de gerencia ambiental involucran el transporte y reacciones de productos químicos disueltos, los cuales, son nativos del suelo, agregados deliberadamente, o derramados accidentalmente. El diseño de tasas óptimas de aplicación y regulación del uso de fertilizantes, desechos domésticos (lodos de aguas residuales), irrigación de aguas residuales, herbicidas, y desechos radioactivos (disposición) depende de la implementación de metodologías que maximicen la degradación o retención de estos productos químicos dentro de la zona no saturada, mientras que se reduce al mínimo su movilidad. La acumulación de masa en un volumen de control es siempre igual a las entradas de masa, menos las salidas de masa, más o menos las reacciones que ocurren en el volumen del control.


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accionesSalidasEntradasnAcumulació

Transporte

Re±−= 444 3444 21 (1)

Donde los primeros dos términos se cuantifican como términos de transporte, principalmente advección (flujo) y/o difusión/dispersión (mezcla) y el último como uno de transformación (Reacciones).

El transporte y transformación de productos químicos a través de la zona no saturada depende de muchos factores (Ver Figura 1): exclusión de iones, intercambio de iones, volatilización, disolución y precipitación, transformaciones químicas y biológicas, biodegradación, adsorción, difusión, dispersión y contenido de agua volumétrico y conductividad hidráulica no saturada; éstos se pueden clasifican en tres grandes grupos, físicos, químicos, y microbianos como se muestra en la Tabla 1.

Figura 1. Diversos Procesos que Ocurren en la Zona No Saturada.

Tomado de Tindall et al., 1999. La combinación de las características del subsuelo, contaminantes y condiciones climatológicas del sitio pueden dar lugar a los diferentes procesos de transporte y distribución de contaminantes. Para entender el transporte y destino de los contaminantes en el subsuelo es necesario realizar una buena caracterización del sitio con la cual se conocerán la carga hidráulica y la estratigrafía, así como los coeficientes de adsorción y la permeabilidad del suelo.


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Con la información anterior es posible calibrar modelos matemáticos que sean representativos de la distribución tridimensional de los contaminantes en el sitio (Salinas, 2001).

Tabla 1. Procesos de Transformación y Transporte.

Tomado de Tindall et al., 1999.

1.2.1 Mecanismos de Transporte 1.2.1.1 Lixiviación En este proceso, el agua de los poros es desplazada por el movimiento del agua haciendo que el producto químico en el agua de los poros sea removido del suelo. Así, el agua contaminada de un suelo puede moverse a otras áreas transportando la contaminación. Los factores determinantes en la lixiviación incluyen: solubilidad, biodegradación, disociación, sorción, volatilidad, precipitación y evapotranspiración. Los efectos de la movilidad se describen así [5]: • Un compuesto químico que es soluble en agua puede lixiviarse en el suelo y

probable a ser biodegradado. Si la biodegradación es rápida, entonces la lixiviación no es un problema.


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• Un compuesto químico que es insoluble en agua puede ser adsorbido en el suelo, moviéndose con las partículas, y quizás sea biodegradado lentamente.

• Los compuestos químicos en la superficie del suelo pueden ser fototransformados y no ser disponibles a lixiviarse, sin embargo, éstos pueden ser disipados.

• Entre más precipitación mayor será la posibilidad de los contaminantes químicos a lixiviarse.

• La hidrólisis y la disociación pueden prevenir la lixiviación. 1.2.1.2 Advección De acuerdo con Schnoor (1996), el transporte advectivo es el movimiento de masa (solutos), el cual es arrastrado por una corriente que viaja de un punto a otro. Para un producto químico disuelto que viaja en horizontes de arena y grava gracias a una corriente, el transporte advectivo es el producto de la tasa de flujo volumétrico y de la concentración. Así,

QCuACJ == (2)

Donde J es la tasa de descarga de masa (MT-1), u es la velocidad principal de la corriente (LT-1), C es concentración (ML-3), y Q es la tasa de flujo volumétrico (L3T-1). Durante condiciones de flujo constante (dQ/dt = 0) y estado estable (QC/dt = 0), la tasa de descarga de masa es constante con respecto al tiempo. Si la tasa de flujo o la concentración varia con el tiempo, la tasa de descarga de masa (transporte advectivo de masa) también lo hará. El cambio en masa con respecto al tiempo debido a la advección se puede escribir como una ecuación diferencial:

( ) ( ) tCQCQVC bbaa ∆−=∆ (3) Donde Ca es la concentración entrando al volumen de control y Cb la concentración que sale del volumen de control. 1.2.1.3 Difusión Difusión Turbulenta La difusión turbulenta se refiere a la mezcla de sustancias disueltas y partículas finas causada por turbulencia a microescala. Es un proceso advectivo a nivel de microescala causado por fluctuaciones en un flujo de cortante turbulento. Los esfuerzos cortantes son suficientes para causar la mezcla. Este es mayor que la difusión molecular en varios órdenes de magnitud y es un factor que contribuye a la dispersión. La difusión turbulenta puede ocurrir en las tres direcciones pero es generalmente anisotropica (es decir, existen direcciones preferenciales para la mezcla turbulenta debido a la dirección y a la magnitud de los esfuerzos cortantes) [4].

Difusión Molecular En el libro Environmental Modeling: Fate and Transport of Pollutants in Water, Air, and Soil se define la difusión molecular como la mezcla y movimiento de productos químicos disueltos a través de líquidos, bajo condiciones estáticas, en capas límite finas,


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laminares, tales como las que pueden ocurrir en las interfaces (aire-agua, sedimento-agua, partícula-agua) o en el agua estancada que se encuentra en los poros del sedimento. Es causada por energías las cinéticas de movimientos vibratorio, rotatorio, y de translación molecular. Energéticamente, la difusión molecular es una reacción espontánea, la cual corresponde a un aumento en la entropía haciendo que las sustancias disueltas se muevan de regiones de alta concentración a regiones de baja concentración según las leyes de difusión de Fick. La acción de la difusión molecular (dispersión físico-química) puede ser clasificada en dos tipos, longitudinal donde las diferencias de concentración tienden a desaparecer y lateral donde hay una transferencia de masa que tiende a anular las diferencias de concentración. La difusión molecular es descrita principalmente por la primera ley de Fick,

dxdcDFm −= (4)

Donde D es el coeficiente de difusión molecular (L2T-1), dC/dx es el gradiente de la concentración (ML-3L-1) y Fm es la tasa del flujo de masa por área (ML-2T-1). La difusión molecular es un fenómeno excesivamente lento, en el orden de 10-5 cm2 s-1 los coeficientes de difusión moleculares indican un movimiento muy lento de masa. Mientras que el contenido de agua disminuye en un suelo, la difusión molecular predomina sobre la dispersión mecánica, puesto que la dispersión depende de la velocidad de flujo. En un suelo con una distribución uniforme del tamaño de los poros y una baja conductividad hidráulica, la difusión molecular es predominante pues la velocidad de flujo tiende a cero. 1.2.1.4 Dispersión Según Schnoor (1999), la interacción de la difusión turbulenta con los gradientes de velocidad causados por las fuerzas cortantes en un cuerpo de agua causa un mayor grado de mezcla, conocido como dispersión. Por ejemplo, cuando la difusión turbulenta hace que una parcela de líquido que contiene sustancias disueltas cambie de posición, esa parcela de líquido es arrastrada en el cuerpo de agua con una nueva velocidad, más rápida o más lenta; esto causa que la parcela de líquido y la sustancia tóxica se mezclen con sus vecinos. El proceso de mezcla se llama dispersión y el resultado es un flujo de sustancias tóxicas de áreas de alta concentración a áreas de baja concentración. El proceso es análogo a la difusión molecular pero ocurre en una tasa mucho más rápida. La dispersión ocurre en el agua subterránea, no debido al flujo turbulento (el flujo del agua subterránea es laminar), sino a la dispersión mecánica y a la trayectoria tortuosa que el agua subterránea debe seguir a través de los medios porosos. La no homogeneidad causa variaciones microscópicas y macroscópicas en la conductividad hidráulica que conducen en última instancia a la dispersión. Las trayectorias del flujo que pasa a través de estrechos espacios porosos presentan, además, una aceleración


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relativa a otras parcelas de agua. El coeficiente de dispersión se relaciona directamente con la velocidad en los medios porosos, como se muestra a continuación:

DUD XXX += α (5)

DUD YYY += α (6) Donde DX y DY son los coeficientes longitudinal y lateral de dispersión, respectivamente (L2T-1), αX y αY las dispersividades longitudinal y lateral, respectivamente (L), UX y UY las velocidades longitudinal y lateral, respectivamente (LT-1) y D el coeficiente de difusión molecular (L2T-1). Velocidades más grandes causarán el esparcimiento del contaminante debido a la creación de más trayectorias de flujo. La dispersividad es mayor en la dirección del flujo. Dispersión Mecánica La mayoría de la dispersión es causada por la presencia de sólidos a través de los caminos porosos del suelo de diversos tamaños que varían espacialmente, y son dependientes de la distribución estadística de la velocidad del líquido. La distribución de la velocidad de un fluido moviéndose en un medio poroso no es uniforme, por que (Salinas, 2001): • Los fluidos son viscosos, entonces la velocidad del fluido en superficies sólidas de

la matriz de suelo es cero, lo que crea un gradiente de velocidad en el fluido. • Las variaciones en las dimensiones de los poros crean discrepancias en las

velocidades máximas a lo largo de los ejes de los poros. • Las líneas de corriente no coinciden con la dirección media del flujo. La observación de estos fenómenos, sugiere la existencia de dos efectos básicos, el primero en la dirección de la velocidad media (a lo largo de la línea del flujo), debido a diferencias entre los distintos componentes de la velocidad en la dirección del flujo; el segundo es más pequeño en alcance y ocurre en el plano ortogonal al flujo debido a diferencias entre los componentes de la velocidad en ese plano. Estos efectos son respectivamente Dispersión Longitudinal y Dispersión Lateral. Dispersión Hidrodinámica En el libro Unsaturated Zone Hydrology for Scientists and Engineers se describe la dispersión hidrodinámica como un proceso no constante e irreversible (es decir, la distribución inicial de un contaminante no puede ser obtenida invirtiendo el flujo) en el cual la masa del contaminante se mezcla con una porción de la solución. Esto es debido a la presencia de flujo a través de un sistema de caminos tortuoso dentro de la matriz de suelo. La dispersión hidrodinámica consiste en dos partes, dispersión mecánica (Convección) y difusión molecular; estas dos condiciones son totalmente inseparables ya que ambas ocurren a la vez. La dispersión mecánica ocurre a nivel del poro y predomina en lugares con altos contenidos de agua y grandes velocidades de flujo porque es aquí donde las partículas del contaminante se mezclan libremente con el agua de los poros del suelo, mientras el


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agua bordea las partículas individuales. La difusión molecular predomina en lugares con bajos contenidos de agua y bajas velocidades de flujo; ésta solamente ocurre a nivel molecular, en ausencia de movimiento (en un suelo y/o una solución). El flujo de dispersión hidrodinámica es escrito en la misma forma que la difusión molecular, y puede ser expresado como:

dzdcDJ HH −= (7)

Donde DH es el coeficiente de dispersión hidrodinámica (L2 T-1), C es la concentración (M L-3), y z es la distancia vertical (L). Este coeficiente se considera proporcional a la velocidad del agua de los poros, v, y se ha expresado como DH = αv, donde α es la dispersividad. 1.2.2 Mecanismos de Transformación 1.2.2.1 Degradación El comportamiento químico del suelo es fundamental para la degradación de productos químicos orgánicos; en general, cinco reacciones pueden ocurrir en el suelo: Hidrólisis, Sustitución, Eliminación, Oxidación y Reducción. Las dos reacciones más importantes para la transformación de contaminantes orgánicos son (Salinas, 2001): • Oxidación: Se presenta en el suelo afectando compuestos químicos aromáticos por

medio de la oxidación de radicales libres (benceno, etilbenceno, naftaleno y fenol). • Reducción: Definido en términos de transferencia de electrones, involucra

compuestos orgánicos en sistemas agua-arcilla. El efecto se acelera con el aumento de agua sugiriendo la existencia de un mecanismo de transferencia de electrones, donde la arcilla actúa como aceptor. En general, se espera que un producto químico orgánico experimente una reducción química si el potencial del suelo es menor que el del compuesto orgánico en cuestión.

1.2.2.2 Volatilización La volatilización es un proceso importante para la remoción de contaminantes del suelo. Un compuesto puede estar distribuido entre las partículas sólidas de suelo y el agua de los poros presente entre las partículas. La difusión en el agua de los poros ocurre, y algunas moléculas químicas eventualmente alcanzan la superficie del agua de los poros y se evaporan junto con las moléculas de agua. La volatilización depende de [3]: • Las características inherentes de los productos químicos, como peso molecular,

polaridad y otras características que gobiernan la presión de vapor y la constante de la ley de Henry (coeficiente de distribución agua/aire). Así un compuesto químico con una baja presión de vapor tiene una alta capacidad de sorción y/o una alta solubilidad en agua siendo menos probable su volatilización.

• Las características del suelo, como el contenido de carbono orgánico y de agua. Entre más alto el contenido de carbono orgánico, más baja la tasa de evaporación.


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Suelos con altos contenidos de agua presentan tasas más altas de evaporación; esto puede deberse a que el alto contenido de agua resulta en una gran pérdida de agua del suelo y con esto una mayor cantidad de contaminante.

• Las condiciones ambientales tales como temperatura y velocidad del aire en la superficie, influencian los procesos nombrados anteriormente; con un aumento en estos factores se llega a tasas crecientes de volatilización.

1.2.2.3 Sorción Una de las reacciones más importantes que los contaminantes pueden experimentar en el subsuelo es la sorción como lo menciona Schnoor en su libro Environmental Modeling: Fate and Transport of Pollutants in Water, Air, and Soil. El termino sorción indica un número de posibles mecanismos para retirar agentes contaminantes a partir de la fase acuosa e inmovilizarlos en las partículas del medio poroso. Los mecanismos para la sorción de solutos en las partículas sólidas incluyen: • Partición hidrofóbica de los productos químicos orgánicos (absorción) en las capas

orgánicas o la materia orgánica contenida en el subsuelo. • Adsorción de productos orgánicos y de metales en la superficie de partículas por

electrostática y/o coordinación química superficial. • Intercambio de iones de los metales y los ligantes en los sitios de intercambio y en

las capas intermedias de arcilla. Para concentraciones bajas de contaminantes típicos en agua subterránea, se puede asumir una sorción lineal isotérmica. Generalizando la discusión para todas las reacciones de sorción (los productos orgánicos y los metales) se introduce una constante de equilibrio lineal, KD, que se deriva de las mediciones de campo o laboratorio.

CKS D= (8)

Donde S es la cantidad sorbida en el medio poroso (M M -1), KD el coeficiente de distribución (V M -1) y C la concentración del soluto (M V-1). Para el caso de un contaminante conservativo transportado a través de un contaminante conservativo transportado a través de un acuífero homogéneo y unidimensional, se puede simplificar la ecuación (9) despreciando los vectores de la velocidad uY y uZ y los coeficientes de dispersión DY y DZ.

∑±⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

∂∂

+∂∂

+∂∂

+⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂∂

+∂∂

+∂∂

−=∂∂

mZYXZYX rzCD

yCD

xCD

zCu

yCu

xCu

tC

2

2

2

2

2

2

(9)

El transporte y reacción del contaminante en el medio poroso se pueden representar como una ecuación parcial diferencial de segundo orden con coeficientes constantes en una dimensión.

∑=

±∂∂

+∂∂

−=∂∂ n

mmXX r

xCD

xCu

tC

12

2

(10)


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El término de la reacción en la ecuación 10 se refiere a un número de reacciones posibles. Para los contaminantes orgánicos, sorción, biodegradación, hidrólisis, reacciones redox, y volatilización (en la zona no saturada). Para los metales, las reacciones principales son sorción, intercambio de iones, y reacciones redox para elementos con estados de valencia múltiples. Los metales contaminantes tales como Cd2+, Pb2+, Zn2+, Ni2+, y Cu2+ también se pueden liberar de los sitios de sorción en los óxidos de hierro y manganeso, ya que, al reducir las condiciones dan lugar a la disolución y reducción de los óxidos. En la ecuación 10 se puede incluir explícitamente la sorción. Así,

( )i

SXX r

nn

tS

xCD

xCu

tC ∑±

−∂∂

−∂∂

+∂∂

−=∂∂ 1

2

2 ρ (11)

accionesSorciónDispersiónAdveccióniónConcentrac Re±−+−=∆

donde ρS es la densidad de las partículas sólidas (ML-3), n la porosidad efectiva (adimensional) y ri las reacciones químicas y biológicas (ML-3T-1).

1.3 HIDROCARBUROS DEL PETRÓLEO EN EL SUELO Según la monografía de Salinas, el comportamiento de un contaminante es función de sus características físicas y químicas, de las características del medio y de factores climatológicos, como se menciono anteriormente. El conjunto de estas variables define el tamaño y la distribución del frente de contaminación en una zona específica (Ver Tabla 2).

Tabla 2. Parámetros de Contaminante, Suelo y Ambiente que Influyen en el Transporte a Través del Suelo.

Tomado de Salinas, 2001.

Los compuestos orgánicos ligeros como las gasolinas, aceites y petróleo crudo tienden a formar una capa en forma de nata sobe el nivel freático y se mueven horizontalmente en dirección al flujo del agua subterránea. Los compuestos orgánicos densos, migran hacia la base del acuífero creando una columna la cual se mueve en dirección al flujo de agua subterránea, contaminando así el acuífero en toda su profundidad. Las propiedades físicas del suelo más afectadas por derrames de hidrocarburos son:

• La estructura del suelo debido a la ruptura de los agregados. • La retención del agua en la capa superficial (Aumenta). • El potencial hídrico.


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Las propiedades químicas del suelo más afectadas por un derrame de hidrocarburos son:

• El carbono orgánico, este aumenta ya que el 75 % del carbono del petróleo crudo es oxidable.

• El pH, disminuye debido a la acumulación del carbono orgánico y a la generación de ácidos orgánicos.

• La cantidad de manganeso y hierro intercambiable (Aumenta). • La cantidad de fósforo disponible (Aumenta).

1.3.1 Parámetros del Contaminante 1.3.1.1 Solubilidad al agua Es la característica química más importante usada para asegurar, en el ambiente, la movilidad, estabilidad, acumulación, bioacumulación y sorción química. La alta solubilidad al agua de un compuesto químico promueve su mayor movilidad, haciéndolo menos probable a ser acumulativo, bioacumulativo, volátil y persistente; un compuesto químico altamente soluble es propenso a ser biodegradado y metabolizado por los microorganismos. Un contaminante químico poco soluble en agua es más probable a ser inmovilizado vía adsorción y es menos móvil, más acumulativo o bioacumulativo, persistente y ligeramente propenso a biodegradarse [3]. 1.3.1.2 Presión de vapor En el caso de los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP’s) de bajo peso molecular (2 anillos) su valor es de 10-4 atm indicativo de ser volátiles al ambiente y los de alto peso molecular (>5 anillos) con un valor de 10-13 atm tienden a quedar en el suelo. Los alifáticos de peso molecular bajo (C5H12) presentan valores de 1 atm y los de peso molecular alto (C18H36) valores de 10-7 atm (Connell et al., 1997). Un compuesto químico con una presión de vapor baja, alta capacidad de adsorción o alta solubilidad al agua es menos probable a volatilizarse (principalmente compuestos orgánicos de alto peso molecular). Un compuesto químico con una presión de vapor alta, baja capacidad de adsorción o baja solubilidad al agua es más probable a volatilizarse. 1.3.1.3 Polaridad En el libro Basic Concepts of Environmental Chemistry la polaridad se refiere a la existencia o no de una distribución equitativa de las nubes electrónicas que forman varios enlaces. Si no es equitativa, una parte de la molécula será más positiva y la otra será más negativa. Por tanto, la molécula se comporta como un dipolo o una molécula polar. Por otra parte, si las nubes electrónicas están igualmente distribuidas, decimos que la molécula es no polar. La polaridad depende de la electronegatividad de los átomos y la forma de la molécula, si no hay diferencia de electronegatividad entre los átomos, la molécula será no polar. Todos los compuestos orgánicos contienen carbono y la mayoría también hidrógeno, debido a que existe una leve diferencia en


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electronegatividad entre el carbono y el hidrógeno; la mayoría de los compuestos son no polares. Los hidrocarburos alifáticos son compuestos no polares y los aromáticos son polares. Se ha determinado que compuestos no polares o débilmente polares tienen afinidad por las fases orgánicas hidrofóbicas en ácido húmico sirviendo las fuerzas de Van der Waals o la atracción hidrofóbica como unión de enlace. 1.3.2 Parámetros del Suelo Los hidrocarburos se pueden encontrar de la siguiente forma en el suelo: líquida, soluble en el agua del suelo, adsorbidos por el suelo y en la atmósfera edáfica. Las propiedades y condiciones que afectan la migración, retención y transformación de compuestos orgánicos en el suelo se muestran a continuación (Salinas, 2001). 1.3.2.1 Materia orgánica La materia orgánica se deriva principalmente de la actividad de los microorganismos en el detrito de las plantas que entra al suelo como resultado de la muerte de éstas. Esta se mide como el contenido de carbono orgánico del suelo, varía entre el 0.1 y el 7% del suelo total y es el componente más importante para la adsorción de productos químicos no iónicos, no polares [3]. Este parámetro tiende a aumentar por el incremento de los sitios de adsorción en la matriz de suelo, disminuyendo la concentración en la fase acuosa y gaseosa del contaminante orgánico como también su transporte. La adsorción es afectada por dos factores: • La hidrofobicidad del contaminante (dificultad para disolverse en agua). • La fracción de la materia orgánica en el suelo (contenido de carbono orgánico). Las moléculas no polares o débilmente polares tienen una gran afinidad por fases orgánicas hidrofóbicas en ácidos húmicos con fuerzas de atracción débil (Van der Waals) o bien una atracción hidrofóbica. Las polares sin carga, muestran una afinidad por grupos polares húmicos, sitios de coordinación de metales multivalentes en coloides, superficies minerales con grupos Si-O-Si a través de fuerzas dipolo-dipolo y ion-dipolo (ligeramente fuerte a débil). Este comportamiento es debido a que las moléculas no polares, tienen una mayor atracción hacia la materia orgánica que hacia las superficies de los minerales, donde la existencia de las superficies hidrofóbicas o enlaces dentro de la matriz orgánica son las que favorecen el fenómeno de atracción hidrofóbica, la cual llega a ser una fuerza conductora de la absorción, si el adsorbente orgánico tiene una baja afinidad por el agua. 1.3.2.2 Contenido de agua De acuerdo con Connell et al. (1997), el contenido de agua ejerce un control sobre el potencial de crecimiento de microorganismos. Los suelos secos no soportan una


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población en activo crecimiento, mientras que los húmedos pueden soportar grandes poblaciones de microorganismos. Es decir fomenta la biodegradación de los contaminantes. El contenido de agua tiene también gran influencia en el transporte de difusión líquida o gaseosa. Para la difusión líquida el transporte aumenta con el contenido de agua debido a su trayectoria en los espacios porosos reemplazando el aire contenido; inversamente, la difusión de vapor disminuye con el contenido de agua. Cuando el contenido de agua disminuye a un bajo porcentaje, las moléculas que ocupaban los sitios de adsorción son desplazadas y la capacidad de adsorción química aumenta considerablemente causando que las concentraciones líquida y gaseosa disminuyan reduciendo el mecanismo de transporte líquido y gaseoso. Sin embargo, este efecto de adsorción es reversible cuando la superficie vuelve a rehumedecerse. Las moléculas de un material dado pueden adsorberse de la fase gaseosa o líquida al sólido por fuerzas de Van der Waals, este proceso es llamado adsorción física y puede alcanzar el equilibrio en un tiempo limitado, principalmente por las velocidades de difusión molecular. El agua es un medio de transporte, principalmente, para sustancias menos adsorbentes y más polares como es el caso de los alcoholes seguido por los aromáticos y finalmente los alifáticos. 1.3.2.3 Textura del suelo La lixiviación en texturas rugosas (arena y grava) es más rápida que en texturas lisas (arcillas), con mayor capacidad de retener los contaminantes y prevenir su alcance a aguas subterráneas. Además, otros parámetros dinámicos como la permeabilidad, la conductividad hidráulica y la porosidad son función de la textura. El contenido de arcilla está correlacionado con la capacidad de campo, área superficial específica y capacidad de intercambio catiónico influyendo en la adsorción de iones. Estas características dan una medida de cómo la arcilla afecta el comportamiento de las moléculas polares orgánicas y de los iones metálicos. Para compuestos orgánicos no polares, generalmente no existe correlación entre el contenido de arcilla y la adsorción. 1.3.2.4 Estructura del suelo Generalmente se presentan fisuras, grietas o canales que sirven como vías de transporte, permitiendo corrientes transitorias de grandes volúmenes de un contaminante a las aguas subterráneas. En la ausencia de tales canales, la agregación estructural de los suelos induce un flujo más rápido en los macroporos, que dentro de los microporos donde los contaminantes potenciales pueden ser retenidos. En ocasiones, la estructura del suelo favorece la concentración del contaminante en corrientes verticales o convergentes que generalmente comienzan en la transición de texturas finas a capas de textura granular, con un gran volumen de la zona superficial y siguiendo un transporte directo de contaminantes al nivel freático.


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1.3.2.5 Profundidad del nivel freático Determina el tiempo y espacio de la retención y degradación del contaminante previo a su penetración en el acuífero, dado por las propiedades de retención del perfil del suelo. 1.3.3 Parámetros Ambientales 1.3.3.1 Temperatura La presión de vapor es función de la temperatura, al tener un valor bajo (10 –4 atm) la fracción de un compuesto orgánico pasa rápidamente a la fase gaseosa. Por esta razón la difusión gaseosa es mucho más importante que la difusión líquida. 1.3.3.2 Precipitación La precipitación afecta la velocidad de flujo en el suelo; los suelos en regiones con lluvia intensa y frecuente tienen altos flujos de agua y de dispersión, extendiendo la difusión líquida y disminuyendo la gaseosa. 1.3.3.3 Evapotranspiración En la monografía de Salinas se argumenta que la evapotranspiración afecta el flujo de agua debajo de la zona de raíces de las plantas y la lixiviación de los compuestos. La cantidad de agua lixiviada en suelos que no reciben entrada de agua por irrigación está determinada por el agua de lluvia menos el agua de evapotranspiración. Este parámetro es positivo, si implica un drenaje con movimiento descendente y negativo, si existe un proceso de secado con un bajo contenido de agua e induciendo un flujo ascendente de agua subterránea. Esto puede ser regulado por las condiciones meteorológicas externas como la radiación solar, viento, temperatura y humedad ambiente o por la resistencia del suelo o planta. 1.3.4 Transporte y Transformación de los Hidrocarburos 1.3.4.1 Dispersión Los hidrocarburos del petróleo son emitidos o descargados en todas las fases del ambiente: aire, agua y suelo. La dispersión es probablemente el proceso más significativo que afecta los hidrocarburos del petróleo en las primeras 6 a 10 horas después de la descarga. El principal factor que favorece un aumento en el área de un derrame es la gravedad y las fuerzas de fricción, entre otras, tienden a oponerse a esta dispersión [3]. 1.3.4.2 Evaporación En el libro Basic Concepts of Environmental Chemistry la evaporación se define como un proceso en el cual las moléculas se escapan de la superficie de un líquido a una fase


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gaseosa o a la atmósfera, el cual puede ser particularmente importante en los primeros días del derrame. La evaporación remueve el peso molecular más bajo, los componentes más volátiles de la mezcla del petróleo. La fracción volátil que se puede perder esta entre el 20 y el 50%, para los productos del petróleo refinados tales como la gasolina y el querosén. La tasa de evaporación depende de la concentración del compuesto en el derrame, de su punto de ebullición y presión de vapor. A medida que las moléculas son más grandes, su presión de vapor disminuye y el punto de ebullición aumenta. 1.3.4.3 Disolución Connell et al. (1997), asegura que los hidrocarburos más volátiles, y con más bajo peso molecular tienden a ser más solubles en agua. Generalmente, para los hidrocarburos de más bajo peso molecular, la evaporación es más importante que la disolución. El orden de solubilidad acuosa de los hidrocarburos es aromáticos > cicloalcanos > alcanos ramificados > n-alcanos. Hay varias razones que explican estas diferencias, como el tamaño de la superficie de la molécula y el momento dipolo. 1.3.4.4 Fotooxidación En presencia de oxígeno, la luz del sol puede transformar o degradar los componentes de las mezclas de petróleo. La fotooxidación es la oxidación iniciada por la luz, particularmente los rayos UV. Al contacto con esta luz, un número de cambios físicos y químicos ocurren en el petróleo [3]. Un químico puede ser fototransformado tanto como pueda absorber luz solar. Las influencias ambientales tienen un efecto en la velocidad de fototransformación, tales como: la profundidad del químico en el suelo y en el agua, sorción en el suelo y pH. La velocidad de fotólisis puede determinar el tiempo de residencia del contaminante en el ambiente (Salinas, 2001). 1.3.4.5 Transformación microbiana La mayoría de los componentes del petróleo (compuestos orgánicos volátiles) pueden ser transformados por una variedad de microorganismos; esto depende de factores tales como el número y tipo de microorganismos presentes y la disponibilidad de oxígeno y nutrientes. El termino bioremediación, se refiere al uso de microorganismos para degradar los hidrocarburos a CO2 y H2O. Las bacterias usan los hidrocarburos como fuente de carbono y energía. El contenido de oxígeno en suelo es frecuentemente un factor limitante en la biorremediación (Connell et al., 1997). Generalmente los n-alcanos, particularmente los más pequeños, son transformados más rápidamente por los microorganismos bajo condiciones aerobias. Los alcanos ramificados y los cicloalcanos son oxidados con menos facilidad por los microorganismos. Los compuestos aromáticos pueden también ser transformados por microorganismos (bajo condiciones aerobias y anóxicas).


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1.4 MÉTODOS DE REMEDIACIÓN Hoy día los métodos de remediación de suelos contaminados son tan diversos como los mismos tipos de contaminantes y las condiciones de sitio. Se deben tener en cuenta varios factores que entran a jugar un papel importante al momento de escoger la técnica de remediación más apropiada, algunos de los aspectos a considerar son los siguientes: • Condiciones de sitio como lo son el tipo de suelo, topografía, profundidad del nivel

freático y población. • Limitaciones económicas. • Requerimientos a nivel local y nacional. Como se menciono anteriormente, numerosas alternativas de remediación han demostrado ser eficaces en la limpieza de suelos contaminados, estas se pueden dividir en cuatro grupos según el tipo de tratamiento: fisco, químico, biológico y térmico (Ver Tabla 3).

Tabla 3. Métodos de Remediación de Suelo y Agua Subterránea.

Tomado de Tindall et al., 1999.

En el documento “Remediación de Suelos Contaminados con Hidrocarburos” se realizó el análisis de algunos métodos de remediación utilizados para el tratamiento de suelos y agua subterránea; a continuación se encuentra un resumen de éstos y algunas características importantes de cada uno (Ver Tabla 4), como lo son: • El tipo de suelo a tratar, hablando específicamente de su permeabilidad. Los suelos

en esta ocasión fueron clasificados como cohesivos (arcillas), los cuales presentan una baja permeabilidad y granulares (arenas) con una alta permeabilidad. La mayoría de tratamientos son más efectivos en suelos granulares ya que se facilita la corriente de aire, por ende la volatilización y degradación se obtienen más rápidamente.

• Los tipos de desechos que pueden ser tratados con una tecnología de remediación dada. La mayoría de las tecnologías presentadas tratan desechos orgánicos, aunque


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algunas como por ejemplo capping, flushing, washing, pueden ser utilizados para tratar compuestos inorgánicos, incluyendo metales.

• Los costos y tiempos de las diferentes alternativas de remediación del suelo, las cuales son altamente dependientes de las condiciones de sitio. En la Tabla 5 se muestran algunos rangos típicos de tiempo y costo para cada tecnología.

Tabla 4. Resumen Comparativo de las Tecnologías de Remediación.

Tabla 5. Rangos Típicos de Tiempo y Costo para las Tecnologías de Remediación.


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2. ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN

2.1 INTRODUCCIÓN El petróleo y sus derivados gobiernan la economía colombiana, es por esto que su producción y distribución se realiza prácticamente en todo el territorio nacional, beneficiando con su manejo a muchas personas; sin embargo, este manejo conduce a la contaminación, especialmente del suelo, producida por los derrames de hidrocarburos. La implementación de un proyecto de remediación seguro y exitoso requiere una investigación detallada del sitio, específicamente de las propiedades del suelo y del contaminante, conociendo sus características físicas, químicas y biológicas; para así implementar la alternativa de remediación más efectiva en cuanto a costo y tiempo. El conocimiento de dichos parámetros se realiza por medio de ensayos de laboratorio los cuales se describen en el transcurso de este capitulo, basados principalmente en las referencias [10] y [11] para la caracterización de suelo y contaminante, respectivamente.

2.2 CASO DE ESTUDIO

Según datos suministrados por Fendipetroleo Nacional actualmente en Colombia existen 2.150 estaciones de servicio públicas y 350 privadas, donde en promedio la demanda de combustible por estación de servicio es de 110 barriles diarios. Se ha establecido que cerca del 25% de las estaciones requieren servicios de recuperación de suelos y que en promedio tienen perdidas de combustible cercanas al 0.1% del volumen total de los tanques de almacenamiento; además se estima que el 3% de la contaminación de suelos corresponde a la etapa de comercialización de hidrocarburos [9]. Partiendo de esto, se decidió estudiar un caso de contaminación cercano a una estación de gasolina, para así comprobar que tan grave es el problema de contaminación. En la ciudad de Bogotá, se estaban realizando, en el segundo trimestre del presente año, excavaciones poco profundas para la adecuación de vías por parte de la empresa Transmilenio. Aprovechando esta situación, se tomó una muestra de suelo a aproximadamente 2 m de profundidad, muy cerca a la desmantelación de unos tanques subterráneos de una estación de servicio; este suelo presentaba un fuerte olor a gasolina, primer indicio de contaminación (Ver Figura 2). El origen de esta posible contaminación en principio se supone que es producida por la estación de servicio, ya que esta se encontraba sobre el punto de muestreo; sin embargo


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no se cuenta con cifras exactas ya que este tipo de información es de carácter privado en las empresas petroleras y su publicación atenta en muchos casos en contra de su imagen publica. Es por esto que se realizara al contaminante presente en el suelo una caracterización específica por cromatografía gaseosa en el rango gasolina, igualmente al suelo una caracterización con dos muestras diferentes para de esta manera poder promediar los valores obtenidos para cada una de sus parámetros.

Figura 2. Muestra del Suelo en Estudio.

2.3 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO La caracterización de la muestra de suelo se realizó mediante ensayos básicos de humedad, gravedad específica, propiedades índice, contenido de materia orgánica, permeabilidad y granulometría; los cuales están documentados y realizados en base a las normas de la American Society for Testing and Materials. 2.3.1 Marco Teórico 2.3.1.1 Humedad natural La humedad hace referencia al contenido de agua que tiene el suelo; se expresa en porcentaje y se calcula de la siguiente manera:

( )S

S

S

W

WWWó

WWw −

= (12)

Donde w es la humedad, W es el peso del suelo húmedo, Ws el del suelo seco y Ww el del agua. 2.3.1.2 Límites Los límites del suelo son humedades del suelo; estas son los límites de los diferentes comportamientos que puede tener el material. Son bastante útiles para clasificar el suelo y para lograr predecir su comportamiento. La diferencia entre el límite líquido y el


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plástico es el índice plástico, el cual corresponde al rango de humedades en el cuál el suelo presenta un comportamiento plástico. LÍMITE LÍQUIDO Humedad a la cual el suelo empieza a comportarse como un líquido. Experimentalmente se define como la humedad a la cual después de 25 golpes en la cazuela de Casagrande, una ranura hecha previamente en el suelo, se une 13 mm. Para calcular esta humedad, se necesitan mínimo tres puntos de manera que se obtengan valores aproximadamente a 15, 25 y 35 golpes, luego de esto se hace una regresión logarítmica y se encuentra el valor a los 25 golpes. LÍMITE PLÁSTICO Humedad mínima a la cual el suelo se comporta plásticamente. Experimentalmente se encuentra haciendo rollitos de 3 mm de diámetro; se llega al límite plástico cuando éstos se empiezan a agrietar. Teniendo los pequeños rollos de suelo agrietados, se calcula la humedad como se muestra en la ecuación 12. 2.3.1.3 Contenido de materia orgánica La materia orgánica esta constituida por compuestos de carbono, los cuales cuando se calientan a altas temperaturas se convierten en CO2 y agua. La humedad, la oxigenación, el pH y la temperatura son los principales factores que gobiernan los niveles de materia orgánica en un suelo. En el proceso de ignición, una muestra seca es expuesta a altas temperaturas, la materia orgánica en el suelo y algunos productos químicos volátiles, no orgánicos de la muestra se emiten como gases, dando lugar a un cambio en el peso. El cálculo del contenido orgánico de la muestra de suelo, se realiza utilizando la siguiente ecuación:

100×−−

=CBBAMO (13)

Donde MO es el contenido de materia orgánica, A el peso del crisol con suelo antes de la ignición, B el peso del crisol con suelo después de la ignición y C el peso del crisol. 2.3.1.4 Gravedad específica La gravedad específica (Gs) es una manera de comparar las densidades de los suelos con la del agua. Se calcula:

W

SSG

γγ

= (14)

Donde γs es el peso específico del suelo seco y γw el del agua. El valor del peso específico del agua tiene que ser a la misma temperatura a la cual se realiza la práctica. Experimentalmente es conveniente utilizar la fórmula:


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( )fSWfWS

SS WWW

WG−+

= (15)

Donde Ws es el peso del suelo, Wfw el del picnómetro con agua y Wfsw el del picnómetro con agua y suelo. 2.3.1.5 Análisis granulométrico El rango de diámetros estimado de la distribución granulométrica, en este caso, se encuentra desde el tamiz No. 200 (0.075 mm) hasta 0.001 mm, ya que el suelo tiene partículas muy finas. Se realizó entonces, un lavado sobre el tamiz No. 200, después de haber efectuado un ensayo granulométrico por hidrómetro, para conocer el porcentaje de suelo que se encontraba fuera del rango establecido. El ensayo del hidrómetro se basa en: • El principio de fuerza boyante de Arquímedes. • La fuerza de resistencia que genera una partícula fluida (fuerza de arrastre). • La ley de Stokes (define la velocidad de caída de la partícula en función de su

diámetro y densidad). Los supuestos del ensayo que cumplen los principios físicos descritos son: • Las partículas de suelo se asumen como esféricas. • El flujo de agua es laminar. • La densidad de las partículas permanece constante. Para obtener la velocidad de caída de las partículas se recurre al hidrómetro. Se utiliza un agente dispersor cuya función es la de neutralizar las partículas evitando uniones entre ellas. La lectura del hidrómetro debe corregirse por los siguientes factores: • Por Cero (C)

CLR ±= (16) Donde C es el valor, positivo o negativo, que toma en cuenta las impurezas del agua y del agente dispersor y L es la lectura tomada del hidrómetro. • Por Menisco (Cm)

CmRR +=´ (17) Donde Cm = 0.5 g/L (hidrómetro 152 H) y R es la lectura corregida por cero. • Por Temperatura (m)

[ ])20(000025.099823.01000 −−−= Tm wρ (18)


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Donde T es la temperatura (°C) y ρw la densidad del agua (g/cm3). Esta corrección puede ser positiva o negativa dependiendo del valor de T. • Por Agente dispersante

VdXdCd ××= 001.0 (19) Donde Xd es la concentración del agente dispersivo (g/L) y Vd el volumen de la concentración (ml). El diámetro de una partícula se puede calcular según la ley de Stokes, utilizando la siguiente fórmula:

( ) tGHD

WS

R

ρη

198130

−= (20)

Dónde t es el tiempo desde el inicio de la sedimentación (min), HR la distancia de caída corregida, Gs la gravedad específica de las partículas de suelo y η la viscosidad (g/cm.s) y ρw la densidad (g/cm3) del agua a la temperatura T del ensayo. La caída efectiva de las partículas para el hidrómetro 152 H se puede encontrar en base a la lectura del hidrómetro en la tabla 2 de la Norma ASTM D 422 – 63. El porcentaje de arcilla p es:

( ) 1001

´6226.00

×−

+−=S

S

GGmCdR

WD (21)

Dónde W0 es el peso seco de suelo por litro de suspensión. En base a estos valores se puede construir la curva granulométrica. 2.3.1.6 Permeabilidad La permeabilidad es una propiedad del suelo que indica la facilidad con la que el agua fluye a través del suelo. Existen varios factores que afectan la permeabilidad: • La forma y distribución de poros. • El tamaño de las partículas de suelo.

• La porosidad del suelo. • El grado de saturación.

De manera general, entre más contacto haya entre el fluido y la superficie de los poros, más baja es la permeabilidad. El grado de permeabilidad de un suelo se determina mediante la aplicación de la ley de Darcy, así:

LtAHM

ivk W

×××

== (22)

La ecuación anterior es caracterizada por el coeficiente de permeabilidad (k), el cual se define como la tasa de descarga de agua bajo condiciones de flujo laminar a través del área transversal del suelo sujeto a un gradiente hidráulico (i).


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tAM

tAV

AQv W

×=

×== (23)

HLi = (24)

Donde v es la velocidad de descarga, L la perdida de cabeza total, H la altura y A el área transversal de la muestra, Q el caudal, V el volumen y MW el peso de agua que pasa a través de la columna de suelo en un intervalo de tiempo t (V y MW son equivalentes ya que la densidad del agua es 1). 2.3.2 Procedimiento 2.3.2.1 Humedad natural Equipo Para la realización de este ensayo fue necesario, recipientes para la determinación de humedades, una balanza con precisión de ± 0.01 gr y un horno controlado a 110 ± 5 °C. Procedimiento La humedad se obtiene colocando una cantidad de suelo conocida es decir, previamente pesada, dentro de un recipiente de peso conocido. La muestra se coloca en el horno hasta que obtenga un peso constante. Luego se determina el peso de la muestra junto con el del recipiente, la diferencia entre el peso seco o de los sólidos y el inicial, se considera como el peso del agua contenida en los poros del suelo, el cual divido entre el peso seco de la muestra da como resultado el contenido de agua de la muestra. 2.3.2.2 Límites LÍMITE LÍQUIDO Equipo Dentro del equipo utilizado se encuentra una espátula de hoja flexible, una cazuela de Casagrande, un ranurador, recipientes para la determinación de humedades, una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr y un horno controlado a 110 ± 5 °C. Procedimiento En este ensayo, se toma cierta cantidad de suelo al cual se le agrega agua hasta que se forma una especie de pasta líquida. Paso siguiente se coloca una porción de la mezcla en la cazuela y se nivela el suelo con la espátula hasta conseguir una profundidad de 1 cm en el punto de espesor máximo (Ver Figura 3a). Luego se divide el suelo sobre la cazuela con el ranurador de arriba a abajo y a través de la línea central de la masa de suelo, como se muestra en la Figura 3b. Por ultimo, se gira la manija de la cazuela a una velocidad constante (2 rev/min), hasta que las dos mitades se unan en el fondo de la cazuela y se registra el número de golpes requeridos para obtener el cierre de la ranura. Inmediatamente después, se toma una parte del material de la cazuela para determinar la humedad para ese determinado número de golpes. El procedimiento anteriormente descrito, se repite dos veces más colocando el mismo material pero tratando que este


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tenga un estado de mayor fluidez con respecto al anterior, esto por intermedio de la adición de agua. Finalmente, se calcula el límite líquido graficando el número de golpes vs las humedades correspondientes, obteniendo una línea recta; partiendo desde el eje de las abscisas con el valor de 25 golpes se intercepta dicha línea y se encuentra la respectiva ordenada. Esta ordenada (humedad) es lo que se conoce como el límite líquido.

a b

Figura 3. Obtención del Límite Líquido del Suelo en Estudio.

LIMITE PLÁSTICO Equipo Para la realización de este ensayo fue necesario, recipientes para la determinación de humedad, una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr y un horno controlado a 110 ± 5 °C.

Figura 4. Obtención del Límite Plástico del Suelo en Estudio.

Procedimiento El ensayo se inició tomando cierta cantidad de suelo al cual se le agrega agua hasta que se forma una especie de pasta plástica. Se toma un poco de material para iniciar a formar los rollitos de 3 mm de espesor, como se muestra en la Figura 4, hasta que estos empiezan a agrietar y desmoronar; en ese instante se determina la humedad, cuyo valor es lo que se conoce como límite plástico. 2.3.2.3 Contenido de materia orgánica Equipo Para el desarrollo del ensayo se utilizó una mufla controlada a 445 ± 10 °C, una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr, un horno controlado a 110 ± 5 °C, recipientes para la determinación de humedades y crisoles.


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Procedimiento El material utilizado para calcular las humedades en el ensayo de límite líquido, puede ser usado en la determinación del contenido de materia orgánica ya que este ha estado en el horno a 110 °C toda una noche. Una vez el material se encuentra seco (Ver Figura 5), se transfiere a un crisol, se registra el peso y se lleva a la mufla durante 6 horas a 445 °C. Finalmente se registran los pesos del crisol y del crisol con suelo después de la ignición.

Figura 5. Obtención del Contenido de Materia Orgánica del Suelo en Estudio.

2.3.2.4 Gravedad específica

Figura 6. Obtención de la Gravedad Específica del Suelo en Estudio.

Equipo En el ensayo de gravedad específica se necesita un picnómetro de 100 cm3 de capacidad, un termómetro graduado con una escala de 0 a 50 °C y precisión de 0.1 °C, un baño de agua (Baño maría), un tamiz No. 40, una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr y un horno controlado a 110 ± 5 °C. Procedimiento El primer paso para obtener el peso específico de un suelo es calibrar el picnómetro. Previa calibración se pone a secar la muestra en el horno a temperatura controlada; al día siguiente, ésta se tritura y se hace pasar por un tamiz No. 40. Posteriormente, se registra el peso del picnómetro solo y con suelo tratado (30 gr aprox). Luego se procede a llenar con agua el picnómetro hasta la mitad y se deja reposar durante una noche, para dejar que el aire atrapado dentro de la suspensión de suelo salga; al día siguiente, el picnómetro se calienta en un recipiente con agua y se agita suavemente con el fin de


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eliminar el exceso de aire. Posterior a la extracción del aire, se introduce agua en el picnómetro hasta la marquilla y se deja enfriar hasta una temperatura de 20 °C, como se ve en la Figura 6. Finalmente se registra el peso del picnómetro con suelo y agua y se realizan los cálculos pertinentes. 2.3.2.5 Análisis granulométrico Equipo Dentro del equipo utilizado para la realización del ensayo se encuentra un hidrómetro calibrado (152 H), un cilindro de vidrio para sedimentación (457 mm de alto y 63.5 mm de diámetro), un termómetro de inmersión con apreciación de 0.5 °C, un cronómetro; como agente dispersante se trabajo con hexametafosfato de sodio (50 g de NaPO3 por litro de solución), un vaso de dispersión y un aparato agitador, un tamiz No. 40 y uno No. 200, una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr y un horno controlado a 110 ± 5 °C.

Figura 7. Obtención de la Granulometría del Suelo en Estudio.

Procedimiento Se seca, tritura y tamiza (tamiz No. 40) una muestra de suelo de 50 gr. En un recipiente con agua se introduce la muestra tratada y 5 gr de agente dispersante, esta solución se mezcla y se deja reposar toda una noche. Para obtener una mezcla homogénea, la solución se vierte en el vaso de dispersión y se coloca en el aparato agitador (batidora) durante un minuto, evitando la perdida de material. Posteriormente, se transfiere la suspensión a un cilindro de sedimentación de 1000 ml, como el que se muestra en la Figura 7. Un minuto antes de comenzar el ensayo, se tapa el cilindro de sedimentación y agita para remover los sedimentos del fondo y lograr una suspensión uniforme. Al terminar el minuto de agitación, se pone en marcha el cronómetro y se introduce el hidrómetro lentamente en la suspensión. Finalmente, se registran las lecturas a ciertos intervalos de tiempo (1, 2, 5, 10, 15, 30, 60, 250 y 1440 minutos) teniendo la precaución de retirar, después de cada lectura, el hidrómetro de la suspensión para evitar errores causados por la adhesión de material al hidrómetro. Adicionalmente, se toma una muestra representativa del material y se realiza un lavado sobre el tamiz No. 200 para conocer de esta manera el porcentaje retenido en este tamiz.


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2.3.2.6 Permeabilidad Equipo Dentro del equipo utilizado se encuentra un permeámetro (molde proctor), un calibrador, papel filtro, una fuente de agua de presión constante, un cronómetro, una probeta pequeña y una grande, parafina y una balanza con sensibilidad de ± 0.01 gr.

Figura 8. Obtención de la Permeabilidad del Suelo en Estudio.

Procedimiento Previo al ensayo de permeabilidad, fue necesario conocer a que densidad se encontraba la muestra de suelo, para garantizar que el material en el permeámetro tuviera las mismas características que la muestra original. Para determinar la densidad, se pesa un trozo de suelo, se parafina y registra el peso, se introduce en una probeta con un volumen de agua conocido obteniendo así el volumen desplazado por el trozo de suelo parafinado. Finalmente, por medio de algunos cálculos básicos se obtiene la densidad del suelo. Conociendo la densidad del suelo y las dimensiones del permeámetro (altura y diámetro) se obtiene el peso de suelo necesario para llenar el molde. Una vez se conoce la cantidad de suelo necesaria, se procede a montar el permeámetro introduciendo el suelo en tres etapas para obtener una compactación uniforme, asegurando de esta manera una densidad homogénea. Posteriormente se conecta el permeámetro a la fuente de agua hasta la saturación; en este caso como el material es arcilloso, la saturación toma de uno a dos días. Finalmente, con el agua fluyendo a una presión constante, se toman las lecturas (volumen en la probeta) a intervalos de tiempo deseados y se realizan los cálculos pertinentes (Ver Figura 8).


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2.3.3 Datos y Resultados 2.3.3.1 Humedad natural La humedad natural, como se menciono anteriormente, es la razón entre la diferencia de peso húmedo y seco (peso del agua) y el peso seco de la muestra (Ver Tabla 6).

Tabla 6. Determinación de la Humedad Natural del Suelo en Estudio.

Muestra Peso Lata Peso Inicial Peso Final w (%) w (%)1 11.42 149.17 122.76 23.721 12.76 136.22 111.92 24.512 12.31 115.19 94.72 24.842 12.25 107.12 88.06 25.14

24.55

24.11

24.99

Humedad Natural

2.3.3.2 Limites LÍMITE LÍQUIDO El límite líquido es la humedad correspondiente a 25 golpes, interpolados de la regresión obtenida para los tres puntos (de cada muestra) acotados con su respectiva humedad y número de golpes necesarios para cerrar la ranura, como se muestra en la Tabla 7 y en la Figura 9.

Límite Líquido

23.0

23.5

24.0

24.5

25.0

25.5

26.0

26.5

27.0

10 15 20 25 30 35

# Golpes

w (%

)

Muestra 1 Muestra 2

Figura 9. Determinación del Límite Líquido del Suelo en Estudio.


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Tabla 7. Determinación del Límite Líquido del Suelo en Estudio.

Muestra Peso Lata Golpes Peso Inicial Peso Final w (%) LL1 12.95 33 36.60 32.10 23.501 11.53 22 40.77 35.16 23.741 13.00 12 46.88 39.88 26.042 12.60 32 37.46 32.78 23.192 11.49 21 41.69 35.76 24.432 13.03 11 46.33 39.43 26.14

24.08Límite Líquido

24.10

24.05

LIMITE PLÁSTICO El límite plástico es la humedad correspondiente a los rollitos descritos previamente (Ver Tabla 8).

Tabla 8. Determinación del Límite Plástico del Suelo en Estudio.

Muestra Peso Lata Peso Inicial Peso final w (%) LP1 13.21 20.46 19.57 13.991 13.11 20.37 19.48 13.972 11.60 20.30 19.25 13.732 13.09 22.31 21.18 13.97

13.91Límite Plástico

13.98

13.85

ÍNDICE PLÁSTICO El índice plástico es la medida de la reacción de un suelo en presencia de agua y se calcula como la diferencia entre el límite líquido y el plástico, como se ve en la Tabla 9.

Tabla 9. Determinación del Índice Plástico del Suelo en Estudio.

Muestra LL LP IP1 24.10 13.98 10.122 24.05 13.85 10.20

10.16Índice Plástico

2.3.3.3 Contenido de materia orgánica Los resultados obtenidos del contenido de materia orgánica, por medio de la ecuación 13, se encuentran en la Tabla 10.

Tabla 10. Determinación del Contenido de Materia Orgánica del Suelo en Estudio.

Muestra Peso Crisol Peso Inicial Peso Final MO (%)1 22.30 36.21 35.88 2.432 23.68 37.49 37.14 2.60

2.52Contenido de Materia Orgánica


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Donde el peso inicial es el peso del crisol y el suelo antes de la ignición (A) y el final el peso del crisol y el suelo después de la ignición (B). 2.3.3.4 Gravedad específica La gravedad específica da la medida de la densidad de los sólidos (Ver Tabla 11) presentes en la muestra y es un parámetro esencial para la obtención de diversas relaciones que describen el estado natural de la masa de suelo.

Tabla 11. Determinación de la Gravedad Específica del Suelo en Estudio.

Muestra Wfw Wfsw Ws Gs1 147.26 166.86 32.14 2.562 149.44 169.72 33.12 2.58

2.57Gravedad Específica

2.3.3.5 Análisis granulométrico El hidrómetro arroja la granulometría de la muestra, lo cual principalmente, nos suministra información del porcentaje de arcilla presente. Para la realización de los cálculos se tienen los siguientes valores generales, los cuales fueron descritos anteriormente:

Wo = 50 g/L T = 24 °C

Cm = 0.5 g/L ρw = 0.99733 g/cm3

m = 0.8 g/L η = 0.00914 g/cm.s

El W0 y la T fueron medidos en el laboratorio, Cm es un valor preestablecido para los hidrómetros 152 H, m fue calculado con la ecuación 18 y ρw y η son parámetros del agua a la temperatura T.

Tabla 12. Determinación de la Granulometría de la Muestra 1 del Suelo en Estudio.

Tiempo lectura R´ Hr D partícula pmin g/L g/L cm mm %

1 33.0 33.5 10.80 0.0440 57.792 30.0 30.5 11.30 0.0318 51.665 25.0 25.5 12.10 0.0208 41.45

10 23.0 23.5 12.45 0.0149 37.3715 22.0 22.5 12.60 0.0123 35.3230 20.0 20.5 12.95 0.0088 31.2460 19.0 19.5 13.10 0.0063 29.20

250 17.0 17.5 13.40 0.0031 25.121440 12.0 12.5 14.25 0.0013 14.91

Los valores de Hr fueron tomados de la tabla 2 de la Norma ASTM D 422 – 63.


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Para la realización de los cálculos de la primera muestra (Ver Tabla 12 y Figura 10) se utilizó un Gs de 2.56 (valor obtenido por cómputos previos) y un Cd de 6 g/L (constante obtenida de la calibración del hidrómetro). En el análisis de la segunda muestra se utilizó un Gs de 2.58 y un Cd de 5 g/L. A partir de esto se obtuvo la Tabla 13 y la Figura 10.

Tabla 13. Determinación de la Granulometría de la Muestra 2 del Suelo en Estudio.

Tiempo lectura R´ Hr D partícula pmin g/L g/L cm mm %

1 34.0 34.5 10.60 0.0434 61.622 30.0 30.5 11.30 0.0317 53.485 25.0 25.5 12.10 0.0207 43.32

10 22.0 22.5 12.60 0.0150 37.2115 21.0 21.5 12.80 0.0123 35.1830 19.0 19.5 13.10 0.0088 31.1160 18.0 18.5 13.25 0.0063 29.08

250 16.0 16.5 13.60 0.0031 25.011440 11.0 11.5 14.40 0.0013 14.85

Los valores de Hr fueron tomados de la tabla 2 de la Norma ASTM D 422 – 63.

Finalmente se graficó el diámetro de la partícula contra el porcentaje de arcilla para cada una de las muestras como se muestra a continuación:

Granulométria por Hidrómetro

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

0.001 0.010 0.100

Diametro de la partícula (mm)

% m

ás fi

no

Muestra1 Muestra2 Figura 10. Determinación de la Granulometría del Suelo en Estudio.


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Si las partículas de arcilla son aquellas de diámetro inferior a 2 µm, entonces el porcentaje de arcilla del suelo se obtiene de la Figura 10 y es el que se muestra en la Tabla 14.

Tabla 14. Determinación del Porcentaje de Arcilla del Suelo en Estudio.

Muestra % Arcilla1 20.0%2 20.0%

Porcentaje de Arcilla 20.0%

Después de realizar el análisis granulométrico, se efectuó a la muestra un lavado sobre el tamiz 200 y se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 14.

Tabla 15. Determinación del Porcentaje Retenido en el Tamiz No. 200 del Suelo en Estudio.

Muestra Peso Inicial Peso Final % Retenido1 50.00 14.94 29.882 50.00 13.11 26.22

28.05% Retenido 2.3.3.6 Permeabilidad Como se menciono anteriormente, para poder realizar el ensayo de permeabilidad fue necesario determinar la densidad del suelo y de esta manera conocer la cantidad precisa de material para conservar las características originales de la muestra. La Tabla 16 resume el proceso descrito en el procedimiento.

Tabla 16. Determinación de la Densidad del Suelo en Estudio.

Peso Volumen Densidadgr cm3 gr/cm3

Parafina 13.58 13.86 0.98Suelo + Parafina 133.93 76.00 1.76Suelo 120.35 62.14 1.94

Material

La densidad de la parafina es un valor conocido. El peso del suelo, del suelo con parafina y el volumen de éste último, fueron medidos en el laboratorio. El peso de la parafina se obtuvo de la diferencia entre el peso del suelo con parafina y el del suelo y el volumen del suelo de la diferencia entre el volumen del suelo con parafina y el de la parafina. El resto de valores (volumen de la parafina y densidades del suelo con parafina y del suelo) fueron calculados por medio de la ecuación 25.

VolumenPesoDensidad = (25)

Teniendo la densidad del suelo y las dimensiones del molde se obtuvo el volumen del mismo y el peso necesario de suelo así:


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H = 11.65 cm V = 935.23 cm3

D = 10.11 cm W = 1811.23 gr Para la determinación de la permeabilidad de la muestra de suelo se utilizó una cabeza hidráulica (L) de 1000 cm, obteniendo los siguientes resultados (Ver Tabla 17):

Tabla 17. Determinación de la Permeabilidad del Suelo en Estudio.

Punto t (s) V (ml) ∆V (ml) Mw (g) i v (cm/s) k (cm/s)1 1200 5.2 5.2 5.2 85.84 5.40E-05 6.3E-072 1200 10.5 5.3 5.3 85.84 5.50E-05 6.4E-073 1200 17.4 6.9 6.9 85.84 7.16E-05 8.3E-074 1200 22.5 5.1 5.1 85.84 5.29E-05 6.2E-07

5.44E-07Permeabilidad 2.3.4 Clasificación del Suelo Después de la realización y análisis de los diferentes ensayos descritos anteriormente, el suelo en estudio presenta las siguientes características:

Humedad Natural 24.55 % Gravedad Específica 2.57Límite Líquido 24.08 % Porcentaje Rentenido 28.05 %Límite Plástico 13.91 % Porcentaje de Arcilla 20.00 %Índice Plástico 10.16 % Densidad 1.94 gr/cm3

Contenido de MO 2.52 % Permeabilidad 5.44E-07 cm/s En base al sistema de clasificación unificado (ASTM D 2487-69) el suelo se analiza así:

Figura 11. Carta de Plasticidad.

Tomado de Bardet, 1997.


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• Más del 50% pasa por el tamiz No. 200 (71.95%), se clasifica como un suelo de

granos finos. • El límite líquido es inferior a 50% (24.08%), se clasifica como un limo o arcilla de

baja plasticidad. • Con el límite líquido (24.08%) y el índice plástico (10.16%) en la carta de

plasticidad (Ver Figura 11) se clasifica como CL (Arcillas inorgánicas de plasticidad baja a media, arcillas gravosas, arenosas ò limosas, suelos sin mucha arcilla).

Otros parámetros del suelo que pueden conocerse a partir de los obtenidos en el laboratorio son: la actividad de la arcilla (A), la relación de vacíos (e), la porosidad (n), el grado de saturación (S), entre otros.

51.02016.10

%===

ArcillaIP

A (26)

( ) ( ) 65.0194.11

245.0157.211 =−+=−+=ρ

ρWS wGe (27)

%53.3939.065.01

65.01

==+

=+

=e

en (28)

%58.9696.065.0

57.2245.0==

×=

×=

eGw

S S (29)

Es necesario tener en cuenta que el suelo caracterizado es una mezcla de arcilla pura con recebo, esto se debe a que la muestra recolectada se encontraba bajo una estación de servicio, por ende se encontraban residuos de la “cimentación” de la estación. Por otra parte, el valor de permeabilidad obtenido pudo verse afectado, ya que el ensayo se realizó en un molde de pared rígida lo cual propicia que el agua fluya más rápido en las paredes, sin embargo con un valor de permeabilidad en el rango de 10-7, la muestra se clasifica también como un limo por lo que podría decirse que el suelo es una arcilla limosa. Además, la obtención del límite líquido y el límite plástico es un procedimiento muy rudimentario y subjetivo, ya que los parámetros que determinan estas humedades no son fácilmente determinables y están expuestos a la influencia de diversas variables ambientales como la temperatura. 2.4 CARACTERIZACIÓN DEL CONTAMINANTE La caracterización del contaminante presente en la muestra de suelo se realizó mediante cromatografía gaseosa, metodología documentada y realizada en base a las normas de la U.S. Environmental Protection Agency.


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2.4.1 Marco Teórico La cromatografía gaseosa (GC) es una técnica de separación de compuestos orgánicos que pueden ser volatilizados sin ser descompuestos o transformados químicamente. Todos los procesos cromatográficos logran la separación haciendo pasar una fase móvil sobre una fase estacionaria. Los compuestos de una mezcla se separan, ya que éstos se dividen de manera diferente entre la fase móvil y la estacionaria; además, tienen diferentes tiempos de retención. En la GC, la fase móvil es un gas inerte (helio) y la fase estacionaria generalmente esta compuesta de siloxanos o un material similar, dependiendo de la aplicación. Antes de cualquier análisis cromatográfico, es necesario realizar una calibración al equipo; ésta relaciona la respuesta del instrumento (área) y la cantidad o concentración del analito (compuesto de interés) introducido en el instrumento (Ver Anexo 3). La representación gráfica de esta relación es la curva de calibración. La curva de calibración se realiza analizando bajo las mismas condiciones cromatográficas los estándares o patrones de calibración en diferentes concentraciones, para obtener de esta manera la regresión lineal que muestra el comportamiento del detector (Ver Anexo 3). El cálculo de los resultados de la muestra depende del tipo de calibración y el modelo de calibración utilizado. La concentración de cada analito en la muestra es determinada comparando la respuesta del detector (área o altura del pico) obtenida durante el análisis de la muestra y la obtenida durante la calibración. Los métodos cromatográficos permiten el uso de calibración interna y externa y el de modelos lineales y no lineales para la calibración de los datos. En cuanto a los métodos de inyección están el de purga y trampa, headspace, inyección directa y destilación al vacío. En este caso específico se utilizó una calibración externa lineal por medio de una regresión de mínimos cuadrados y como método de inyección headspace. El método headspace es usado principalmente para determinar compuestos orgánicos que tienen suficientemente alta volatilidad para ser efectivamente removidos de muestras de suelo. 2.4.1.1 Hidrocarburos totales de petróleo (TPH) Según la Tesis de Echevarria, los TPH hacen referencia y describen una familia de cientos de compuestos químicos que originalmente provienen del petróleo crudo. Debido a que no representa una aproximación a la concentración individual de sus componentes, cualquier valor de TPH es representativo de una mezcla de agentes químicos, es un indicador práctico y general, el cual define principalmente la contaminación con compuestos de petróleo; en este caso específico, la presencia o no de gasolina en el suelo en estudio. El valor de TPH, se puede dar en dos rangos dependiendo del número de carbonos presentes en las cadenas de hidrocarburos: TPH DRO (rango orgánico diesel, detección de 10 a 28 carbonos) y TPH GRO (rango orgánico de gasolina, detección de 6 a 10 carbonos). Para el análisis de la fracción alifática de los hidrocarburos totales del petróleo, se utiliza el método 8015 (GC/FID) de la EPA.


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El método determina la concentración de varios compuestos orgánicos volátiles y semivolátiles no halogenados, usando un programa de temperaturas para separar los compuestos orgánicos; la detección se realiza por medio de un detector de ionización de llama (FID) ó un detector selectivo de masas (MSD). Además sirve para el análisis de los TPH, incluyendo GRO y DRO. Los GRO cubren puntos de ebullición de 60 °C a 170 °C y para definir su rango de tiempo de retención, se usan dos componentes específicos de la gasolina, el 2-metilpentano y el 1,2,4-trimetilbenceno. 2.4.1.2 Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX) Según la Tesis de Echevarria, los BTEX son los hidrocarburos aromáticos más comunes que se encuentran en la gasolina, los cuales ocupan del 20 al 50% del volumen total. Para el análisis de la fracción aromática de los hidrocarburos totales del petróleo, se utiliza el método 8021 (GC/PID) de la EPA. El método determina la concentración de los compuestos orgánicos volátiles aromáticos, usando un programa de temperaturas para separar los compuestos orgánicos; la detección se realiza por medio de un detector foto-ionizador (PID) ó un detector selectivo de masas (MSD). 2.4.2 Procedimiento Equipo

Figura 12. Cromatógrafo de Gases Acoplado a un Detector Selectivo de Masas.


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Dentro del equipo utilizado se encuentra, una plancha de calentamiento, una balanza con sensibilidad de ± 0.0001 gr, pipetas (2-20 µl y 10-100 µl), viales, un dispositivo de microextracción en fase sólida, una fibra SPME Carboxen-PDMS 75 µm, un cromatógrafo de gases HP-6890 con los accesorios necesarios, incluyendo un detector MSD y una columna SPB-624 (60mx0.32mm-1.8µm) como se muestra en la Figura 12. También se utilizaron reactivos como el metanol grado cromatográfico y un estándar. Procedimiento El primer paso es establecer las condiciones iniciales del equipo:

Velocidad del Gas de arrastre: 0.9 ml/min Temperatura Inicial: 45 °C durante 5 min Programa de Temperatura: 45 °C hasta 230 °C a 3 °C/min Temperatura del inyector: 250 °C M odo de iny ección: Sp lit less (Sin divis ión) T emp erat ura del M SD: 280 °C

Posteriormente, se realiza la calibración externa del equipo por medio de la preparación y análisis de los estándares de calibración, los cuales contienen los analitos en tres concentraciones diferentes, cubriendo el rango de trabajo del instrumento. Una vez realizada la calibración, se evalúa su linealidad, se ajusta la ventana de tiempos de retención y finalmente se verifica la calibración. Previa calibración del equipo, se toma el vial, se pesan 30 gr del suelo en estudio (recolectado en campo días antes) y se sella. Posteriormente se coloca el vial en un baño de aceite a 85 °C, se deja equilibrar durante 20 min, se perfora el septum (caucho) del vial y se expone la fibra durante 10 min (Ver Figura 13). Una fracción representativa del headspace se atrapa en la fibra y se expone (durante 10 min) en el GC a través de una línea de transferencia caliente; en otras palabras, los compuestos volátiles se introducen en el cromatógrafo gaseoso usando el método headspace. Finalmente se efectúa el análisis cromatográfico de la muestra; teniendo en cuenta los tamaños de los picos resultantes (área o altura) el equipo realiza la identificación de los compuestos y calcula la concentración de cada uno de ellos.

Figura 13. Preparación de la Muestra de Suelo en Estudio para ser Introducida en el Cromatógrafo.


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2.4.2.1 Hidrocarburos totales de petróleo (TPH) Para la calibración inicial externa del equipo se utilizó como estándar, gasolina. 2.4.2.2 Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX) Para la calibración inicial externa del equipo se utilizó un estándar 2000 ppm 502/524 Volatile Organic Calibration Mix ref. 5-0211 SUPELCO. 2.4.3 Datos y Resultados Como se menciono anteriormente, para poder realizar el ensayo es necesario efectuar la calibración del equipo, con esto se obtuvo los niveles mínimos de detección (NMD) de este, es decir los niveles mínimos de cada compuesto que el aparato puede registrar (Ver Anexo 3). Después de la realización y análisis de la GC descrita anteriormente, el suelo en estudio presenta (Ver Anexo 1) el siguiente cromatograma con diferentes compuestos (Hidrocarburos totales de petróleo (TPH) y Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX)) a las respectivas concentraciones (Ver Figura 14 y Tabla 18):

5.00 10.00

15.00 20.00 25.00 30.0 0

35.00 40.00

45.00 50.00

55.00 60.00 65.00

Figura 14. Cromatograma de la Muestra Inicial del Suelo en Estudio.

Tabla 18. Compuestos Presentes en la Muestra Inicial del Suelo en Estudio.

Compuesto mg/KgTolueno 3.03Etilbenceno 0.12M+p-Xileno 13.92o-Xileno 0.87n-Propilbenceno 0.261,2,3-Trimetilbenceno 0.121,3,5-Trimetilbenceno 5.02Naftaleno 0.13TOTAL VOCs 23.47TPH-GRO 56.24


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2.4.4 Clasificación del Contaminante

Tabla 19. Máxima Concentración Permitida en un Suelo Contaminado.

CARACTERÍSTICAS Arcillo - LimosoBenceno = 0.5Tolueno = 0.5

Etil-benceno= 1Xileno= 1

Máxima concentración permitida gasolina (HTP - ppm) 1

Máxima concentración permitida (BTEX - ppm)

Tomado de Uribe, 1997.

La normatividad en Colombia (Resolución 1170 del DAMA) en cuanto a la contaminación con hidrocarburos de los suelos arcillo limosos, utiliza los estándares mostrados anteriormente en la Tabla 19 para un impacto medio. Comparando estos valores con los encontrados en la muestra inicial de suelo, se puede ver que el suelo en estudio presento un alto grado de contaminación específicamente con gasolina (56.24 ppm) (Ver Tabla 20).

Tabla 20. Comparación entre las Concentraciones Permitidas y las Encontradas en la Muestra Inicial.

CARACTERÍSTICAS Arcillo - Limoso Muestra InicialBenceno = 0.5 Benceno = 5.4Tolueno = 0.5 Tolueno = 3.03

Etil-benceno= 1 Etil-benceno= 0.12Xileno= 1 Xileno= 14.79

Concentración gasolina (HTP - ppm) 1 56.24

Concentración (BTEX - ppm)

Donde para el benceno se tomaron en cuenta el n-Propilbenceno, 1,2,3-Trimetilbenceno y 1,3,5-Trimetilbenceno y para el xileno el M+p-Xileno y o-Xileno.


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3. MODELO DE REMEDIACIÓN

3.1 INTRODUCCIÓN

La implementación de un proyecto de remediación seguro y exitoso requiere una investigación detallada del sitio y un análisis riguroso utilizando, por ejemplo, prototipos a escala para evaluar las suposiciones a ser usadas en el diseño del sistema de remediación y determinar con precisión la respuesta del sistema. En este proyecto se utilizo un modelo físico experimental a escala diseñado y construido para evaluar la eficiencia de la remediación de suelos y acuíferos contaminados con gasolina; con la versatilidad de simular derrames y aplicar algunas técnicas de remediación en un ambiente y tiempo controlados. El mecanismo de remediación utilizado fue el de ‘Extracción de Vapores del Suelo’ (EVS o SVE). El presente capitulo toma como referencia principal el trabajo realizado por la ingeniera Maria Angélica Echevarria, el cual se encuentra documentado su tesis “Modelo de Remediación de Subsuelos Contaminados con Gasolina”, si desea profundizar en el tema refiérase a éste.

3.2 MÉTODO DE REMEDIACIÓN 3.2.1 S istema de Extracción de Vapores del Suelo La extracción de vapores del suelo ó soil vapor extration (EVS ó SVE) es un sistema de remediación que se utiliza para remover compuestos orgánicos de la zona no saturada (vadosa) de la matriz de suelo. El proceso de SVE consiste en crear una corriente de succión en el suelo para transferir los contaminantes en fase de vapor presentes en el suelo hacia la corriente de succión (Echevarría, 2005). El proceso incluye un sistema para el manejo de gases, lo anterior para recuperar o destruir los contaminantes (Ver Figura 15). El sistema SVE se implementa instalando pozos de extracción de vapor en la zona contaminada, los cuales inducen el movimiento de los gases en el suelo, por medio de succión. Pozos de extracción verticales se utilizan a profundidades mayores a 1.5 m (5 ft) y han tenido éxito a profundidades hasta de 91 m (300 ft). Los pozos de extracción horizontales pueden ser usados según lo permita la geometría de la zona contaminada u otras características específicas del sitio.


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Existen dos tipos de SVE el ex situ y el in situ, el primero de estos goza de varias ventajas sobre su contraparte. Primero, el proceso de excavación forma un mayor número de canales a través de los cuales el aire limpio puede fluir; en segundo lugar, niveles freáticos poco profundos no limitan el proceso del tratamiento; tercero, la recolección de lechada es posible y finalmente, el proceso del tratamiento se puede monitorear más fácilmente y de manera constante. Por otra parte, el SVE in situ minimiza la perturbación del sitio, los costos de excavación y de disposición, se elimina la posibilidad de contaminar otro sitio por disposición de los suelos excavados, no requiere reactivos y se utilizan equipos, mano de obra y materiales convencionales (Echevarría, 2005).

Figura 15. Diagrama Esquemático del Soil Vapor Extration.

Tomado de Remediation Technologies. 3.2.1.1 Aplicabilidad La tecnología es mucho más eficaz en suelos granulares con bajo contenido de arcilla y se utiliza para el tratamiento de compuestos orgánicos volátiles. El SVE ex situ remedia principalmente suelos contaminados con VOCs halogenados y no halogenados y el in situ pesticidas además de VOCs.


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3.2.1.2 Costo El tratamiento por SVE tiene un costo de $20/$30 a $60 por yarda cúbica, in situ y ex situ, respectivamente. El rango estimado de costo incluye, para la implementación del SVE, los siguientes artículos o ítems con mayor valor (Ver Tabla 21):

Tabla 21. Comparación entre el SVE In y Ex Situ (Costo).

Actividades/Items In Situ Ex SituPretratamiento Screening para la remoción de escombros

Instalación de la bomba y del pozo de extracción Instalación de los sistemas de base y ventilaciónInstalación del sistema de tratamiento de gases Instalación del sistema de tratamiento de gasesInstalación del punto de monitoreo Instalación de la bomba

Excavación del sueloLabores de operación y mantenimiento Labores de operación y mantenimientoUtilidades UtilidadesSupervisión del sitio Super visión del sitioMuestreo y análisis para el control del proceso Muestreo y análisis para el control del proceso

Manejo de Residuos Tratamiento de gases Tratamiento de gases

Costos Fijos

Costos Variables

3.2.1.3 Duración La remediación total de un sitio utilizando la tecnología SVE tiene una duración de 6 a 12 meses y de 4 a 6 meses de operación y mantenimiento, in situ y ex situ, respectivamente; sin embargo, este rango de tiempo depende de las metas de limpieza propuestas, además de otras condiciones (Ver Tabla 22).

Tabla 22. Comparación entre el SVE In y Ex Situ (Duración y Limitaciones).

Ex Situ In SituVolumen de suelo in situ que r equiere tr atamiento

Tasa de procesamiento y volumen de suelo a tratar Concentración y distribución del contaminanteConcentración y volatilidad de los VOCs en el suelo excavado

Caracter ísticas del sitio incluyendo permeabilidad y anisotropía

Características del suelo incluyendo la distribución del tamaño de la partícula y la porosidad

Volatilidad y solubilidad del contaminante y caracter ísticas de sorciónCapacidad de extr acción de aireLa heterogeneidad puede interferir con la distribución uniforme del flujo de air e

Una gran cantidad de espacio es requerido Suelos de baja permeabilidad son difíciles de tr atarEmisiones de aire pueden ocurrir durante la excavación y el manejo de materiales

La presencia del nivel fr eático puede reducir el funcionamiento del SVE

Suelos con alto contenido de arcilla o materia orgánica inhiben la volatilización

Suelos con alto contenido de arcilla o materia orgánica o extremadamente secos tienen una alta capacidad de sorción de VOCs, lo cual resulta en la reducción de las tasas de remociónLas emisiones de aire pueden requer ir tratamientoEl SVE no es efectivo en la zona saturada; sin embargo, bajar el nivel freático puede dejar expuesta más matr iz para tratar con SVE

Duración

Límitaciones

3.2.1.4 Limitaciones La principal desventaja del sistema SVE se presenta en la remediación de suelos con baja permeabilidad donde los contaminantes tengan baja presión de vapor. Otros


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factores que pueden limitar la aplicabilidad y la eficacia del proceso se encuentran en la Tabla 22. 3.2.2 Modelo del S istema de Extracción de Vapores del Suelo El modelo de remediación a escala utilizado, fue diseñado y construido por la ingeniera Maria Angélica Echevarria para evaluar la eficiencia de la remediación de suelos y acuíferos contaminados con gasolina. Este modelo es un reactor donde ocurren procesos físicos, químicos y biológicos, entre los que se encuentra un componente de atenuación natural debido a la biodegradación de la gasolina y los parámetros directamente relacionados con la atenuación del contaminante debido a la remediación impuesta. 3.2.2.1 Modelo Físico El equipo para la simulación de un acuífero en 2D utilizado en este experimento se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Equipo de Simulación de la Remediación de un Acuífero en 2D.

ACUIFERO El tanque esta hecho con láminas de vidrio de calibre 5 mm, unidas con silicona epóxica, además de ángulos de aluminio para añadirle resistencia. Las dimensiones del tanque son 100 cm de largo, 70 cm de alto y 15 cm de ancho.


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El interior del tanque esta dividido en tres compartimientos, como se muestra en la Figura 17; una cámara de suelo (V2) de 70 cm de largo, la cual contiene el escenario de remediación, centrada en el tanque y confinada por dos depósitos de agua “subterránea” (V1 y V3), cada uno de 15 cm de longitud. El depósito V1 opera como almacenamiento y recarga de agua para el sistema y equivale a la parte más alta del diferencial de cabeza del acuífero. El depósito V3 permite el flujo de agua entre V2 y el exterior.

Figura 17. Tanque para la Simulación de un Acuífero.

Los depósitos de agua se encuentran separados de la cámara central por una lámina acrílica perforada, para permitir libremente la entrada y salida de agua al y del compartimiento de suelo evitando que partículas de suelo entren a los depósitos de agua. SISTEMA DE EXTRACCIÓN DE VAPORES

Figura 18. Sistema de Extracción de Vapores para la Simulación de la Remediación de un Acuífero.


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El sistema de extracción de vapores (Ver Figura 18) está compuesto por un pozo y una bomba de extracción de aire. La bomba es una ‘unidad de enfriamiento’ utilizada en el ensamble de neveras, ésta se encuentra unida al pozo por medio de una manguera con conexiones herméticas en las uniones (bomba-manguera, manguera-pozo). El pozo es un tubo de aluminio (d = 3/8”) perforado, éste tiene incorporado un sistema de aislamiento hecho en material de algodón sintético (huata) que evita la intrusión de partículas finas de suelo al pozo y su paso hacia la bomba. 3.2.2.2 Materiales SUELO El suelo utilizado en el modelo fue una arcilla inorgánica de plasticidad baja a media, la cual se encuentra caracterizada y descrita en el capitulo anterior (Ver Figura 2). Sin embargo, bajo las condiciones de la prueba, algunos parámetros importantes del suelo (la porosidad y la permeabilidad) cambiaron; para conocerlos fue necesario determinar la densidad a la que éste se encontraba en el modelo físico. Determinada la densidad, se calcula la relación de vacíos y con esta la porosidad, además se obtiene la cantidad precisa de material para simular en el permeámetro (molde) las características de la muestra (Ver Tabla 23).

Tabla 23. Determinación del Peso del Suelo en Estudio.

Peso Volumen Densidadgr cm3 gr/cm3

Modelo 91598.73 49500.00 1.85Molde 1730.62 935.23 1.85

Equipo

El volumen del molde y del modelo son valores conocidos por cálculos previos y datos suministrados, respectivamente. El peso del suelo en el modelo, fue medido en el laboratorio. La densidad del suelo en el modelo es igual a la del suelo en el molde y fue calculada por medio de la ecuación 25. Teniendo la densidad y el volumen del suelo del molde se obtuvo el peso del mismo.

Tabla 24. Determinación de la Permeabilidad del Suelo en Estudio en el Modelo.

Punto t (s) V (ml) Mw (g) i v (cm/s) k (cm/s)1 1200 8.2 8.2 14.33 8.51E-05 5.9E-062 1200 16.3 16.3 14.33 1.69E-04 1.2E-053 1200 24.6 24.6 14.33 2.55E-04 1.8E-054 1200 32.6 32.6 14.33 3.38E-04 2.4E-05

1.18E-05Permeabilidad Para la determinación de la permeabilidad (Ver Tabla 24) se utilizó una cabeza hidráulica (L) de 1000 cm y el mismo molde del ensayo anterior, por consiguiente los cálculos realizados tienen como base las dimensiones equivalentes (diámetro y altura).


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Para la determinación de la porosidad, como se dijo anteriormente, fue necesario calcular primero la relación de vacíos, tomando los mismos valores de gravedad específica (2.57), humedad natural (24.55%) y densidad del agua (1 gr/cm3), como se muestra a continuación:

( ) ( ) 73.0185.11

245.0157.211 =−+=−+=ρ

ρWS wGe (30)

%22.4242.073.01

73.01

==+

=+

=e

en (31)

La permeabilidad, la relación de vacíos y por consiguiente la porosidad del suelo original son mucho menores a las del suelo en el modelo físico, estos parámetros varían de 5.4x10-7 a 1.2x10-5, de 0.65 a 0.73 y de 39.53 a 42.22%, respectivamente; por el contrario la densidad es mayor, esta varía de 1.94 gr/cm3 a 1.85 gr/cm3. CONTAMINANTE Para la investigación fue utilizada gasolina, compuesto hidrocarburo de baja densidad (LNAPL), su caracterización específica se encuentra descrita en el capitulo anterior (Ver Anexo 1). La gasolina corriente, tiene una constante de la ley de Henry que varia entre 1.8x10-4 y 3.3, una densidad entre 0.72 y 0.78 g/cm3, una presión de vapor entre 55 y 100 KPa aproximadamente, todas a 20 °C y una gravedad específica en vapor 3 ó 4 veces la del aire. 3.2.2.3 Montaje La arcilla contaminada con gasolina, en ausencia de agua freática, fue colocada a través de la parte superior del equipo hasta completar 33 cm de altura, la masa y volumen de suelo colocado fueron registrados para calcular su densidad. Después de que el suelo fue puesto en su lugar, el pozo de EVS fue introducido en el centro de la matriz listo para comenzar la extracción de aire. El procedimiento experimental se llevo a cabo por medio de ciclos de extracción de vapor, diariamente la bomba succionaba los vapores generados de 9 a 11 de la mañana y de 12 del día a 2 de la tarde; la remediación se realizó durante 30 días, incluyendo fines de semana. Al inicio y al final del periodo de remediación se realizó una prueba de cromatografía para determinar el estado de contaminación en el que encontraba el suelo; el punto de muestreo en ambas ocasiones se encontraba directamente bajo el pozo de extracción. El funcionamiento de la bomba fue garantizado por medio de la implementación de un temporizador, éste programado para la ejecución de los dos ciclos, teniendo en cuenta además que la bomba debía tomar un descanso (1 hora), para evitar su deterioro y recibir mantenimiento, ya que consume 1 L de aceite al mes para su óptimo funcionamiento.


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3.2.3 Resultados Después de realizar la simulación de un escenario de remediación en la zona no saturada, en ausencia de aguas freáticas; donde el escenario se opera bajo ciertas condiciones, un contaminante ligero como lo es la gasolina, en una matriz conformada por un material arcilloso de media a baja plasticidad, y empleando equipos (bomba de extracción) durante tiempos equivalentes (2 ciclos de 2 horas diarias durante 30 días), al finalizar el ciclo de remediación se obtuvo (Ver Anexo 2) el siguiente cromatograma con diferentes compuestos (Hidrocarburos totales de petróleo (TPH) y Compuestos orgánicos volátiles aromáticos (BTEX)) a las respectivas concentraciones (Ver Figura 19 y Tabla 25):

5 .00 10.00 15.00 20.00 2 5.00 30.00 35.0 0 40.00 45.00 50 .00 55.00 60.00 65.00

B

Figura 19. Cromatograma de la Muestra Final del Suelo en Estudio.

Tabla 25. Compuestos Presentes en la Muestra Final del Suelo en Estudio.

Compuesto mg/KgTolueno N.D.Etilbenceno N.D.M+p-Xileno N.D.o-Xileno N.D.n-Propilbenceno N.D.1,2,3-Trimetilbenceno N.D.1,3,5-Trimetilbenceno N.D.Naftaleno 0.10TOTAL VOCs 0.10TPH-GRO 1.25

Donde el termino N.D. quiere decir que la concentración de ese compuesto no se puede determinar ya que se encuentra bajo el nivel mínimo de detección del equipo. Se observa que el único compuesto que persiste (es detectable por el equipo) en la muestra de suelo es el naftaleno. Comparando los valores máximos permitidos de concentración con los encontrados en la muestra final de suelo, se puede ver que el suelo en estudio presento un bajo grado de contaminación con gasolina (1.25 ppm) (Ver Tabla 26).


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Tabla 26. Comparación entre las Concentraciones Permitidas y las Encontradas en la Muestra Final.

CARACTERÍSTICAS Arcillo - Limoso Muestra FinalBenceno = 0.5 Benceno = 0.003Tolueno = 0.5 Tolueno = 0.005

Etil-benceno= 1 Etil-benceno= 0.005Xileno= 1 Xileno= 0.01

Concentración gasolina (HTP - ppm) 1 1.25

Concentración (BTEX - ppm)

Teniendo los valores de la muestra inicial (día 0) y la final (día 30) se puede obtener el porcentaje de descontaminación que sufrió el suelo en estudio durante el ciclo de remediación como se muestra a continuación (Ver Tabla 27). Es necesario tener en cuenta que ambas muestras fueron tomadas bajo el pozo de extracción a la misma altura, por lo cual ambas muestras se consideran equivalentes.

Tabla 27. Porcentaje de Descontaminación del Suelo en Estudio.

Compuesto No1 No2 NMD % DescontaminacionTolueno 3.03 N.D. 0.005 99.83%Etilbenceno 0.12 N.D. 0.005 95.83%M+p-Xileno 13.92 N.D. 0.005 99.96%o-Xileno 0.87 N.D. 0.005 99.43%n-Propilbenceno 0.26 N.D. 0.001 99.62%1,2,3-Trimetilbenceno 0.12 N.D. 0.001 99.17%1,3,5-Trimetilbenceno 5.02 N.D. 0.001 99.98%Naftaleno 0.13 0.1 0.001 23.08%TOTAL VOCs 23.47 0.1 99.57%TPH-GRO 56.24 1.25 97.78%

N.D. (No Detectable)NMD (Niveles Mínimos de Detección)

El porcentaje de descontaminación se obtiene dividiendo el delta de concentración (concentración inicial - final) entre la concentración inicial, como la concentración final de la mayoría de los compuestos no fue detectada, se sacó el porcentaje con la concentración final máxima posible es decir el NMD. La remediación del suelo puede decirse que fue un éxito ya que el benceno, tolueno y xileno tuvieron una descontaminación superior al 99% y el etilbenceno al 95%. El único compuesto que tuvo un bajo porcentaje, fue el naftaleno ya que este es menos volátil por lo tanto más difícil de remediar, este aunque no presentaba en la muestra inicial concentraciones altas de hidrocarburos aromáticos policíclicos, en la segunda muestra no se vio una gran diferencia. El xileno y el benceno eran los compuestos orgánicos dominantes, las características químicas del benceno, tales como su alta volatilidad, facilitaron su remoción; esto sugiere que el tipo de contaminante afecta la eficacia del SVE.


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Por medio de los cromatogramas es más fácil identificar el nivel de remediación como se muestra en la Figura 20, donde A es la Muestra No.1 ó inicial y B es la No. 2 ó final.

5 .00 10.00 15.00 20.00 2 5.00 30.00 35.0 0 40.00 45.00 50 .00 55.00 60.00 65.00

B5 .00 10.00 15.00 20.00 2 5.00 30.00 35.0 0 40.00 45.00 50 .00 55.00 60.00 65.00

A

Figura 20. Comparación de los Cromatogramas Inicial y Final.


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4. CONCLUSIONES

La implementación de un proyecto de remediación seguro y exitoso requiere una investigación detallada del sitio y un análisis riguroso, como se menciono anteriormente, utilizando por ejemplo prototipos a escala; esto principalmente se deba a que el monitoreo y la remediación de sitios contaminados generan grandes costos tanto a nivel económico como en tiempo. La infraestructura petrolera consta de pozos, baterías de separación, complejos procesadores de gas, centrales de almacenamiento y bombeo, una red densa de ductos (transportadora por mar y tierra de grandes cantidades) y presas para el confinamiento de desechos sólidos y líquidos procedentes de la perforación y mantenimiento de los pozos. Estas instalaciones poseen riesgos inherentes de fugas de petróleo, diesel y gasolina por roturas de ductos, por filtración de aguas aceitosas desde las presas y por los derrames del agua aceitosa de las presas por las inundaciones durante el periodo de lluvias. Es por esto que la industria petrolera en su conjunto ha tenido un gran impacto negativo en materia ambiental, además por que el petróleo da origen a una gran gama de productos químicos, es el combustible más importante en la sociedad contemporánea y la fuente de energía predominante. Los componentes livianos (más volátiles) de los productos del petróleo como lo son los encontrados en la gasolina, LNAPLs (light non-aqueous phase liquids), se clasifican por su densidad con respecto al agua. Estos son menos densos que el agua y muestran las mayores ratas de recuperación, ya que se transfieren más fácilmente a la fase gaseosa; contrario a lo que sucede con los compuestos pesados que se degradan a una tasa más baja y crean un lazo con las partículas del suelo, haciéndolas más difícil de tratar. La presencia de materiales arcillosos y húmicos (en este caso, 20% y 2.52% respectivamente) tienden a retener contaminantes por sorción y son a menudo difíciles de tratar por este método (SVE), ya que este tipo de suelos tienen una alta capacidad de adsorción de los compuestos orgánicos volátiles (VOCs), lo cual da lugar a la reducción de las tasas de remoción. Las condiciones de sitio que favorecen el tratamiento son los suelos de materiales homogéneos con granos relativamente gruesos (alta permeabilidad) y sobreconsolidados, los cuales favorecen el “contacto efectivo” entre el aire y el medio a tratar. Granos finos o suelos de baja permeabilidad limitan la migración de aire, es decir limitan la efectividad de su distribución y la recuperación de vapor; además de las limitantes por la heterogeneidad, debida a las variaciones litológicas o fracturas. En conclusión, las características más favorables para la remediación son suelos con fracción orgánica de carbono menor al 2% y permeabilidad mayor a 10-3 cm/s; los


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contaminantes deben tener una constante de la ley de Henry mayor a 10-5 atm-m3/mol (para su volatilización) y tener una presión de vapor mayor a 1 mmHg. En el trabajo realizado anteriormente “Remediación de Suelos Contaminados con Hidrocarburos” se ejecuto una investigación detallada sobre el método de remediación air sparging (AS); en este proyecto se utilizó el sistema SVE como alternativa de remediación y no el AS ya que usualmente este último es utilizado en suelos con presencia de agua. Es necesario tener en cuenta que el SVE, puede ser utilizado de manera individual (como se realizó en este caso) o como complemento de otra tecnología como lo es el air sparging (AS); además, de que después de que el aire contaminado es extraído por el SVE, debe ser tratado usando métodos de purificación del aire, tales como filtros de carbón y/o combustión, entonces el aire limpio puede ser librado a la atmósfera. Dos procesos de transformación son los que principalmente controlan la eficacia del SVE, la volatilización y la biodegradación; estos procesos están relacionados y son controlados por factores similares. En la volatilización, los contaminantes se evaporan al contacto directo con el aire, mientras que en la biodegradación, los contaminantes son transformados en productos inofensivos debido a la actividad microbiana. La biodegradación es una manera eficaz de tratar los hidrocarburos contaminantes del combustible; sin embargo, en la mayoría de los sitios donde se presentan derrames de hidrocarburos, el oxígeno es el principal factor limitante de las tasas de biodegradación. La extracción de vapor remueve una cantidad relativamente grande de contaminantes volátiles durante las primeras fases de remediación. Cuando los contaminantes que se encuentran en la fase gaseosa y los que fueron fácilmente volatilizados han sido removidos, la tasa de remoción de vapor decrece y la tasa de biodegradación aumenta, llegando a ser este un factor dominante en las últimas fases de remediación. Algunas variaciones implementadas al sistema básico SVE para aumentar la volatilización y/o estimular la biodegradación pueden ser, el calentamiento del suelo, la inyección de vapor y la adición de nutrientes (en fase gaseosa), además de la variación de la geometría de los pozos de extracción, la combinación de pozos verticales y horizontales. Es necesario aclarar y tener en cuenta que el presente caso de estudio es la remediación de un suelo contaminado más no la de un derrame, ya que esta ultima tendría en cuenta muchos más factores como lo son el movimiento del mismo.


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SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ IX

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SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ X

[13] URIBE EDUARDO. Resolución 1170 de 1997 Departamento Administrativo de Medio Ambiente. Bogotá, 1997. http://calsegen01.alcaldiabogota.gov.co:7772/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=976

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Services. Naval Facilities Engineering Services Center. http://enviro.nfesc.navy.mil/erb/restoration/technologies/remed/main.htm


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SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ XI

ANEXO 1

Resultados y cromatograma y de la muestra No. 1 ó inicial.

No. Pico mg/Kg

1 3.032 0.123 13.924 0.875 0.266 0.127 5.028 0.13

23.4756.24

RESULTADOS ANÁLISIS DE LABORATORIO

INFORMACIÓN SOBRE LA MUESTRA

CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL – C.I.I.A.

No._0904_

UNIVERSIDAD DE LOS ANDESFACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

ppm : mg/Kg

TOTAL VOCsTPH-GRO

ENVIADA POR Sandra Calderón FECHA DE TOMA 25 de Julio de 2005

CLASE DE MUESTRA Suelo

SITIO DE TOMA Muestra No.1

ANÁLISIS BTEXs /TPH-GRO

OBSERVACIONES Muestra puesta en el Laboratorio de ambiental de la Universidad de los Andes. Se anexa cromatograma.

HORA DE TOMA No disponible

FECHA DE RECIBO 25 de Julio de 2005

EQUIPO HP690/MSD

CompuestoToluenoEtilbencenoM+p-Xilenoo-Xilenon-Propilbenceno1,2,3-Trimetilbenceno1,3,5-TrimetilbencenoNaftaleno


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SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ XII

Alix Patricia Jaimes Química Analista


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SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ XIII

ANEXO 2

Resultados y cromatograma de la muestra No. 2 ó final.

No. Pico mg/Kg

1 N.D.2 N.D.3 N.D.4 N.D.5 N.D.6 N.D.7 N.D.8 0.10

0.101.25TPH-GRO

1,3,5-TrimetilbencenoNaftaleno

TOTAL VOCs

m+p-Xilenoo-Xilenon-Propilbenceno1,2,3-Trimetilbenceno

CompuestoToluenoEtilbenceno

CLASE DE MUESTRA Suelo HORA DE TOMA 4:30 p.m.

SITIO DE TOMA Muestra No.2 FECHA DE RECIBO 25 de Agosto de 2005

ANÁLISIS BTEXs /TPH-GRO EQUIPO HP690/MSD

OBSERVACIONES Muestra puesta en el Laboratorio de ambiental de la Universidad de los Andes. Se anexa cromatograma.

ppm : mg/Kg


DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTALCENTRO DE INVESTIGACIÓN DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL – C.I.I.A.

No._0904_


INFORMACIÓN SOBRE LA MUESTRA


IAMB 200510 02

SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ XIV



IAMB 200510 02

SANDRA MILENA CALDERÓN GÓMEZ XV

ANEXO 3 Niveles mínimos de detección de TPH-GRO y BTEXs del cromatógrafo.

No. Pico mg/Kg1 0.0052 0.0053 0.0054 0.0055 0.0057 0.0058 0.0019 0.001

10 0.00111 0.00112 0.010

PATRON EPA 502/524 Volatile Organics Cal Mix Supelco 50211

COLUMNA SPB-624 (60 m*0.32mm*1.85µm)

ANALISIS TPH-GRO/BTEXs

VOL INY. SPME-CAR-PDMS

NIVELES MINIMOS DE DETECCIÓN DE TPH-GRO Y BTEXs EN SUELOS

Compuesto

EQUIPO HP6890/MSD/SPME DETECTOR MSD

BencenoToluenoEtilbencenom-Xileno

TPH-GRO

n-Propilbenceno1,2,3-Trimetilbenceno1,3,5-TrimetilbencenoNaftaleno

p-Xilenoo-Xileno

ppm : mg/Kg


DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTALCENTRO DE INVESTIGACIÓN DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL – C.I.I.A.

No._0904_


INFORMACIÓN SOBRE EL MÉTODO DE ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO


DESCONTAMINACIÓN DE SUELOS POR EL MÉTODO SOIL …

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