Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y Trazadores del Agua

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

IPEN, Octubre de 2014

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Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y

Trazadores del Agua

Instituto Peruano de Energía Nuclear

Ingº Carlos Sebastián Calvo



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ELEMENTOS E ISÓTOPOS

Tabla Periódica Carta de Nucleideos

Media-vida 1 – 10 dias

10-100 dias




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LÍMITE ANUAL DE DOSIS PARA LA POBLACIÓN EN GENERAL

1mSv/año




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CONCEPTO DE TRAZADOR

Un trazador consiste en una sustancia o medible que se incorpora a un sistema y del que se espera proporcionará información acerca del comportamiento de dicho sistema. Con el fin de lograr este objetivo, tiene que establecerse (o suponerse) una relación entre el trazador y el sistema involucrado.




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Los trazadores constituyen una valiosa herramienta que permite obtener un mayor conocimiento de la dinámica de masas de aguas superficiales, subterráneas y atmosféricas, o de fluidos en general, conocimiento que se obtiene mediante el monitoreo de estos trazadores, que existen en el sistema hidrogeológico o se inserten en dicho sistema.

TRAZADORES EN HIDROLOGIA




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EXPERIENCIAS CON TRAZADORES ARTIFICIALES



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REQUISITOS DE UN BUEN TRAZADOR ARTIFICIAL

Debe comportarse como el material en estudio, en la fase que se

desea investigar.

Debe poseer una propiedad que lo distinga del material en estudio,

de tal forma que pueda ser detectado, en presencia de otras

sustancias.

No debe modificar en forma significativa la densidad, viscosidad, u

otras características propias del medio en estudio.

Los cambios en su concentración no deben afectar el

comportamiento del medio en estudio.

No debe permanecer en el sistema más allá del tiempo necesario.




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TIPOS DE TRAZADORES DEL AGUA

Trazadores naturales

Trazadores artificiales

EJEMPLO DE TRAZADORES NATURALES

Iones disueltos en el agua

Cl‾, NO3-, Na+, elementos traza, etc.

Isótopos ambientales

T, 14C, D, 18O, 34S, 13C, 15N, etc.

TRAZADORES DEL AGUA




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TIPOS DE TRAZADORES

Trazadores químicos iónicos

Colorantes

Elementos activables por irradiación con neutrones

Radioisotopos




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VENTAJAS

Buen trazador para el agua

Débil retención en el terreno

DESVENTAJA

Su presencia natural en el agua

Solo puede usarse para concentraciones naturales menores de 50 ppm

POSIBILIDAD DE MARCADO

Volumen de agua inferior a 103 m3

TRAZADORES QUIMICOS IONICOS MAS

UTILIZADOS: ION CLORURO





LOS MAS IMPORTANTES SON:

Dicromato sódico (Cr2O7Na2.2H2O)

Productos fluorescentes.- Emiten fluorescencia al ser excitados por la luz visible (absorción selectiva de un intervalo determinado de longitud de onda)

Fluoresceina ( C20H12O4)

Rodamina

Uranina ( C12H10O4Na2 ) y sus derivados

Eosina

Piranina, etc.

TRAZADORES: COLORANTES





VENTAJAS

Bajo precio

Elevada sensibilidad de medida

DESVENTAJAS

Riesgo de alteración por co2 , bacterias, luz, ión férrico, etc.

(mal comportamiento en aguas muy contaminadas)

Fuerte fijacion sobre arcillas en suspensión (no uso cuantitativo en aguas con sedimentos)

Elevada toxicidad

POSIBILIDAD DE MARCADO: HASTA 106 m3 DE AGUA

TRAZADORES FLUORESCENTES (Cont.)





Se conocen más de 1000 radioisótopos

Por sus características nucleares solo podrian utilizarse los siguientes:

3H(T), 24Na, 32P, 35S, 45Ca, 46Sc, 51Cr, 58Co, 60Co, 59Fe, 82Br, 85Kr, 86Rb, 89Sr, 103Ru, 110MAg, 131I, 140Ba-La, 132Ir y 198Au.

No se ha investigado lo suficiente sobre las posibilidades de todos estos radioisótopos como trazadores del agua: comportamiento en diferentes sistemas hídricos, influencia de la forma química, etc.

Algunos tienen que ser descartados por razones de precio y disponibilidad

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES

OBTENIDOS EN UN REACTOR NUCLEAR





SELECCIÓN DE UN TRAZADOR RADIACTIVO

Factores a tener en cuenta:

Periodo de semidesintegración.

Actividad específica.

Tipo de radiación.

Energía de la radiación.

Formas físicas y químicas disponibles.





ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL HIDROGENO

H1 H2

H3

1P

1N

1P

2N 1P

3N

Protio Deuterio Tritio





ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL OXIGENO

O16 O17

O18

8P

8N

8P

9N 8P

10N





ALGUNOS ISOTOPOS ARTIFICIALES

H3 (Tritio)

I131

Tc99

Au198

Co60

Cs137





EFECTO DE LA ALTITUD EN LA CONCENTRACION

ISOTOPICA

En aguas de lluvia, la concentración isotópica del H2 y

O18 disminuyen con la altitud a la que se produce la

lluvia





CARACTERIZACION ISOTOPICA DE MASAS DE AGUA

Aguas de mar

Aguas de lagos

Aguas de ríos

Aguas de manantiales

Aguas de lluvia de diversas altitudes





acuífero

condensación

Evaporación de océano Evaporación de lagos, ríos etc.

Condensación y precipitación

Evaporación del suelo

transpiración de la vegetación

océano

infiltración

escorrentía


CICLO HIDROLOGICO




Infiltración y

recarga Napa freática

Flujo de agua

subterránea

AGUAS SUBTERRANEAS.-ACUÍFERO LIBRE





EDAD DEL AGUA

Tiempo que una molécula de agua permanece en un

acuífero o en un lago, sin contacto con aguas atmosféricas

La edad de las aguas de lluvia es cero





Vida limitada ct = c0 exp (-λt)

Posibilidad de medida in situ ( con excepcion del Tritio )

Elevada sensibilidad de medida

Actividad especifica ( mCi / ml ), muy elevada

(marcado de grandes volumenes de agua con una pequeña masa de trazador)

Medida selectiva (sin interferencias)

Posibilidad de modificar la forma química

En el caso del Tritio: marcado isotópico.

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES VENTAJAS DE LOS TRAZADORES RADIACTIVOS





Se utiliza como agua tritiada ( THO )

Periodo de semidesintegracion = 12,43 años

VENTAJAS

Unico trazador radiactivo isotópico del agua

( incorporado en la molécula )

Comportamiento ideal incluso con aguas subterráneas

Posibilidad de marcar grandes volumenes de agua (>107 m3)

Baja radiotoxicidad

Bajo precio

Actividad específica muy elevada: 0,5 Ci/ ml

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO





DESVENTAJAS

Presencia en el agua de Tritio termonuclear

Imposibilidad de medida “ in situ “

A veces, intercambio con agua de constitucion de arcilla o de yeso o con hidrógeno de materia orgánica

A veces, vida excesivamente larga

APROPIADO PARA:

Ensayos de larga duracion donde estan implicados grandes volúmenes de agua

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO (Cont.)





El trazador ni siquiera es detectable

Vida limitada del trazador

Pequeña extensión de zona afectada

Posibilidad de controlar el uso del agua

Buena conducta del trazador. Pueden ser medidos a concentraciones inferiores a las máximas permitidas para agua potable (posibilidad de realizar las experiencias sin riesgo)

Se trata de experiencias de corta duración

Riesgos limitados a fase inicial de la experiencia

Gran dilucion del trazador

Los ensayos no se repiten casi nunca en el mismo lugar

CARACTERISTICAS LUEGO DE LAS EXPERIENCIAS CON TRAZADORES DEL AGUA






RADIOTRAZADORES UTILIZADOS EN EL IPEN

En el Centro Nuclear RACSO ha sido posible producir importantes radioisótopos que han sido utilizados como trazadores. Entre los principales radioisótopos que han sido utilizados a manera de trazador en diversas determinaciones industriales, de tratamiento y abastecimiento de agua potable, energéticas y ambientales se destacan:

I-131, el Tc-99m, el La-140 ,Au-198, moléculas marcadas, etc.





ALGUNAS APLICACIONES DE LOS

RADIOTRAZADORES EN EL IPEN

MEDICIÓN DE CAUDALES

a. Método de Allen o del Tiempo de Tránsito

b. Método de dilución Isotópica

c. Método de Integración





Determinación de flujos volumétricos mediante intección instantánea de radiotrazador





Determinación de flujos volumétricos mediante inyección continua de radiotrazador





Sistema multisonda de adquisición de datos utilizado





PREPARANDO EL USO DE TRAZADORES ARTIFICIALES PARA AFOROS

EN AGUAS SUPERFICIALES





APLICACIONES DE TRAZADORES RADIOACTIVOS ARTIFICIALES Y

FLUORESCENTES (I-131, Au-198, Rodamina y Uranina)




Las direcciones de este flujo fueron determinadas utilizando

el método de adsorción isotópica de un trazador radiactivo

en una malla metálica (en este caso el Au-198 en solución

ácida).

se irradia una pequeña hojuela de oro coloidal para obtener

el Oro – 198 que es un radioisótopo emisor gamma. El Oro

metálico es atacado por una pequeña cantidad de agua regia

hasta conseguir su disolución total. Luego se diluye el

material en un volumen de algunos litros de agua, a fin de

obtener una solución acuosa de oro radiactivo.


CASO: DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES Y DIRECCIONES DE FLUJO

EN AGUAS SUBTERRÁNEAS

ALGUNOS CASOS DE ESTUDIO CON TRAZADORES




La colocación de la malla metálica dentro de los pozos, se

fija en una orientación predeterminada. Luego de inyectar el

trazador a lo largo de la columna de agua y después de un

tiempo, las mallas se retiraran y se mide la radiación que

emite la malla metálica.

La metodología considera que el flujo de las aguas

subterráneas arrastra al trazador en el sentido del flujo y

consecuentemente la concentración del trazador es mayor en

la zona de la malla donde el encuentro con la dirección del

flujo es frontal. La variación de la radiación a lo largo de la

circunferencia de la malla permite determinar la dirección del

flujo de aguas subterráneas.


DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS

SUBTERRÁNEAS (Cont.)




Pozo.- Vista en corte para determinar velocidades y direcciones de flujo

de aguas subterráneas

NF

NIVEL SUPERFICIE

Malla metálica

TRAZADOR





POZO - VISTA EN PLANTA

PARED DEL POZO

MALLA METALICA

AREA OCUPADA POR EL

TRAZADOR

(Al momento de la inyección

t = 0)

DIRECCION

DE FLUJO

DEL AGUA

SUBTERRANEA

AREA OCUPADA POR TRAZADOR

( Después de transcurrido el tiempo t )

SECTOR DE LA MALLA IMPREGNADA

CON MAYOR CANTIDAD DE TRAZADOR


DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS

SUBTERRÁNEAS




ZONA DE CAPTURA

FLUJO

SUBTERRANEO

PERÍMETRO INTERNO

VELOCIDAD Y DIRECCION DE FLUJO EN POZO UNICO DE AGUAS SUBTERRANEAS

Control del uso y ocupación del suelo en relación al pozo

DIVISOR DE

DRENAJE

PERÍMETRO INMEDIATO

POZO






TRABAJOS EN POZO UNICO PARA ESTUDIOS EN AGUAS

SUBTERRÁNEAS.-MUESTREO PARA DATACION POR CARBONO 14





CASO: DETERMINACION DE ORIGEN DE FILTRACIONES





CASO: EVALUACION DE POTENCIALES GEOTERMICOS




CASO: EVALUACIONES EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA





1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12


CASO: EVALUACION DE BATERIA DE DESARENADORES EN PLANTAS DE

TRATAMIENTO DE AGUA




0

50

100

150

200

250

300

0 500 1000 1500 2000Time (s)

E(t

)

Tank N°4

Tank N°5


Evaluación de desarenadores en plantas de tratamiento de agua (Curvas de

respuesta de los desarenadores 4 y 5)





FLOCULADORES HIDRÁULICOS EVALUADOS CON TRAZADORES




N°2

N°4

N°3

N°1

Inlet: Water with a suspension of flocs

Outlet: Clear water Outlet: Clear water

CASO: EVALUACION DE BATERIA DE FLOCULADORES HIDRAULICOS EN

PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA





N° 6

N° 5

N° 4 N° 3

N° 2 N° 1


CASO: EVALUACION DE CLARIFICADOR EN PLANTA DE TRATAMIENTO DE

AGUA




E(t)

0.E+00

1.E-04

2.E-04

3.E-04

4.E-04

5.E-04

0 2000 4000 6000 8000 10000

Time (s)

Outlet N°1

Outlet N°2

Outlet N°3

Outlet N°4

Outlet N°5

Outlet N°6


RTD de las curvas obtenidas en las diferentes salidas del clarificador




0.E+00

1.E-05

2.E-05

3.E-05

4.E-05

5.E-05

0 20000 40000 60000 80000

Time (s)

E(t

)

Experiment

Model


Comparación entre la RTD experimental y la simulación

obtenida con el modelo representado




1

2

3

4

5

6

15m 10m 101m 15m

8m


Evaluación de laguna de oxidación con radiotrazadores




Tiempo de Residencia en Laguna de Oxidacion

UNITRAR

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

tiempo, horas

cps





0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Distancia, m

Laguna de Oxidación UNITRAR - Isorradas de I-131 a 2 hr

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Dist

ancia

, m

100

300

500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

3100

3300






Inyección de trazador para mediciones de declinación bacteriana




Toma de registros de contaje





INSTITUTO PERUANO DE ENERGIA NUCLEAR

PUERTO MALABRIGO - CHICAMA - TRUJILLO

670000

670500

671000

671500

672000

672500

673000

673500

9149500

9150000

9150500

9151000

9151500

673500

673000

672500

672000

671500

671000

670500

670000

9151000

9150500

9150000

9149500

CHATA

PUNTO DE INYECCION

DE IODO 131

9151500

Caso: Mapeo de la descarga de aguas residuales industriales





Gracias www.ipen.gob.pe

Telf. 4885050 anexo 243


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