Estudio de MATERIALES REACTIVOS permeables para la inmovilización de CONTAMINANTES en el AGUA

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1 El ININ hoy Estudio de MATERIALES REACTIVOS permeables para la inmovilización de CONTAMINANTES en el AGUA Por Elizabeth Teresita Romero Guzmán Departamento de Química El aprovechamiento de las aguas subterráneas ha pasado en la última década de una fase de desarrollo a una fase en la que predomina la gestión, en especial en lo que concierne a la conservación de su calidad. En este sentido se han desarrollado una serie de tecnologías y metodologías para prevenir y controlar la contaminación de los recursos hídricos. Al seleccionar la metodología a seguir para la descontaminación de aguas subterráneas influyen dos tipos de factores: los intrínsecos derivados de la naturaleza y el ámbito de la contaminación, y los económicos, que siempre hay que considerar a la luz de la mayor o menor necesidad real de solucionar el problema. Tampoco conviene olvidar que ninguna de las soluciones propuestas suele resolver al 100% los problemas que la contaminación plantea, en unos casos porque el problema queda sólo parcialmente resuelto (mitigado); en otros porque se producen efectos indeseados sobre suelo o agua, siempre de menor impacto que el problema inicial. A la vista de la diversidad de problemas que plantea la contaminación de aguas subterráneas, las alternativas para su solución o mitigación son muy variadas y en la actualidad prosigue el desarrollo de nuevas posibilidades basadas en diversas tecnologías. En términos generales, las técnicas concretas apli- cables se pueden clasificar en tres grandes grupos: 1. Técnicas de confinamiento. Se basan en el aislamiento de las aguas. Su objetivo básico es evitar que la contaminación se transfiera lateralmente. Por lo general, son de aplicación cuando la citada polución está muy localizada y no resulta viable ninguna de las demás alternativas. 2. Técnicas de tratamiento in situ. Las técnicas de tratamiento in situ son las que se aplican sin necesidad de transvasar el agua subterránea afectada por el problema. Suelen ser de utilidad cuando el problema afecta un volumen muy importante de agua, que haga inviable su aislamiento y su tratamiento ex situ, o cuando éste supone un costo económico que lo hace inviable, ya que el tratamiento in situ suele implicar un menor costo económico. El tratamiento in situ puede ser de dos tipos: biológico o físico-químico. Las técnicas de remediación in situ de carácter biológico son dos: biorremediación y fitorremediación. Por su parte, las técnicas de remediación in situ de carácter físicoquímico incluyen las siguientes: ate- 4 Contacto Nuclear

2 nuación natural controlada, bombeotratamiento, barreras reactivas permeables, extracción con vapor y aireación del suelo, flushing in situ, tratamientos térmicos, oxidación química y fracturación. 3. Técnicas ex situ. Estas técnicas tienen en común que el suelo es removido de su lugar original, y tratado en una planta externa, para la eliminación del contaminante mediante una variedad de técnicas disponibles. Tras el tratamiento, el suelo puede ser devuelto a su lugar original, siempre y cuando se verifique que está completamente descontaminado. Entre las técnicas de este tipo se tiene a la desorción térmica, lavado del suelo, extracción con disolventes y deshalogenación química. Finalmente, cuando no hay otra alternativa, el suelo se excava y se lleva para su disposición final a un almacenamiento de residuos tóxicos peligrosos. Si bien el método más empleado hasta la fecha en la descontaminación de acuíferos se basa en bombear el agua contaminada y tratarla en la superficie (pump and treat), la experiencia ha demostrado que, en la mayoría de los casos, su aplicación toma largo tiempo, su ámbito de acción es limitado y representa un alto costo. Una técnica alternativa es el uso de Barreras Reactivas Permeables (BRP) o muros de contención, que ofrecen la posibilidad de trabajar en medios donde la extensión de la contaminación hace inviables otras metodologías. Las BRP son barreras que se construyen bajo la superficie del terreno y aprovechan el flujo natural de las aguas subterráneas para interceptar los contaminantes (Figura 1). Una BRP se estructura a partir del conocimiento de la zona afectada por la contaminación y de los compuestos presentes en ésta. Ello permite definir las dimensiones de la barrera, tanto en longitud como en profundidad y establecer su grosor y los materiales reactivos a utilizar. La zanja debe ser permeable y atraer tanto el agua como los contaminantes presentes en ésta. Propicia que las dimensiones y la forma de la barrera puedan variar atendiendo a las modificaciones del flujo que se pretende conseguir. Superficie del terreno Suelo limpio Nivel freático Aguas subterráneas contaminadas Aguas subterráneas limpias Materiales reactivos Figura 1. Esquema de una Barrera Reactiva Permeable Contacto Nuclear 5

3 El contaminante presente en el agua definirá el material reactivo a utilizar y la forma de tratamiento a aplicar, por ejemplo puede interesar atrapar o sorber los compuestos químicos en el reactivo. En otros casos, las sustancias químicas se precipitarán reduciendo su movilidad. En el caso de compuestos cuya toxicidad puede ser variada gracias a su oxidación, como el hierro, se puede aplicar para destoxificar algunos disolventes. Incluso pueden utilizarse BRP que suministren los nutrientes y el oxígeno necesario para favorecer la biodegradación de los compuestos orgánicos presentes en el agua. En cualquier caso, la contaminación que afecta a las aguas subterráneas usualmente se produce por infiltración a través del suelo, lo que hace necesario, por lo general, un análisis conjunto del sistema suelo-agua subterránea para determinar los mecanismos de contaminación responsables del problema y las alternativas de remediación. En concreto, tres son los factores fundamentales a considerar al analizar las alternativas de remediación: el foco de contaminación, el mecanismo de infiltración, y el tipo de contaminante. Otros factores que pueden también influir en esta cuestión pueden ser la localización concreta del problema (proximidad de poblaciones, proximidad a cuencas hidrográficas importantes), y la clase y propiedades de los suelos afectados, que pueden influir decisivamente en la evolución de la contaminación, y van a condicionar la aplicación de las técnicas de descontaminación. Los materiales reactivos de la pared permeable atrapan las sustancias químicas dañinas para la salud y ambiente y dejan pasar el agua tratada, permitiendo un uso productivo del acuífero. El material que se emplea para construir la barrera depende del tipo de contaminante que se encuentre en las aguas subterráneas. Entre los materiales reactivos más utilizados que pueden emplearse están el hierro, la caliza y el carbono, activado o no. Los materiales reactivos se mezclan con arena para 6 Contacto Nuclear Figura 2. Sistema de funnel and gate en una barrera reactiva permeable. Las flechas mayores indican el sentido general de flujo del acuífero en el que se localiza la pluma de aguas contaminadas

4 M ATERIALES REACTIVOS C ONTAMINANT E ESTATU S Hierro metálico metales reducibles, uranio En práctica Metales reducidos metales reducible s Demostración en campo Pares de metales metales reducible s Demostración en campo Agentes sorcitivos Metales, aguas ácidas En práctica Agentes reductores Metales reducibles, Carbono orgánico Aceptores biológicos Hidrocarburos del petróleo, uranio Oxihidróxido arcilla, férrico, carbón activado, Uranio Tabla 1. Materiales reactivos utilizados para mitigar contaminantes del agua facilitar que el agua fluya a través de la barrera, en lugar de alrededor de ella. En algunos sitios, la barrera es parte de un embudo que dirige las aguas subterráneas contaminadas hacia la parte reactiva de la pared, disposición que recibe en inglés el nombre de funnel and gate (Figura 2). La zanja o el embudo relleno se cubren con tierra, por lo que no resulta visible en la superficie. La Tabla 1 muestra algunos de los agentes que pueden emplearse en las BRP y los contaminantes a inmovilizar. Entre las ventajas de las BRP se puede mencionar que: son mecánicamente simples, económicas, atrapan o degradan los contaminantes, los productos finales no son tóxicos, no se requiere consumo de energía ya que funcionan con el flujo natural de las aguas subterráneas, no existen costos de bombeo, no se requieren estructuras adicionales en la superficie y los costos de operación y mantenimiento son mínimos. Las PRB eliminan muchos tipos de contaminación subterránea, y funcionan mejor en sitios de suelos arenosos poco compactos con flujo sostenido de aguas subterráneas. Diversos países se encuentran trabajando en la adaptación de este tipo de tecnologías a su realidad nacional, tanto en la industria química, como en el sector minero, en petroquímica, en vertederos de residuos y en los confinamientos de desechos radiactivos. Hasta la fecha, se han instalado BRPs en más de 100 sitios contaminados con diversas sustancias, entre las que se cuentan metales pesados como cromo, níquel, plomo, cobre, manganeso, uranio, arsénico, selenio y vanadio. También compuestos orgánicos volátiles (COV), que incluyen disolventes clorados como el tetracloroeteno (PCE), tricloroeteno (TCE) y cloruro de vinilo e hidrocarburos (BTEX) y materiales radiactivos. En el caso particular de los desechos radiactivos se tiene bien conocido que se generan en diversas fuentes, como las centrales de energía nuclear y otras actividades nuclea- Sorción : proceso en el cual un componente se mueve desde una fase para acumularse en otra. Desorción: proceso inverso a la sorción. Precipitación: proceso de formación de un segundo estado o fase de la materia dentro de una primera fase. Degradación: pérdida de las características esenciales de un recurso. Contacto Nuclear 7

5 res conexas, como la producción y el uso de radioisótopos, para usos médicos e industriales y la investigación. Hasta hoy, en México son pocos los estudios con métodos in situ y los materiales reactivos sugeridos para utilizarse como BRP s, por ser una tecnología innovadora, pero continuamente se estudian y desarrollan nuevos materiales para este fin. Por lo tanto, ha crecido el interés en la investigación de compuestos reactivos que interaccionen con los radionúclidos y que sean capaces de removerlos del medio acuoso por diferentes procesos como la sorción, la precipitación y la degradación, los cuales pueden presentarse en las BRP. Éstos deben ser altamente reactivos, permeables y resistentes a la compactación y no deben liberar productos secundarios dañinos o tóxicos. Entre los compuestos estudiados para tal fin, están los generados a base de fosfatos, como el fosfato de aluminio, ferroso, y férrico y la hidroxilapatita. Asimismo, se ha identificado que las reacciones de sorción en la interfase mineral agua es uno de los tipos de reacciones por las cuales los contaminantes radiactivos como el uranio y otros elementos pueden ser inmovilizados en las barreras. El beneficio a largo plazo de estos estudios es probar y promover a compuestos base fosfatos como materiales reactivos para la construcción de barreras artificiales o muros de contención capaces de mantener seguros los depósitos de desechos radiactivos y el agua subterránea libre de contaminantes radiactivos. Esto permite mitigar la migración de contaminantes al ambiente y, por lo tanto, contribuye al desarrollo sostenible. Agradecimientos Proyecto asociado y financiado por CONACYT E ( ). Investigación de fosfatos y silicatos de circonio para la fijación de emisores alfa y determinación de sus propiedades en el confinamiento de desechos radiactivos. Bibliografía 1. Arey, J.; Seaman J. and Bertsch P Immobilization of uranium in contaminated sediments by hidroxyapatite addition. Eviron. Sci. Technol, 33, Bedient P. B., Rifai H. S., y C. J. Newell Groundwater contamination. Transport and remediation. 2 nd edition. Prentice Hall. 3. Díaz, J Síntesis y caracterización del fosfato ferroso (vivianita) y su comportamiento en medio acuoso. Tesis de licenciatura, Facultad de Química, UAEM. 4. Drot, R.; Simoni E.; Alnot M. and Ehrhardt J Structural environmental of uranium (VI) and europium (III) species sorbed onto phosphate surfaces: XPS and optical spectroscopy studies. Journal of colloid and interface science, 205, Drot, R.; Lindecker C.; Fourest B. and Simoni E Surface characterization of zirconium and thorium phosphate compounds. New J. Chem, Farrell, J.; Bostick D.; Jarabek R. and Fiedor J Uranium removal from ground water using zero valent iron media. Ground-Water, 37, Fetter C. W Contaminant Hydrogeology. 2 nd edition. Prentice Hall. 8. OIEA, International Atomic Energy Agency Scientific and technical basis for the geological disposal of radioactive wastes. Technical reports series no Ordoñez R. E.; Drot R.; Simoni E. and Ehrhardt. J Sorption of uranium (VI) onto lanthanum phosphate surfaces. Langmuir, 18, Romero E.; Esteller M. and Ordoñez E Uranium and phosphate behavior in the vadose zone of a fertilised corn field. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 254, 3, Smith L. A., Mearis A., Chen B. Alleman, C. C., Chapman J. S. Tixier J. E., Brauning A. r. Gavaskar y M. D. Royet Remediation options for metal contaminated sites. Lewis Publishers. 12. Solís, L Evaluación del fosfato de hierro (III) como material reactivo para la remoción de uranio en agua. Tesis de Maestría, Facultad de Química, UAEM. 13. Stumm, W. and Morgan J Aquatic Chemistry. An introduction emphasizing chemical equilibria in natural waters. 2a ed. Estados Unidos de América: Wiley; U. S. Environmental Protection Agency Ground-water and leachate treatment systems. EPA 625- R , U. S. Environmental Protection Agency Muros de tratamiento. EPA 542-F96-027, U. S. Environmental Protection Agency In situ treatment of soil and groundwater contaminated with Chromium. EPA 625-R , U. S. Environmental Protection Agency Barreras Reactivas Permeables. EPA 542-F01-005S, U. S. Environmental Protection Agency Métodos para eliminar la contaminación. EPA 542-F01-007S, U. S. Environmental Protection Agency Bombeo-tratamiento. EPA 542-F , Contacto Nuclear