Curso :

Ecologa

Profesor:: Dr. Carlos Francisco Cabrera Carranza.

Tema: Contaminacin de agua y suelo.

Alunmo: Ing. Alex Fabio Paco Narvez.El presente artculo, trata sobre los contaminantes, o los flujos, partculas que se liberan a travs de los procesos industriales, u otras actividades productivas, se trata de analizar desde el inicio de la liberacin, hasta el destino.El ambiente de este proceso sucede en la superficie, un ambiente poroso, que responde a la formacin de los suelos y la intervencin de las variables, atmosfricas, climatolgicas, hidrolgicas y topogrficas, el suelo al final es una mezcla de diferentes materiales tanto organicos como silicatos, arcillas, materia orgnica (descomposicin de vegetales) y otros, y partculas inorgnicas, como silicio, aluminio, y hierro.

El movimiento del agua, a travs del medio poroso, es un agente que genera la mayora de los procesos, como el caso de las arcillas que al estar saturadas se expanden de 100 y 1000 nm, limitando el transporte de los contaminantes principalmente por difusin molecular, estos procesos ocurre bsicamente en el subsuperficie, pero tambin hay un movimiento en el subsuelo.

El agua tiene un papel muy importante (ciclo hidrolgico), y la aplicacin de la energa solar, la cual evapora el agua, generando un cambio de propiedades, de estado lquido a gaseoso, que bajo estas condiciones es transportada por los vientos y precipitadas una vez condensadas en forma de lluvia o nieve, donde al caer en los suelos, estos se saturan (iniciando un transporte lento al subsuelo) y generando escorrenta en la superficie, que dependiendo de los caudales y las pendientes, arrasa capas de suelo, que con el movimiento del agua se diluyen en partculas que son llevadas a las partes bajas de la cuenca.

Por este efecto hay que tener en cuenta algunas consideraciones como, los estratos o capas subsuperficiales y sus propiedades como impermeabilidad y porosidad, que son las caractersticas principales que permite establecer los acuferos, que al existir capas muy permeables el agua transportada por gravedad es almacenada, denominndose acufero confinado.Otra de las caractersticas es el flujo de agua subterrnea, que viene hacer el movimiento del agua entre los estratos de la tierra, y que ocurre por efecto de la energa, la cual determina este estado. (Energa cintica, energa potencial), La energa cintica es la energa que el agua tiene en virtud de su movimiento (Ek= mv2 ). Como su movimiento en el sistema poroso es muy lento, su energa cintica, que es proporcional al cuadrado de la velocidad, la mayora de las veces puede ser despreciada.

En contrapartida, la energa potencial es fundamental en la caracterizacin del estado de energa del agua en el medio. Tcnicamente, la energa potencial del agua representa la cantidad de trabajo que necesita ser realizado, por unidad de agua pura, para transportar reversible e isotrmicamente una cantidad infinitesimal de agua libre, de una elevacin especfica, a la presin atmosfrica, para el punto considerado en el suelo.

El movimiento del agua, ocurre cada vez que exista una diferencia de potencia, resultando una gradiente de potencial, que es la fuerza motriz responsable por el movimiento del agua. La maginitud del flujo se estima por la Ley de Darcy, Q = - K.A.DH/DL = -K.A.i.Hay que considerar la relacin que existe entre la velocidad de Darcy y la velocidad de drenaje, que para un flujo saturado es el volumen contenido igual a la porosidad total.

Otra caracterstica a tener en cuenta es, tiempo de transito, que teniendo en cuenta la velocidad del flujo, se obtiene o se puede despejar el tiempo de transito. Los contaminantes son encontrados en el ambiente superficial en varias formas, o fases. Los contaminantes que estn presentes en el agua son los solutos y el agua, el solvente. Los solutos, gradualmente, se dispersan a partir de un punto inicial de introduccin, ocupando un volumen mayor del acufero y alcanzando reas que no se esperara alcanzar si se considerase, exclusivamente, el drenaje.

La dispersin hidrodinmica constituye un proceso transcedente y de mezcla irreversible. La dispersin hidrodinmica es el resultado macroscpico del movimiento del soluto debido a efectos microscpicos, macroscpicos y megascpicos. La dispersin hidrodinmica puede ser matemticamente expresada como la suma de los procesos dispersivos: dispersin mecnica y difusin molecular. D = Dm + D*

La dispersin hidrodinmica puede ser matemticamente expresada como la suma de los procesos dispersivos: dispersin mecnica y difusin molecular. Como resultado de estudios experimentales, la difusin molecular puede ser considerada como:D* = 1.10-6 cm2.s-1

La dispersin mecnica (Dm) sucede, predominantemente, a escala macro y megascpica y est asociada a la agitacin mecnica de los solutos.

Otra caracterstica es la transferencia de masa o adveccion, es el movimiento de solutos arrastrados por el flujo de agua. Para este tipo de transporte, el flujo de iones depende, estrictamente del flujo de agua (cantidad de agua que atraviesa una unidad de la seccin transversal por unidad de tiempo), siendo, por lo tanto, el flujo de iones entendido como la cantidad de un determinado soluto que atraviesa la unidad de seccin transversal al flujo del agua, por unidad de tiempo. Si consideramos q la densidad del flujo de agua, la densidad del flujo de iones ser:

f = qC

Donde C es la concentracin del soluto (M.L-3).

Considerando estos parmetros, podemos determinar, concentracin y considerar dos procesos, Remocion irreversible y Transformacion. La remocin por el proceso de atenuacin difiere del proceso de retardo en la medida en que ste reduce la masa de la sustancia, es decir, el proceso de atenuacin funciona como un extractor de contaminantes. Un ejemplo comn es el proceso de transferencia de contaminantes para otro medio (volatilizacin); el ejemplo ms comn del proceso de atenuacin el proceso en que la estructura molecular de la substancia es transformada (reacciones de oxidacin reduccin).

Algunos procesos en realidad aumentan la movilidad de la substancia qumica en subsuperficie. Algunos ejemplos incluyen la disolucin de substancias orgnicas y la formacin de complejos de iones metlicos. Tales procesos son categorizados como fenmenos de aumento de movilidad.

Proceso de retardo, El proceso de retardo consiste en la sorcin de substancias orgnicas y en el intercambio inico y precipitacin de sustancias inorgnicas. Estas reacciones resultan en la disminucin de la tasa de movimiento de contaminantes comparada con la tasa media de flujo de agua.

Sorcin orgnica es la particin de constituyentes qumicos entre fases, quiere decir, movimiento de solutos de un solvente o material con esta caracterstica. El solvente no tiene, necesariamente, que ser slido; un ejemplo de sorcin es la disolucin de un lquido inmisible en una fase acuosa.

Dependiendo del mecanismo y de la molcula orgnica, la tasa de adsorcin puede ser ms rpida, como en la mayor parte de los procesos de adsorcin que ocurre en las primeras 48 horas o, puede ser lenta, dependiendo de la tortuosidad de los caminos para la difusin de la solucin acuosa, a travs de los poros del agregado, de los filmes de agua fijados a los locales de adsorcin de la materia orgnica y mineral. En realidad, muchos contaminantes de preocupacin ambiental alcanzan equilibrio de das a aos.

Se resalta que la adsorcin es un proceso reversible (desorcin), el cual ocurre cuando la concentracin del soluto disminuye con relacin a la concentracin del sorbido.

La capacidad potencial de retencin qumica del suelo, incluyendo la adsorcin, puede ser estimada por la saturacin de muestras indeformadas del suelo con un lquido contaminante, permitiendo, entonces que la muestra drene. La contaminacin retenida es denominada saturacin residual o capacidad de retencin.

Las propiedades del solvente son tambin muy importantes. Los factores claves que influencian

la adsorcin son:

El tamao de la molcula generalmente cuanto mayor la molcula, ms rpidamente es

adsorbida.

Hidrofobia la adsorcin de molculas orgnicas no inicas sobre las partculas del suelo se correlaciona bien con la funcin inversa del coeficiente de particin octanol-agua.

Intercambio molecular para determinados pHs, algunos orgnicos pueden ser una molcula descargada y para pH altos pueden funcionar como un anin.

Estructura un ismero puede ser adsorbido ms rpido que otro.

Modelo de adsorcin Lineal Para condiciones del medio saturado y constituyentes orgnicos no polares, la adsorcin de la fase acuosa para el medio poroso de subsuperficie puede ser tratada como un proceso de particin-equilibrio.

Intercambio inico el intercambio inico est relacionado a la adsorcin de iones en solucin

en locales especficos de la partcula del suelo con carga opuesta. Est condicionada por la fuerza atractiva para mantener la neutralidad electrosttica: las cargas elctricas de la superficie del suelo son balanceadas por los iones libres de carga opuesta.

La capacidad de intercambio inico es muy dependiente del pH. Cuando el pH est por debajo de la neutralidad, el ion hidrgeno rpidamente disloca a los iones metlicos. Cuando el pH aumenta, los iones de hidrgeno son menos resistentes al desplazamiento y el saldo resultante es un aumento en la capacidad de intercambio.

Se debe destacar que el intercambio inico de iones metlicos con el suelo puede ser parcialmente reversible, los locales de intercambio saturados pueden liberar cationes contaminantes con la disminucin de la concentracin de contaminantes en el agua yen respuesta a las variaciones de pH. De este modo, el intercambio inico representa ms un retardo que un proceso de atenuacin.

Precipitacin La precipitacin es lo opuesto a la disolucin: la concentracin de un soluto excede la solubilidad del compuesto y cualquier exceso de soluto pasa a estado slido, precipitando para fuera de la solucin.

La precipitacin depende principalmente del pH. La mayora de los metales precipitan con hidrxidos en presencia de pH altos. Mientras tanto, la elevacin continua del pH aumentar la solubilidad de metales anfotricos.

Filtracin - La filtracin es una forma fsica de retardo, resultante de la obstruccin del espacio

poral. Esto ocurre debido a la acumulacin de partculas slidas en los poros, y tambin debido

a la precipitacin y acumulacin de materias disueltas.

Los procesos de atenuacin ms importantes y que resultan en la transformacin de sustancias se realizan a travs de las reacciones de oxidacin-reduccin, sea sta iniciada por el camino qumico o biolgico, hidrlisis, que tambin puede transformar substancias, y volatilizacin que resulta en la transferencia de substancias qumicas hacia la atmsfera.

Oxidacin-Reduccin Qumica Las reacciones qumicas de reduccin-oxidacin (redox) pueden ocurrir con molculas orgnicas o inorgnicas y abarcan la ganancia o prdida de oxgeno. Una reaccin que acrecienta oxgeno al compuesto es una reaccin de oxidacin (p.ej: FeSO4 transformndose en Fe2(SO4)3. Del mismo modo, la prdida de oxgeno (frecuentemente con la adicin de hidrgeno) es designada de reduccin (p.ej: el in NO3+1 transformndose en NH4 -1). Sin embargo, las reacciones de oxidacin-reduccin no necesariamente involucran oxgeno.

La oxidacin y reduccin de molculas orgnicas es resultado, principalmente, de actividades biolgicas, no obstante alguna reaccin qumica de oxidacin-reduccin pueda ocurrir entre las molculas orgnicas y el material del suelo. El papel del material del suelo en la oxidacin de molculas orgnicas es complejo y todava no muy bien conocido. Las arcillas pueden iniciar algunas reacciones de reduccin, particularmente en condiciones anaerbicas. De manera general se observa que las condiciones redox pueden variar de forma importante para pequeas distancias, resultando ms homogneas en condiciones de medio saturado que en medio no saturado.

Oxidacin-Reduccin biolgica - La mayora de las sustancias orgnicas en subsuperficie se transformarn en molculas menores a travs de los mecanismos de oxidacin-reduccin

inducidos por la actividad metablica de microorganismos nativos; tales transformaciones son denominadas biodegradacin. Debido a la pequea cantidad de oxgeno en subsuperficie, la mayora de las transformaciones ocurren por el camino de la reduccin - procesos anaerbicos. La

biodegradacin anaerbica sucede en bajas tasas en subsuperficie; mientras tanto, favorece la deshalogenizacin de los compuestos clorados que tpicamente resisten la degradacin aerbica.

Hidrlisis - Las sustancias qumicas pueden reaccionar con las molculas de agua y, a este proceso, denominamos hidrlisis. Las reacciones exotrmicas de algunos tipos de residuos reactivos constituyen un ejemplo. La hidrlisis es, frecuentemente, descrita como un intercambio entre un anin hidroxilo (OH-1) y un grupo aninico de compuestos qumicos X, resultando en la descomposicin del siguiente compuesto:

RX + HOH ROH + HX

Para la mayora de los qumicos, la hidrlisis presenta un efecto insignificante cuando se la compara con otros procesos de transformacin de molculas orgnicas (p.ej: la biodegradacin). Mientras tanto, para orgnicos clorados, los que no son rpidamente transformados por la biodegradacin, la hidrlisis puede ser significativa, dependiendo de otros factores. La hidrlisis de orgnicos clorados incluye el intercambio del radical hidroxilo con un anin X, ligado a un tomo de carbono. Se puede tratar como una reaccin de primer orden, para ph y temperatura constante.

La volatilizacin puede ocurrir a partir de tres fuentes en subsuperficie: producto libre, agua de la zona vadosa y agua subterrnea. Las variables clave son la presin del vapor y el rea de contacto entre el aire del suelo y las tres fuentes. La porosidad del material en subsuperficie menos la humedad del suelo, es decir, el volumen de aire, da una buena indicacin acercadel grado de contacto.

Los fluidos inmiscibles de baja densidad que flotan sobre el agua subterrnea pueden presentar una gran rea de contacto con el aire del suelo, sin embargo, no es tan significativa como loes para los fluidos confinados intra y sobre las partculas del suelo, en la zona no saturada.

Alteracin. (intensificacin) de la Movilidad. Los procesos de retardo y atenuacin alteran el

transporte de contaminantes resultando en concentraciones menores de lo que se podra prever basndose solamente en la adveccin y dispersin. Algunos procesos, en realidad funcionan, al contrario a estos procesos, aumentando la movilidad de una sustancia.

Estos procesos consisten en:

Consolvencia - Consiste en la introduccin de determinada cantidad de un solvente orgnico, en subsuperficie.

Ionizacin - Los cidos orgnicos (fenoles y cidos alifticos) tienen la habilidad de donar protones cuando estn presentes en solucin acuosa. En el proceso denominado ionizacin, los

cidos, Al perder protones se vuelven aniones y su solubilidad en agua puede aumentar significativamente.Disolucin - La disolucin es el disolvimiento de sustancias qumicas de productos libres o formas slidas de residuos peligrosos para solutos en el agua subterrnea. Los solutos pueden ser cationes o aniones inorgnicos, orgnicos polares, y no polares. El percolado es el ejemplo de un lquido que disuelve los constituyentes cuando percola a travs de rellenos sanitarios.Complejacin - La formacin de complejos o quelacin es la formacin de una ligacin combinada entre un ion metlico y un anin conocido como ligante. La ligacin ion ligante es considerada un complejo donde el ligante circunda el ion.

Existe un proceso Inmiscible, como el flujo gasolina, que migran en subsuperficie, puede darse en 03 fases: (1) producto libre; (2) adsorcin a las partculas del suelo e interstcios abiertos de la matriz subsuperficial, y (3) disuelto en el agua subterrnea o en el suelo

El transporte de contaminantes en subsuperfcie se da en respuesta a los gradientes hidrulicos

(adveccin) y gradientes qumicos (difusin).