Efectos de Sorción y Desorción en la

movilidad y remediación de plumas

contaminantes con Orgánicos

Sección B)

Factor de Retardo

Proceso de transporte en zona saturada

¿Existen las condiciones ideales?

Isotermas y Curvas de avance

CURSO Instituto de Ingeniería UNAM DRA ROSA M.LEAL BAUTISTA

rleal@cicy.mx

MEXICO DF Sept. 5, 2014

¿Que es una gasolina oxigenada?

• 1990 CAA contenido MTBE, etanol (TBA, TAME)

• Gasolina “limpia”

• Gasolina contiene 15% MTBE o 10% etanol para 2.7% oxigeno (peso)

Metil tert-butil eter (MTBE)

Desde 1979 se añade para el mejoramiento del octanaje en las gasolinas y como el mejor substituto del plomo

Es uno de los aditivos menos caros

Crea una gasolina baja en presion de vapor

Reduce las emisiones de hidrocarburos y de CO a la atmosfera

Es polar y altamente soluble

Benceno y BTEX BTEX es Benceno, tolueno,

etilbenzeno, xilenos

Benceno es el mayor constituyente aromatico de las gasolinas

Es la parte mas toxica y movil de las gasolinas

Benceno

EPA maximum contaminant level (MCL) = 0.5 mg/L

NOM-127-1-SSA 2004 10 mg/L

Remediacion mas aplicada es la llamada atenuacion natural

Niveles de MTBE en agua subterranea

Es el contaminante comunemente encontrado en

los pozos de agua potable en USA

Catalogado como “molesto quimico en agua”

(Nuisance chemical in water EPA nivel

recomendado 20-40 g/L)

USEPA presentara en nivel oficial (MCL) en 2010

Algunos estados: CA MCL 5 g/L , IL MCL 70 g/L

MTBE impacto en el agua subterranea

Se mueve a la misma velocidad que el agua

subterranea

Potencialmente presenta baja sorbcion y alta

solubilidad

Baja biodegradacion considerado como recalcitrante

Aumenta la disolucion de otros

contaminantes\cosolvente

Promueve la detecion de contaminacion en

agua subterraea (Flag/marcador)

MTBE en Illinois

En 2004, de 1,800 pozos publicos de agua potable el MTBE se presento en: 24 pozos fue deteccion

intermitentedetection was intermittent (circulos rojos)

4 comunidades debieron clausurar sus pozos (circulos amarillos

IL MTBE “Elimination Act of 2001”

Aditivos oxigenados en Mexico

MTBE esta presente en las gasolinas mexicanas (Magna-Sin and Premium)

No hay un monitoreo oficial del MTBE en alas aguas subterraneas

Gasolina contiene 11% MTBE

La Sorbcion es un proceso complejo

Modified from Batelle Press, 2000

Factor de retardo (R): relacion entre el

movimiento del agua dividido entre la relacion

del movimiento de contaminante

R= 1+ ( / )Kd

es densidad del material

es porosidad del material

Kd factor de distribution

Estudios previos acerca de la

sorbcion Benceno

Benceno es el mas estudiado en diferentes tipos de materiales geologicos debido a su toxicidad y movilidad

Benceno tiene un factor de retardo de 1 a 2 para materiales glacio-fluviales, y materiales arcillo-arenosos (Borden et al., 1997; Fetter, 1999; and Wiedemeier et al., 1999) (para arcillas-arenosas 1.03)

La investigacion es limitada en materiales finos ricos en materia organica

Etanol

Actualmente no ha sido reportado ningun valor de retardo o proceso de sorbcion para el etanol

MTBE

Previas investigaciones en material arcillo-arenoso ha mostrado poca sorbcion (R=1.003) (Borden et al., 1997)

ENFOQUE

¿Cuál es el impacto del MTBE en el agua subterranea?

¿Es realmente el etanol el sustituto adecuado?

¿Qué tanto estan afectando estos aditivos el comportamiento de los otros componentes de las gasolinas?

Hipotesis and Resultados

1) Es el MTBE sorbido en materiales–finos ricos en materia organica?

2) La presencia de MTBE o etanol afecta la sorbion que se presenta en algun orto componente de la gasolina: benceno en los materiales finos de Illinois?

3) El etanol o el MTBE promueven la biodegradacion del etanol del benceno?

SI! La sorcion del MTBE puede ocurrir en materiales-finos y se puede incrementar bajo la presencia de altos contenidos de materia organica

El benceno es transportado mas rapidamente bajo la influencia del MTBE y el atanol, por lo tanto la sorbcion del benceno se reduce

NO! El etanol y el MTBE retardan la biodegradacion del benceno

Objectivos 1)Determinar la sorbcion del MTBE y el benceno en loess y sedimentos

lacustres. 2)Determinar la sorbcion y biodegradacion del benceno, etanol y el

MTBE usando columnas no alteradas de loess. 3)Evaliacion de la distribucion espacial del benceno y los

microorganismos asociados con la heterogeneidad en los matereiales finos loess.

1

2

3

Parte Norte de Illinois

Meteriales colectados aprtir de los 0 a 180 cm de profundidad

El contenido tipico de material organico es 1.9% en los primeros 50 cm y varia con la profucndidad

Textura 35% arenas, 54% limo and 24% arcilla

Northern Illinois University

0 to 49 cm

1.9% OC

49 to 70 cm

0.5% OC

70 to 102 cm

0.4% OC

102-180 cm

1.8% OC

OC Carbon Organico

Chalco Basin, Mexico

An important

groundwater supply for

Mexico City

Sedimentos lacustres 5-10 % arenas

55-65% limos

20-30% arcillas

Contenidos de materia

organica Chalco 15.3%,

Mixquic and Xico 11.2%

Las muestras fueron

colectadas a la misma

profundidad 200 to 300

cm

Chalco

Mixquic

Xico

Chalco Basin, Mexico

Location Temperature Benzene MTBE

Chalco (15.3 % TOC)

10 C

25 C

R= 1.967

R= 1.996

R=1.559

R=1.855

Xico (11.2 % TOC)

10 C

25 C

R= 1.753

R= 1.863

R=1.014

R=1.132

Mixquic (11.2% TOC)

10 C

25 C

R= 1.888

R= 1.967

R=1.011

R=1.117

Loess (0-49 cm) 1.9 % TOC

Temperature Benzene MTBE

10 C R= 1.811 R= 1.058

25 C R= 1.775 R=1.095

Estudios en columnas Material colectado en la

misma locacion que el material de las isotermas

Cuatro columnas no alteradas de 40 cm x 30 cm loess

Son mas representativas de las condiciones naturales de campo

Cuatro columnas :

Agua(control)

Agua+benceno

Agua+ benceno+EtOH

Agua+benceno+MTBE

Temperatura 19 ˚C

+/- 3 ˚C

Influente, efluente, obtencion de pH, DO, Eh, and conductivity

Las concentraciones de los contaminantes se monitorearon usando SPME y GC/MS

Benceno

R

Columna Tiempo

(Dias)

Literatura

Control 67 1.000 1.000 *

Benceno 79 1.179 1.000-2.000**

Benceno+EtOH 78 1.164 ND

Benceno+MTBE 74 1.104 1.030*

MTBE and EtOH

Columna

Tiempo

(Dias)

Literatura

Control 67 1.000*

Benceno+EtOH 67 1 ND

Benceno+MTBE 69 1.029 1.003*

tracer

C

t

tR

tracer

C

t

tR

Factor de retardo (R): El factor de retardo se define como la relación

entre la velocidad de transporte del contaminante respecto a la del

fluido, determinada por la interacción química entre éste y el material

geológico:

ρb = densidad del suelo (kg/l)

ne = porosidad efectiva del medio

Resultados Geoquimicos Columna Benceno+EtOH :

Oxigeno disuelto: Influente 6mg/L, Efluente 3 mg/L

Decremento del pH

Concentraciones de nitrato y sulfato se mantienen

Incremento en la disolucion mineral

No se detectaron estos efectos en las otras columnas

0

1

2

3

4

5

6

60 80 100 120 140 160

Elapsed time (days)

Fe

(II)

mg/L

Control

BTEX

BTEX+Ethanol

BTEX+MTBE

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

60 80 100 120 140 160Elapsed time (days)

Con

du

cti

vit

y u

S

Control

BTEX

BTEX+Ethanol

BTEX+MTBE

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

5 5.5 6 6.5 7 7.5 8

pH

Eh

(m

V)

Control

BTEX

BTEX+Ethanol

BTEX+MTBE

Distribucion (Microcores)

Las columnas fueron desmanteladas en tres secciones: la del Influente (I), Efluente (E), y seccin Media (M)

Se mapearon las caracteristicas litoestratigraficas

Se colectaron micro-nucleo a travez de un patron

A) Microorganismos detectados por seccion Conteo Heterotrofico en

Plato microorganisms detected per section in each column

B) Microorganismos que degradaron benceno por seccion

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Influent Midsection Effluent

Section

CF

U/ g

so

il (

x10

6 )

Control

BTEX

BTEX+EtOH

BTEX+ MTBE

0

10

20

30

40

50

60

70

Influent Midsection Effluent

Section

CF

U/g

so

il (

x1

06 )

Control

BTEX

BTEX+EtOH

BTEX+MTBE

A)

B)

10 6 CFU/g soil 10

6 CFU/g soil

Mineralogia

Cambio mineralogico

Antes de la inyeccion: Arcillas absorbentes, smectitas, placas

intercaladas parcialmente cementadas

Despues de la inyeccion: Se mantuvieron las mismas caracteristicas en

las columnas de control (Agua), Benceno (Agua+benceno), and Benceno+MTBE (Agua+benceno+MTBE)

Cambio en Benceno+etanol presento kaolinita

Conclusions Las isotermas corroboraron que la sorbcion del MTBE

es posible en materiales de grano fino y exite el potencial de incremento con contenido de materia organica alto

Se observo sorbcion en loess de la parte norte de Illinois

La mayor sorbcion del MTBE se observo en los sedimentos lacustres de Chalco, Mexico Chalco>>Xico>Mixquic>DeKalb>Ottawa Sand

El retardo del benceno es mayor en las columnas que

en las isotermas.

Zona Carstica

¿Que problemas se presentan en la

Península de Yucatán?

Contraste regional entre el desarrollo y disponibilidad del

agua

La disponibilidad natural media per

cápita, ha disminuido de 18 035

m³/hab/año en 1950 a tan sólo 4 312

en el 2007.

Región Hidrológico-Administrativa

Disponibilidad natural media totala (m.ll.m3/año)

Población a dic de 2007 (millones de habitantes)

Disponibilidad natural media per cápita 2007 (m3/hab/año)

Escurrimiento natural medio superficial total (m.ll.m3/año)

Recarga media total de acuíferosa (m.ll.m3/año)

VIII Lerma-

Santiago-

Pacífico

34 037 20.63 1 650 26 351 7 686

XII Península

de Yucatán

29 645 3.90 7 603 4 329 25 316

XIII Aguas del

Valle de

México

3 008 21.09 143 1 174 b 1 834

Primer Modelo Conceptual

Existe un lente de agua dulce, y cerca de la costa, agua salobre, flotando sobre agua del mar

• La dirección del flujo es generado por un gradiente de carga hidráulica

• Una evidencia de la descarga son los ojos de agua.

De los vectores contaminantes generados por las diferentes actividades antropogénicas, el acuífero

es el más vulnerable a su influencia

y G. Velazquez Oliman

• La mayoría de la infraestructura turística y poblacional se localiza a lo largo de 10 Km de la costa

• La Riviera Maya ha reportado una velocidad de crecimiento de un 15% en los últimos 8 años

• En 1995 la Riviera Maya alcanzo los 3600 habitantes para el 2003 había alcanzado los 12,000 (PDDUT, 2006)

• Playa del Carmen mostro la

velocidad de crecimiento mas rápida del país (30.5 %), seguida por Cancún (9.1%) (CONAPO, 2004).

Con Respecto A La Contaminación Natural y

Antropogénica

CONTAMINACION NATURAL

La naturaleza de un acuífero costero:

1. Lente de agua dulce yace sobre la presencia de agua de mar.

2. Rápida infiltración, debido al poco

desarrollo de suelos.

3. Rápido transporte de contaminantes debido a zonas de alta permeabilidad Se observan velocidades de flujo, en el orden de decenas de metros por día.

4. Efectos de huracanes: inundaciones, penetración del mar en la costa.

Indicadores Químicos Emergentes Cafeína

Antibióticos: 5 tipos diferentes

No-prescripción en: aguas recreacionales/ turísticas (analgésicos)

Productos de Cuidado Personal Bloqueadores solares en cenotes

E.coli=85 NMP/ 100 mL

CAFEINA PRESENCIA

P5 Cenote

Riesgos

Las características geológicas influyen en la calidad del

agua

Determinar quien es el causante de la contaminación

es el primer paso para detener la contaminación

El uso de multi-indicadores tanto microbiológicos

como químicos es una herramienta capaz de mostrar

diferencias en la identificación de la actividad

contaminante

El deterioro de la calidad del agua en los

acuíferos es cada vez mas palpable, así

como su conexión con el incremento de

actividades antropogénicas.

El distinguir las fuentes de contaminación

permite definir estrategias de control y

políticas de protección

AGRADECIMIENTOS Dr. German Cuevas R, Dr. Eugene Perry, Dra.

Melissa Lenczewski, Dra. Jeanne McLain. Dr

Tomoyuki Tshibata, Dr. Philip Carpenter, Dr. Manuel

Lizaldi, Dr. Luis Marin,

M.C. Laura Fernández, M.C. Cinthya Grimaldo, Ing.

Norma Jaime Montiel, Ing. Alondra, Ing Alejandro

López, Ma. Teresa Tavera, Ing Rodrigo Diaz,

Biol.Carolina Suarez

GRACIAS!