Mecanismos de distribución y transporte de los contaminantes

¿Cuáles son los mecanismos principales para la distribución y transporte de contaminantes en un suelo? Te lo explicamos en profundidad en este fragmento de texto, extraído de uno de los módulos del “Curso de técnicas de teledetección aplicadas a la Geología

 


Mecanismos de distribución y transporte de los contaminantes
El objetivo del análisis de los mecanismos de distribución y transporte consiste en identificar los procesos primarios que afectan a la distribución y migración de los compuestos químicos de interés y al destino final de dichos contaminantes. Los principales mecanismos implicados son los siguientes:

Partición, Lixiviación y volatilización, Dispersión, Difusión, Advección, Sorción y Degradación.

Partición
Cuando se produce la liberación de una sustancia contaminante al medio, la posible afección a los diferentes compartimentos ambientales viene determinada por las características físico-químicas de la sustancia vertida y por las propiedades del suelo. La masa total de contaminante en el suelo es la suma de la masa en cada una de las tres fases:
– Fase sólida (la parte adsorbida en el suelo)
– Fase líquida (parte disuelta en los poros del suelo)
– Fase gaseosa (parte volatilizada en el gas intersticial)

Ecuación 1: Concentración total de un contaminante

donde:
CT = Concentración total del contaminante en suelo (mg/g de suelo)
CSol = Concentración en la fase sólida (mg/g de suelo)
CLiq = Concentración en la fase líquida (mg/g de suelo)
CGas = Concentración en la fase gaseosa (mg/g de suelo)

 

Es importante reseñar que la utilización de los modelos de evaluación de riesgos comúnmente utilizados se restringe a los casos en los cuales no existe el producto en fase libre. En caso contrario es necesario aplicar modelos de cuatro fases, por lo general mucho más complejos.
La volatilización puede afectar de forma significativa a la distribución de un compuesto químico en el medio ambiente. A medida que el contaminante se volatiliza en forma de gas intersticial, se produce una disminución de la concentración en el suelo y finalmente la liberación a la atmósfera del compuesto en cuestión.

La volatilidad de una sustancia química se cuantifica por medio de la constante de la Ley de Henry, que puede ser calculada a partir de la presión de vapor, el peso molecular y la solubilidad del compuesto.
Por otra parte, los contaminantes presentes en los suelos tienen la capacidad potencial de migrar en profundidad debido al agua de infiltración.

A medida que se infiltra el agua de lluvia, los contaminantes sufren procesos de lixiviación, por medio de los cuales los contaminantes pueden alcanzar el agua subterránea. El grado de lixiviación de un contaminante depende en gran medida de la tendencia del compuesto a situarse en la fase sólida o líquida.

 

Dispersión
Los contaminantes disueltos en el agua de infiltración son transportados a través de la zona no saturada hasta los acuíferos, que constituyen sistemas heterogéneos formados por una matriz sólida, en la que existen multitud de poros interconectados rellenos de fluidos (agua o aire). La dispersión se refiere a la extensión de la contaminación que se produce a medida que avanza el agua subterránea en la dirección del flujo (dispersión longitudinal). Igualmente ocurre dispersión transversal en los ejes perpendiculares a dicha dirección. La dispersión origina la mezcla física con agua no contaminada, por lo que puede considerarse como un mecanismo de dilución.
Desde el punto de vista de la evaluación de riesgos presenta un interés notable, debido a que explica el motivo por el cual los contaminantes pueden alcanzar un punto de exposición antes del tiempo calculado a partir de la velocidad media del agua.
La dispersión se debe tanto a efectos microscópicos como macroscópicos, siendo los primeros debidos a la diferente velocidad del agua en los bordes y en el centro de los poros, lo que genera la desviación de las líneas de flujo de su trayectoria y la consiguiente variación en la velocidad media del fluido a través de los mismos. A escala macroscópica, la existencia de heterogeneidades en la masa de agua subterránea provoca un efecto similar.
La medida y cuantificación de la dispersión es una fuente importante de incertidumbre en los modelos de transporte de contaminantes, especialmente en el caso de acuíferos con permeabilidad debida a porosidad secundaria (rocas fracturadas).

 

Difusión
La difusión es un proceso físico irreversible por el cual las partículas de un contaminante se desplazan de zonas de mayor concentración a zonas de menor concentración. Es un proceso que tiene lugar siempre que exista un gradiente de concentraciones, incluso aunque no se produzca ningún otro fenómeno (en ausencia de flujo).
En la práctica es difícil medir su magnitud de forma independiente, por lo que suele agruparse con la anterior en un término que se denomina dispersión hidrodinámica. Suele ser despreciable, excepto para bajas velocidades de flujo.

 

Advección
El término advección se refiere al movimiento originado por el flujo de agua subterránea. Su cálculo se basa en la Ley de Darcy. Desde el punto de vista matemático se expresa como el producto escalar del vector velocidad por el gradiente de concentraciones.

 


En la práctica es preciso considerar otros factores como la conductividad hidráulica de los materiales que conforman el acuífero o la dirección de flujo del agua subterránea, que en ocasiones no es homogénea o incluso unidimensional.
Adsorción
Es la habilidad de una sustancia para unirse a las partículas del suelo como resultado de las reacciones que tienen lugar entre ella y las partículas sólidas del mismo. Se entiende por adsorción el proceso físico o químico por medio del cual átomos, iones o moléculas de un cuerpo son retenidas en otro cuerpo. La tendencia que tiene una sustancia química a adherirse a los sólidos varía con la naturaleza del compuesto.

 

 

En el caso de los contaminantes inorgánicos, las interacciones electrostáticas son las principales responsables de la existencia de dichas fuerzas. Los constituyentes del suelo tales como oxihidróxidos de hierro (y en menor proporción el de manganeso), la materia orgánica o los minerales de la arcilla son los sorbentes predominantes de muchos compuestos inorgánicos en sistemas naturales, debido a su amplia presencia en suelo, elevada superficie de contacto y capacidad de formar cargas variables dependientes del pH.
Como resultado, el coeficiente de distribución reparto – Kd – está a menudo correlacionado con el contenido en componentes adsorbentes de la matriz del suelo.

 

Los compuestos orgánicos, en cambio, tienen carácter no polar, por lo que suelen interaccionar principalmente con la materia orgánica de la matriz. La tendencia de un contaminante orgánico a ser adsorbido por la matriz del suelo puede ser evaluada por medio del coeficiente de partición del carbono orgánico – KOC –, que representa la tendencia de una sustancia a distribuirse entre el agua y el carbono orgánico.

 


El Kd expresa la relación entre la concentración de una sustancia en la fase sólida del suelo y su concentración en la solución. Cuanto mayor es el valor de esta constante, menos móvil resulta el contaminante. Es preciso tener en cuenta que el valor de este coeficiente es específico para cada tipo de suelo y sustancia, de manera que si las condiciones del suelo varían (el pH por ejemplo), se modificará también el Kd de la sustancia.
En el caso de contaminantes orgánicos, se puede asumir que la totalidad de la sustancia adsorbida lo estará sobre la fracción orgánica del suelo, por lo que es posible aproximar el valor del Kd a partir del Koc y el contenido en carbono orgánico del suelo estudiado mediante la siguiente fórmula:

 

Ecuación 1: Coeficiente adsorción suelo-agua

donde:
Kd = Coeficiente de adsorción suelo-agua (g agua/g suelo)
fOC = fracción de carbono orgánico en el suelo (g carbono/g suelo)
KOC = coeficiente de adsorción carbono-agua (g agua/g carbono)

 

Tabla 8: Rango de valores para el parámetro
KOC (ml/g carbono orgánico)

 

Degradación
La mayoría de las sustancias químicas se hallan sujetas a reacciones de transformación bióticas (biodegradación) o abióticas, que originan la degradación de los contaminantes. Entre las segundas cabe citar la fotodegradación y la hidrólisis.
La fotodegradación es el proceso de descomposición de un compuesto químico bajo la acción de la luz del sol, y es más intenso en las sustancias situadas en superficie y expuestas a la acción del sol. La hidrólisis es la reacción de degradación que se produce en algunos compuestos por medio de la acción del agua, y es en ambientes saturados donde tiene mayor alcance.

 


La biodegradación es un proceso que puede producirse de forma espontánea o inducida y que consiste en la utilización de procesos microbiológicos para degradar o transformar los contaminantes. Se puede producir en presencia de oxígeno (condiciones aeróbicas) o en ausencia de él (condiciones anaeróbicas).

Durante la biodegradación los microorganismos presentes de forma natural en el medio transforman las sustancias químicas del suelo como consecuencia directa o indirecta de sus procesos metabólicos.
En presencia de oxígeno suficiente y nutrientes, los microorganismos convertirán muchos contaminantes orgánicos en dióxido de carbono, agua y masa celular microbiana, mientras que en su ausencia, el aceptor de electrones es otro compuesto distinto del oxígeno molecular, tal como nitrato, sulfato o dióxido de carbono, y los contaminantes serán metabolizados en metano, dióxido de carbono y cantidades traza de hidrógeno gas.
El oxígeno, cuando está presente, es el aceptor de electrones usado con preferencia, ya que proporciona la máxima cantidad de energía a los microorganismos, maximizando la producción celular y el crecimiento de los microorganismos por cantidad de donante de electrones empleado.
Por tanto, la biodegradación aeróbica se produce generalmente de forma más rápida y proporciona una degradación más completa de los compuestos orgánicos que la biodegradación anaerobia.
No obstante, debido a la limitada solubilidad del oxígeno en agua, es difícil proporcionar grandes cantidades de éste en medios contaminados en el subsuelo.

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