comportamiento de los metales pesados en distintos tipos de lechos

COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS EN DISTINTOS TIPOS
DE LECHOS POROSOS
Hernández Martínez Edgar Antonio, Domínguez Sánchez Lucía
Academia de Residuos Peligrosos. Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas.
Instituto Politécnico Nacional. Av. Wilfrido Massieu S/N, Unidad Profesional Adolfo López Mateos. CP 07738 México, D.F. Tel.
57296000 ext 52328.*
RESUMEN
En este trabajo se determinó que la velocidad de infiltración es mayor cuando la muestra de suelo tiene un
mayor porcentaje de partículas gruesas (gravas y arenas) en comparación con el porcentaje de partículas
finas, mientras que se tienen menores velocidades de infiltración cuando la muestra de suelo tiene un
mayor porcentaje de partículas finas y un menor porcentaje de partículas gruesas.
También se determinó que el plomo en su forma soluble (sales de plomo) es muy afín al agua, por lo que
en suelos donde la velocidad de infiltración es muy grande, este se transportará con facilidad, sin
embargo, otros factores que alteran el transporte del plomo en el suelo es el pH y el porcentaje de arcillas
(partículas finas) que tiene la muestra de suelo, en suelos ácidos, como los suelos con altos contenidos de
arenas, el plomo es lixiviado con gran facilidad, sin embargo, la presencia de arcillas, ocasiona que este
metal se adsorba sobre la superficie de estas partículas, ya que, las arcillas se encuentra cargadas
negativamente además de tener una alta actividad superficial, entonces en suelos con altos contenidos de
arcillas, el plomo es retenido fácilmente.
PALABRAS CLAVE
Metal pesado., medio poroso, porosidad., infiltración, conductividad hidráulica
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52
INTRODUCCIÓN
el 6 % del volumen, como valor medio,
mientras que los organismos vivos ocupan
menos del 1 % (Eweis, 1999).
Características de los suelos
Materia orgánica de un suelo
El suelo puede considerarse como un sistema
natural desarrollado a partir de una mezcla de
minerales y restos orgánicos, bajo la influencia
del clima y del medio biológico (Bautista,
1999).
Los suelos proporcionan soporte físico y
nutrientes para el crecimiento de las plantas y
los microorganismos. Los suelos fértiles,
aquellos que dan lugar a una abundante
producción de alimentos y fibra, se caracterizan
tanto por la presencia de nutrientes como por
una estructura física adaptable a los organismos
vivos. Existe una gran variedad de
microorganismos (bacterias, actinomicetos,
hongos, algas y protozoos) que casi siempre
están presentes en los suelos, aunque las
densidades de población de las mismas varían
ampliamente.
Las propiedades físicas y químicas de los suelos
influyen en gran manera sobre la aireación, la
disponibilidad de nutrientes y la retención de
agua y, por lo tanto, en la actividad biológica.
Las propiedades más importantes de las que
engloban estos grupos son el tamaño de la
partícula, la porosidad, la humedad, estado de
aireación, composición química, fracción de
arcilla, capacidad de intercambio de cationes y
fracción orgánica. El tamaño de partícula afecta
a la química de la superficie de los suelos y al
tamaño de los poros. La cantidad de poros
depende de la textura, estructura y contenido de
materia orgánica del suelo. En suelos arcillosos,
donde el tamaño de la partícula es del orden de
micrómetros, predominan los tamaños de poro
más pequeños, mientras que en suelos arenosos,
los poros de un suelo son mayores, siendo
menor la cantidad de poros.
Composición del suelo
La matriz de un suelo está compuesta por cinco
componentes principales: minerales, aire, agua,
materia orgánica y organismos vivos. Los
materiales minerales constituyen los principales
componentes estructurales de los suelos y
suponen más del 50 % del volumen total. El aire
y el agua conjuntamente constituyen el volumen
de poros, que, por lo general, ocupa entre el 25
y el 50 % del volumen total. La proporción aireagua varía considerablemente con la humedad
del suelo. La materia orgánica oscila entre el 3 y
La fracción orgánica del suelo está compuesta
por residuos de plantas y animales, células
microbianas y productos resultantes del
metabolismo microbiano y que, a menudo, se
conoce por el nombre de humus. El término
humus se refiere a la materia orgánica que ha
sufrido las suficientes degradaciones y
transformaciones como para que la materia
original no sea reconocible. El humus está
compuesto en su mayor parte por sustancias
polimerizadas:
compuestos
aromáticos,
polisacáridos, aminoácidos, polímeros del ácido
urocánico y compuestos que contienen fósforo.
La cantidad de humus en un suelo se ve afectada
en gran medida por las actividades agrícolas. Un
humus rara vez supera el 10 % en peso en
suelos minerales. Sin embargo, en suelos con un
alto contenido orgánico, como la turba, el
humus puede alcanzar el 90 % del peso del
suelo (Eweis, 1999).
Clasificación de un suelo según el tamaño de
grano
Las cantidades de arena, limos y arcilla en un
suelo determinado definen el grupo al que
pertenece dicho suelo. Se suele emplear el
triángulo de texturas, Figura 1, a la hora de
clasificar un suelo según el tamaño del grano.
Plasticidad del suelo
La plasticidad de un suelo depende de su
contenido de partículas más finas en forma
laminar, la cual ejerce una influencia importante
en la compresibilidad del suelo, mientras que el
tamaño pequeño de esas partículas hace que la
permeabilidad del conjunto sea baja, por lo que
existe una relación estrecha entre la plasticidad
y otras propiedades físicas de importancia
(Matus, 2009).
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
(S.U.C.S)
El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos
(SUCS) tiene por objetivo proveer una
clasificación cualitativa de los suelos de origen
mineral u orgánico-mineral con fines
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COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
ingenieriles, a partir de ensayos de laboratorio
que
determinan
sus
propiedades
granulométricas y de plasticidad. Dicho sistema
no clasifica cuantitativamente a los suelos,
razón por la cual, no debe ser utilizado para la
determinación de propiedades ingenieriles
(resistencia al corte, etc.) ni para la estimación
del comportamiento carga vs. deformación del
suelo o del sistema suelo-estructura.
Estructura y agregación de un suelo
Se puede definir, estructura, de un suelo como
la disposición y organización de las diferentes
partículas de un suelo. La estructura de un suelo
constituye una propiedad cualitativa del mismo
antes que una propiedad cuantitativa. Esta
estructura depende de la porosidad total de un
volumen de suelo, de la forma de cada poro y de
la distribución global de los tamaños de los
poros. Como resultado, la estructura de un suelo
afecta en gran medida a las propiedades
mecánicas del suelo, principalmente al
movimiento de los fluidos, incluidas la
infiltración, la retención de agua y la aireación.
La agregación de un suelo consiste en la
estabilización de la arena, limos y arcillas,
mediante la formación de complejos de materia
arcillosa- orgánica
en agregados. En
comparación con las partículas minerales, los
agregados constituyen unidades estructurales
temporales. Su estabilidad se ve afectada en
gran medida por la actividad microbiana, los
cambios climáticos y por las prácticas agrícolas,
tales como para la preparación del terreno para
su sembrado.
Gases de un suelo
Existe una relación directa entre las cantidades
de agua y aire contenidas en un volumen de
suelo, ya que aquel espacio de poros que no esté
ocupado por agua lo estará por gas. Los
principales gases que constituyen un suelo son,
en esencia, los mismos que se encuentran en la
atmosfera terrestre: nitrógeno, oxígeno, dióxido
de carbono. Sin embargo, las concentraciones
relativas de estos gases, en concreto del oxígeno
y dióxido de carbono, dependen de la aireación
del suelo y de la actividad microbiana en todo
perfil. En suelos con buena aireación la
concentración de oxígeno puede oscilar entre el
18 y el 20 % y la concentración del dióxido de
carbono puede alcanzar valores tan altos como
del 1 al 2 %. En suelos con menor aireación,
tales como suelos arcillosos con un alto
contenido en agua y una actividad microbiana
Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
(respiración) considerable, el dióxido de
carbono puede suponer tanto como un 10 % del
volumen del aire (Eweis, 1999).
Procesos y transporte
Las emisiones contaminantes al medio ambiente
como resultado de procesos industriales, el
empleo de productos elaborados y la
eliminación de residuos, raramente permanecen
en el punto de vertido sin sufrir transformación
alguna. Por lo general, se produce un transporte
a través de mecanismos de advección,
dispersión y transferencia entre fases. En
muchos casos, las transformaciones químicas y
bioquímicas dan lugar a cambios significativos
en la naturaleza de los contaminantes. Además,
algunos compuestos son conservativos, esto es,
altamente resistentes a transformaciones,
mientras que otros reaccionan con bastante
facilidad según medios químicos o bioquímicos
(Eweis, 1999).
Por lo tanto, aquellos contaminantes que han
sufrido transformaciones o han sido vertidos en
un tiempo anterior pueden poseer una
composición muy diferente a la de vertidos
resultantes de las fugas producidas en depósitos
subterráneos de almacenamiento de gasolina
que sirve como excelente ejemplo de transporte,
transferencia entre fases y procesos de
transformación.
Procesos de transferencia entre fases
Aquellos procesos diferentes de la advección y
la dispersión hidrodinámica, que dan lugar al
movimiento hacia el interior y el exterior del
volumen de control, se definen como procesos
de transferencia. Los procesos de transferencia
de mayor importancia son la adsorción,
disolución, absorción y volatilización.
Adsorción
Las moléculas de un compuesto en solución
resultan adsorbidas en la superficie de un sólido
a través de una reacción química (quimisorción)
o por fuerzas físicas (por ejemplo las de Van de
Waals). Los enlaces químicos son más fuertes y
más difícilmente reversibles que las uniones
físicas. En la mayoría de los casos la
quimisorción es básicamente permanente,
mientras que la adsorción física es fácilmente
reversible. La quimisorción limita el transporte
y fija a los contaminantes.
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Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52
Las tasas de adsorción y desorción dependen de
la concentración del contaminante en solución.
Si la concentración del contaminante disuelto
aumenta, la adsorción aumenta. La adsorción se
ve afectada por las propiedades del compuesto
contaminante (estructura molecular, carga,
polaridad y solubilidad en agua) y las
propiedades del medio (pH, humedad, contenido
de arcillas, compuestos orgánicos).
Disolución
El producto puro en contacto con agua se
disolverá hasta que se vea limitado por la
solubilidad del compuesto. El transporte entre
fases por lo general se presenta como una
función de: la diferencia entre las condiciones
de equilibrio de fase y las condiciones reales y
la superficie de la interfase. Cuando existe
producto puro, la tasa de transferencia es
función de la diferencia entre la solubilidad del
compuesto contaminante (es decir, la condición
de equilibrio donde existe producto puro) y la
concentración medida
rta= KLa (Cs-Cb)
KL= coeficiente de transferencia de masa, m/s
a= superficie de la interfase por unidad de
volumen, m2/m3
Cs= concentración en el equilibrio, mg/l
Cb=concentración medida, mg/l
Volatilización y condensación
Existen muchos contaminantes en fase vapor, al
igual que en fase liquida y sólida. La
volatilización es el proceso por el cual los
compuestos químicos pasan de una fase liquida
o sólida a una fase gas (vaporización) como
resultado de la difusión molecular, este
fenómeno se presenta por la diferencia de
potencial químico entre fases (líquido y gas).
resultado de procesos biológicos, químicos y
físicos (Eweis, 1999).
Degradación biológica
En la biodegradación, los microorganismos
transforman contaminantes mediante reacciones
metabólicas. Los microorganismos del terreno
transforman tanto compuestos orgánicos como
inorgánicos. Los procesos de biorrecuperación
incluyen reacciones de óxido- reducción,
procesos de adsorción e intercambio de iones y
reacciones de quelación y de formación de
complejos, que dan lugar a la fijación de los
metales.
1) Transformación biológica de compuestos
orgánicos
Los procesos de biorrecuperación más
importantes conllevan la oxidación biológica de
los contaminantes orgánicos. Los compuestos
biodegradables se encuentran inicialmente
vinculados a enzimas extracelulares y son
transportados a la membrana celular. Entonces,
se producen una serie de reacciones de
trasformación en los cuales se separan los
electrones del compuesto y se oxida la
estructura del carbono.
La energía desprendida en las reacciones se
emplea para la síntesis de nuevo material
celular, para la reparación del material dañado,
el transporte de compuestos al interior de la
célula y, en algunos casos, para el movimiento.
Una vez los contaminantes orgánicos han sido
convertidos en CO2 y H2O, se dice que se ha
producido la mineralización. Nunca se realiza la
mineralización completa, debido a que una parte
del material orgánico se transforma en células.
(Eweis, 1999).
Degradación natural
La condensación es el proceso por el cual unos
productos químicos pasan de la fase gas a la
líquida otra vez como resultado de la difusión
molecular que se produce debido a la diferencia
de potencial químico existente entre las fases
gas y líquido.
Transformación de contaminantes
Se dice que un componente que sufre
transformaciones (degradado o generado) en un
volumen de control es no conservativo. La
transformación
puede
producirse
como
En la naturaleza, los contaminantes a menudo se
transforman debido a cierto número de factores
no relacionados entre sí, los cuales, por lo
general, resultan demasiado complejos de
caracterizar e imposible de cuantificar. Lo
habitual es definir la degradación total debida a
estos factores como degradación natural,
atenuación natural y/o biorrecuperación
intrínseca. La tasa de degradación natural puede
expresarse mediante un modelo de varios
parámetros, el cual se supone sigue una cinética
de primer orden.
44
Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
Degradación química
Muchas reacciones químicas llevan a la
destrucción o degradación de determinados
compuestos en el medio ambiente. A partir de
las relaciones de equilibrio termodinámico ya
conocidas, se establecerá si una determinada
reacción se va a producir o no. Los tres tipos de
reacción más importantes son: fotodegradación,
hidrólisis y oxidación- reducción.
mutagénicos
y
teratogénicos)
cuando
sobrepasan las concentraciones naturales, al
reaccionar con los átomos de azufre presentes
en las proteínas, con lo que se produce una
desactivación
enzimática:
también,
por
reemplazo de otros cationes esenciales en la
estructura de las biomoléculas; además de ser
bioacumulables (Bautista, 1999).
TABLA 1. COMPARACIÓN DE LOS
EFECTOS DE ALGUNOS
CONTAMINANTES EN AGUA Y SUELO.
Metales pesados
Como se mencionó anteriormente, el suelo
puede describirse como un sistema abierto y
dinámico, compuesto por tres fases: sólida
(orgánica e inorgánica) líquida y gaseosa.
La fase sólida está formada principalmente por
minerales complejos, óxidos, sales y materia
orgánica
en
diferentes
etapas
de
descomposición. Los espacios libres están
ocupados por gases, de diversa composición y
en parte por la fase líquida (Bautista, 1999).
Esta, también llamada solución del suelo, que
está compuesta por iones disueltos procedentes
de las otras fases, es la más activa y conforma
un subsistema dinámico en el que se llevan a
cabo, entre otras, reacciones de complejos
solubles, óxido- reducción, adsorción
y
precipitación- disolución.
En condiciones normales, la mayoría de los
compuestos de los metales potencialmente
tóxicos se encuentran en cantidades fijadas por
consideraciones del orden geológico y en
formas químicas muy insolubles, por lo tanto,
no representan un peligro para la biota (Ruda,
2004).
No obstante, como consecuencia de las diversas
actividades humanas, principalmente la
industria, esta situación ha cambiado
radicalmente. Se han acumulado en los suelos
diversos compuestos de estos elementos en
grandes cantidades y/o en formas solubles,
rompiendo el equilibrio natural y causando la
contaminación de acuíferos y, en ocasiones, la
introducción de estos elementos en la red
trófica. Particularmente importantes en este
sentido son los llamados metales pesados.
Los metales pesados en los organismos
ocasionan problemas de toxicidad (capacidad
intrínseca de causar daño, incluyendo los
efectos
potencialmente
carcinogénicos,
Agua
-----D
D
D
D
D
D
Contaminante
Sales
Fertilizantes
Metales pesados
Plaguicidas
H+
Lodos residuales
Hidrocarburos
Suelo
D
B
DB
D
-----DB
D
D= dañino, B= benéfico y DB= que puede ser
dañino o benéfico dependiendo de las
condiciones en las que se presente.
Nota. Fuente: Bautista, F. (1999). Introducción
al estudio de la contaminación del suelo por
metales pesados (p. 20). México: Universidad
Autónoma de Yucatán.
Los metales pesados en los suelos interactúan
con las arcillas, los oxi- hidróxidos, la materia
orgánica
(polisacáridos,
carbohidratos,
aminoácidos, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos,
etc.), carbonatos, sulfatos y demás, con los que
se presenten procesos de adsorción, sustitución
isomórfica, quelación, precipitación, oxidación,
reducción, entre otros, que dependiendo de las
propiedades particulares del suelo, pueden ser
benéficos, dañinos o no presentar efecto.
Cuando se menciona el término metal pesado,
algunas personas lo interpretan como elemento
tóxico, lo cual es incorrecto, pues no todos los
metales pesados son tóxicos ni todos los
elementos tóxicos son metales pesados.
El termino metal pesado será utilizado para los
metales que tienen una densidad mayor o igual
a 6 g/cm3.Otros autores utilizan como índice un
valor de densidad de 5 g/cm3 (Bautista, 1999).
Algunos de estos son: plata (Ag),cadmio (Cd),
cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu), Hierro
(Fe), mercurio (Hg), plomo (Pb), níquel (Ni),
etc. Este término es empleado también para los
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elementos que no son metales pero son tóxicos,
como el arsénico.
La toxicidad de los elementos depende en gran
medida de las dosis o cantidades de las que se
traten. Otros metales como el platino (Pt),
uranio (U), wolframio (W) y oro (Au), que son
de los más pesados no han sido reportados como
esenciales ni como contaminantes.
Las fuentes de metales pesados se pueden
clasificar en naturales y antrópicas, las primeras
a su vez pueden ser clasificadas por su origen,
ya sean productos del intemperismo o por
emisiones volcánicas.
Las fuentes antrópicas (Tabla 2) las podemos
clasificar en puntuales (fijas) y no puntuales
(móviles). Dentro de las primeras tenemos a las
industrias. Dentro de las segundas están los
lodos residuales, fertilizantes, cenizas y humos
(Bautista, 1999).
TABLA 2. FUENTES ANTRÓPICAS DE
METALES PESADOS.
Fuente
Metales pesados
Lodos
residuales
Riego
Fundidoras
Plaguicidas
Fertilizantes
Minas
Abonos
Carbonatos
Combustión de
carbón
Cd, Pb, Cr, As, Zn, Co, Ba,
Be, Ce, Cu, Mn, Co, Hg,
Mo, Ni, Sr, V y Zr
Cd, Pb, Se
Pb, Cd, Sb, Hg.
Pb, Hg, Cu, V y Zn
Cd, Pb, Ce, Co, Cr, Cu, Mn,
Mo, Ni, Sn, Sr, Zn.
Pb, Cd, As, Hg
Se, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr,
Zr y Zn
Ce, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sr,
Zn y Zr
Pb, Se
Nota. Fuente: Bautista, F. (1999). Introducción
al estudio de la contaminación del suelo por
metales pesados (p. 35). México: Universidad
Autónoma de Yucatán.
De manera general los elementos se pueden
clasificar en metales y no metales, a su vez los
metales se separan en transicionales, alcalinos y
alcalinotérreos. A menudo, se encuentran
términos como:
Metal vestigio: se refiere a los elementos
metálicos que se encuentran en la solución del
suelo en concentraciones menores de 1 mol/m3,
o a los elementos que tienen concentraciones
menores a 100 mg/kg de la fase sólida del suelo.
También se les llama así a los metales de la
clase “B” de la tabla periódica. Los metales
vestigio no son necesariamente peligrosos,
algunos de ellos son esenciales para vegetales y
animales.
Elementos esenciales: son aquellos que se
requieren para la vida de las plantas, sin ellos no
se completa el ciclo vital. Se tiene que
considerar que no todos los elementos
esenciales para las plantas lo son también para
otros organismos y que hay elementos
esenciales para otros organismos pero no lo son
para las plantas. Por ejemplo, el Br es
considerado esencial en algunas algas; el Co es
esencial en animales y no en plantas, los mismo
sucede con el Cr.
Elementos traza: en química se utiliza este
término, para nombrar a los elementos
radiactivos utilizados para conocer la ruta que
algún elemento sigue determinados procesos,
por ejemplo 15N o 14C que no son metales.
Interacción de los metales pesados con el
ambiente
La naturaleza diversa de los compuestos que se
originan en la actividad industrial, ganadera y la
proveniente de residuos urbanos, son
ecológicamente imprevisibles. De hecho, si los
compuestos son solubles se incorporan a las
plantas y a los animales que los ingieren. Por
otro lado, si los compuestos no son solubles
permanecen en el suelo retenidos sin poder ser
procesados eficazmente por las redes tróficas,
salvo en ciertas condiciones de acidez del
terreno. Cuando la contaminación es efectiva y
los mecanismos naturales de depuración quedan
saturados,
se
produce
una
paulatina
desaparición de las especies animales y
vegetales, y en casos extremos a la
transformación de un suelo totalmente estéril
(Ruda, 2004).
La forma habitual de presentación de los
metales en el suelo es en forma catiónica,
tendiendo a hidrolizarse rápidamente en las
soluciones del suelo. La acumulación de metales
se centra en la interfase entre una fase sólida y
una fase acuosa al adsorberse éstos sobre la
superficie sólida del suelo en forma de
complejos neutros, catiónicos y aniónicos. Las
arcillas y la materia orgánica, debido a que
presentan cargas superficiales negativas, son los
46
Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
componentes del suelo retenedores
excelencia de metales pesados.
por
La química de los metales pesados en el suelo es
compleja. La distribución de los metales
añadidos a los suelos se puede resumir de la
siguiente manera. Los metales que se incorporan
en el suelo, como los que ya están, podrán
distribuirse en la fase sólida o en la fase líquida
del mismo. Los metales disponibles a las plantas
y los susceptibles a la lixiviación están presentes
siempre en la solución del suelo o sea en su fase
líquida, ya sea como iones metálicos libres,
como complejos y/o como quelatos.
Cuando estos son adsorbidos por las plantas o
lixiviados a las capas inferiores, la solución del
suelo se requiebra restituyendo nuevamente
estos metales de su fase sólida. De modo que se
establece un equilibrio constante entre ambas
fases del suelo. Por otra parte los metales en la
solución del suelo pueden sufrir procesos de
precipitación (carbonatos, hidróxidos, fosfatos,
etc.) y/o adsorción (arcillas, materia orgánica)
es decir pasar a la fase sólida y quedan
inmovilizados.
La mayor o menor incorporación de los metales
a las plantas dependerá de todos estos procesos
mencionados anteriormente, los cuales a su vez
dependen del pH del suelo. Cuanto más bajo sea
éste, mayor será la concentración de metales en
solución y por consiguiente estarán más
disponibles para las plantas. La movilidad de los
metales pesados está determinada decisivamente
por el pH del suelo, a pH ácido aumenta la
movilidad del aluminio, zinc, manganeso, cobre,
hierro y cobalto y a pH básico la del molibdeno
y del selenio.
En general, en los suelos con elevada capacidad
de intercambio catiónico (ricos en materia
orgánica y con altos contenidos de arcilla), ser
asegura una cierta inmovilización de los metales
pesados por quedar estos retenidos por
adsorción al complejo coloidal del suelo.
OBJETIVO GENERAL
Describir el comportamiento de los metales
pesados al depositarlos en distintos tipos de
lechos porosos.
OBJETIVOS PARTICULARES
Caracterizar los tres diferentes medios
porosos (Clasificación S.U.C.S, Sistema
Unificado de Clasificación de Suelos)
seleccionados.
Calcular la conductividad hidráulica de los
metales pesados en solución acuosa en
diferentes medios porosos.
Identificar las diferentes variables que
afectan la infiltración de los metales
pesados a través de lechos porosos.
METODOLOGIA
1) Como primer actividad se debe de
investigar la composición y las
características generales del suelo, que
es el medio poroso, de estudio,
apoyándose de fuentes de información
(libros, artículos científicos, tesis,
proyectos de titulación, entre otros).
2) Investigar
los
mecanismos
de
transporte y los tipos de procesos
biológicos, físicos y químicos de las
sustancias químicas a través del medio
poroso.
3) Posteriormente se tienen que investigar
y analizar los antecedentes que existen
respecto al tema de investigación
(Comportamiento de los metales
pesados en distintos tipos de lechos
porosos).
4) Investigar la normatividad nacional
existente en materia de contaminación
de suelos.
5) Una vez concluida la investigación
teórica, se procede a la selección de los
tres tipos de medios porosos que se
utilizarán en este proyecto.
6) Después se deben de elegir los tres
metales pesados que se utilizarán así
como la concentración de la solución
que se preparará dependiendo del tipo
de metales.
7) Caracterización de tres diferentes tipos
de medios porosos: clasificación del
suelo, pH y concentración de metales
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Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52
pesados antes de iniciar la parte
experimental.
8) Una vez caracterizados los tres tipos de
medios porosos, realizar las pruebas de
permeabilidad
(conductividad
hidráulica) con agua, sin la adición de
metales pesados. En esta parte
experimental, se utilizan diferentes
valores de carga hidráulica y de
compactación del suelo, con la
finalidad
de
observar
el
comportamiento del agua, a través de
los medios porosos.
9) Concluidas
las
pruebas
de
permeabilidad con agua, se deben
realizar las pruebas de permeabilidad
con los tres tipos de metales pesados
(soluciones
de
concentración
conocida), se utilizan diferentes valores
de carga hidráulica y de compactación
del suelo, con la finalidad de observar
el comportamiento de los metales
pesados, a través de los medios
porosos.
10) Medir la concentración de los metales
pesados en la parte inferior de las
columnas
de
infiltración
(concentración final), después de un
período de tiempo establecido. Este
paso se debe de realizar con cada uno
de los experimentos individuales que
se realicen.
11) Recopilación de los resultados
obtenidos en el desarrollo experimental
del proyecto.
12) Consultar la bibliografía para describir
el comportamiento de los metales
pesados, observados durante el
desarrollo experimental.
13) Identificar las diferentes variables que
afectan la permeabilidad de los metales
pesados a través de los medios porosos.
14) Elaboración de la discusión y
conclusión
de
los
resultados
experimentales obtenidos.
DESARROLLO EXPERIMENTAL Y
RESULTADOS
CLASIFICACIÓN DE SUELOS
(TABLA No. 4)
Se tomaron tres muestras suelo en
diferentes si sitios y se realizaron las
siguientes determinaciones:
Determinación del porcentaje de finos por
lavado
La determinación del porcentaje de
finos presentes en la muestra de suelo
por lavado, para lo cual se realizó el
análisis
granulométrico
(Granulometría).
Límite Líquido y límite plástico
Posteriormente se procedió a calcular el Límite
Líquido de cada una de las muestrasde suelo,
esta determinación, se realizó el Límites de
Consistencia
(Clasificación
de
suelos),
utilizando el método Unificado de Clasificación
de Suelos (S.U.C.S).
Índice Plástico (IP)= Límite Líquido (LL)Límite Plástico (LP)
Posteriormente a la clasificación de las tres
muestras de los sitios de estudio, se determinó la
velocidad de infiltración de agua a través de
estas muestras de suelo, utilizando el equipo de
infiltración de suelos.
Después de calcular la velocidad de infiltración
en las tres muestras de suelo, se preparó una
solución de metales pesados en 6L de agua, con
la siguiente concentración final:
TABLA No 3. CONCENTRACIÓN DE LA
SOLUCIÓN DE METALES PESADOS
UTILIZADA EN LA DETERMINACIÓN
DE LA INFILTRACIÓN DE METALES
PESADOS EN LOS TRES MEDIOS
POROSOS SELECCIONADOS.
Metal
pesado
Sal
utilizada
Formula
Química
Concentració
n del metal
(ppm)
Plomo
(Pb)
Acetato de
plomo
trihidratado
Pb(CH3CO
O)2·3H2O
91.37
K2Cr2O7
59.05
Cromo
(hexavalen
te)
Dicromato
de potasio
Como última etapa del desarrollo experimental,
se agregaron 1.5 L de la solución inicial de 6 L
de esta solución preparada con plomo y cromo
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Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
(hexavalente), a cada una de las 3 columnas del
equipo de infiltración, en la cuales, cada una de
estas, contiene a una muestra de suelo
especifica.
columnas de infiltración, para la
determinación de plomo y cadmio en las
muestras se utilizó el espectrofotómetro
de absorción atómica, de acuerdo a la
NMX- AA-132-SCFI-2006, MUESTREO
DE
SUELOS
PARA
LA
IDENTIFICACIÓN
Y
LA
CUANTIFICACIÓN DE METALES Y
METALOIDES, Y MANEJO DE LA
MUESTRA.. Para la determinación de
cromo hexavalente se utilizó el método
colorimétrico, de acuerdo a la NMX-AA044-SFI-2001.
Después de la adición de la solución de metales
pesados, se dejó que la solución se infiltrará en
cada una de las muestras en un periodo de
tiempo de dos semanas, posteriormente se
recolecto la solución de metales pesados que se
obtuvo en los recipientes de plástico ubicados
debajo de cada columna, resultado del la
infiltración de la solución inicial de metales
pesados estas muestras fueron almacenadas en
recipientes de vidrio de 350 mL.
RESULTADOS
Los resultados obtenidos se
concentrados en las siguientes tablas
1) Para determinar la concentración de los
metales pesados en la solución resultado
de la infiltración de cada una de las
muestran
TABLA No. 4. CLASIFICACIÓN DEL SUELO Y VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN
pH
Velocidad
promedio de
No. Muestra
Procedencia
Clasificación
infiltración
(mm/h)
Arcilla inorgánica de
Zona Norte “Indios
8.41
alta plasticidad con
Verdes”, Gustavo A.
1
8.15
gran cantidad de
Madero, Distrito
finos o partículas
Federal
finas (arcilla densa).
Ex- refinería 18 de
8.8
Arcilla inorgánica de
2
Marzo, Azcapotzalco,
8.1
alta plasticidad.
Distrito Federal
8.96
Arcilla inorgánica de
Banco de materiales
baja plasticidad o
3
“La Carbonera”
30.8
arcilla ligera arenosa
Cuernavaca, Morelos
con grava.
TABLA NO. 5 CONCENTRACIÓN DE
INFILTRACIÓN EN LAS TRES MUESTRAS
Velocidad
promedio de
infiltración
No. Muestra
(mm/h)
1
8.15
2
8.1
3
30.8
METALES
ANTES
Y
DESPUÉS
Cr 6+
(mg/L)
Pb (mg/L)
inicial
final
DE
inicial
final
2.07368421
59.05
0.0257
91.37
2.17894737
59.05
0.0495
91.37
2.38947368
59.05
0.0513
91.37
49
LA
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52
DISCUSIÓN
En la tabla 2, se observan los diferentes valores
de velocidad de infiltración promedio
encontrados para cada muestra de suelo, para la
muestra 1, se obtuvo una velocidad de
infiltración de 8.15 mm/h, para la muestra 2,
una velocidad de infiltración de 8.1 mm/h y
finalmente para la muestra 3, una velocidad
promedio de 30.8 mm/h, por lo tanto, la muestra
3, tiene la velocidad de infiltración más alta en
comparación con las velocidades de infiltración
de las muestras 1 y 2, mientras que la velocidad
de infiltración de la muestra 2, es la velocidad
más baja respecto a las otras dos velocidades de
las muestras 1 y 3.
La velocidad de infiltración de la muestra 3, es
de 30 mm/h ya que esta muestra se clasifica
como una arcilla inorgánica de baja plasticidad
o arcilla ligera arenosa con grava) ya que esta
muestra contiene un 17.40% de grava, un
57.41% de arena y un 25.19% de finos
(incluyendo limos y arcillas), este porcentaje de
grava y de arena en conjunto representan más
del 74.81 % de partícula gruesas, lo que causa,
que estas tengan una espacio considerable entre
ellas y permitan el paso libre de agua, en
general, tanto arena como grava son
consideradas como partículas gruesas en
comparación con los limos y arcillas, las cuales
se clasifican como partículas finas. Los suelos
con predominio del contenido de arena suelen
tener una capacidad de retención de agua baja y
una permeabilidad alta; en general, tiene una
buena aireación y drenan bien (Eweis, 1999).
Respecto a la velocidad de infiltración de la
muestra 1 y 2, éstas resultan ser muy similares
con una velocidad promedio de infiltración de
8.15 y 8.1 mm/h respectivamente.
La velocidad de la muestra 1, es de 8.15 mm/h
porque, se clasifica como arcilla inorgánica de
alta plasticidad con gran cantidad de finos o
partículas finas debido a que tiene un 82.53% de
partículas finas y un 17.47% de partículas
gruesas, dominando la cantidad de partículas
finas, las cuales son las partículas de limos y
arcillas, recordando que los suelos con altos
contenidos de limos suelen tener problemas de
formación de costras, lo cual resulta en
escorrentía superficial además suelen ser
cohesivos y tener una capacidad de retención
del agua muy alta y una baja permeabilidad, lo
que supone velocidades de infiltración y
aireación bajas (Eweis, 1999) como se observa
cuando se compara la velocidad de infiltración
de la muestra 1 (8.15 mm/h) con la velocidad
de infiltración de la muestra 3 (30.8 mm/h) la
cual contiene mayor cantidad de partículas
gruesas.
La velocidad de infiltración de la muestra 2, es
la menor de todas, debido a que se clasifica
como arcilla inorgánica de alta compresibilidad
(arcilla densa), y esta muestra se compone de
un 84.70% de partículas finas y 15.30% de
partículas gruesas, si se compara con el
porcentaje de partículas finas de la muestra 2
(82.53%) se observa que este valor es menor al
porcentaje de finos de la muestra 3 (84.70%),
entonces esta mayor cantidad de partículas fina
presentes en la muestra 3 (limos y arcillas)
ocasiona que disminuya la velocidad de
infiltración (8.1 mm/h) sin embargo al contener
limos y arcillas la capacidad de retención de
agua es alta y la permeabilidad muy baja, ya que
estas partículas, al tener un menor tamaño, en
comparación con las partículas de arena, están
mejor empaquetadas, ya que en un mismo
volumen de suelo, se encuentran mayor cantidad
de partículas de limo y arcilla, muy bien
acomodadas, si en este mismo volumen, se
encontrarán, partículas de arena.
Ahora analizando los datos de las
concentraciones de la solución de metales
pesados preparada con sales de plomo, cadmio y
cromo la cual se añadió a cada una de las
muestras, se obtuvieron, los siguientes
resultados., se observa que la mayor
concentración de plomo se encontró en la
solución obtenida después del proceso de
infiltración de la muestra 3, con una
concentración de 2.38 mg/L de plomo, esto se
puede explicar porque las sales de metales
pesados de plomo, cadmio y mercurio, son muy
solubles en agua, entonces al ser muy solubles
en agua, tendrán una mayor afinidad hacia la
fase acuosa en comparación con la fase líquida
por lo tanto se transportara una mayor cantidad
de plomo en la fase acuosa a la misma velocidad
de infiltración del agua en esta muestra que es
de 30 mm/h, la velocidad de infiltración más
alta en comparación con las velocidades de la
muestra1 y 2, sin embargo, la concentración
inicial de la solución que se agregó a la muestra
3 es de 91.37 mg/L de plomo y la concentración
final es de 2.38 mg/L, demostrando que si existe
una interacción entre las partículas del suelo y
los átomos de plomo. Además, en esta muestra
3, hay que recordar que el 57.41% de esta
muestra son arenas, y generalmente las arenas
silíceas (arenas más comunes) tienen pH ácidos,
los que favorecería la lixiviación del plomo ya
que a intervalos de pH ácidos en el suelo (pH
50
COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS
<5.5) se facilita la lixiviación de este metal. Sin
embargo, si existen iones fosfato o carbonato,
en esta muestra de suelo, este metal se podría
inmovilizar.
Las muestras 1 y 2, tienen mayor cantidad de
partículas finas en comparación con la muestra
3, 82.53 % y 84.70% respectivamente, lo cual
podría dificultar el paso de los átomos de plomo
a través de este tipo de suelos, este
comportamiento se puede explicar consultando
estudios anteriores, en los cuales, se demuestra
que las arcillas tienen una alta capacidad de
adsorción del plomo, con un valor de Kd,
promedio de 4500 cm3/g (Martínez, 1996), en el
caso de plomo, debido a la capacidad
amortiguadora del suelo para modificar el pH de
la solución (6-7.5), la adsorción se debe
principalmente a la precipitación des este metal.
Entonces, el plomo se adsorbe en mayor
proporción en la muestra 1, ya que esta muestra
se clasifica como arcilla inorgánica de alta
plasticidad con gran cantidad de finos o
partículas finas (arcilla densa), ya que se obtuvo
una concentración de plomo en la solución
obtenida después de la infiltración, de 2.073
mg/L, que representa la concentración de plomo
más baja que se obtuvo en comparación con los
otros valores de la soluciones obtenidas después
de la infiltración en las muestras 2 y 3 (2.17
mg/L y 2.38 mg/L de plomo), como se observa
en la tabla 30.
También se menciona que otro factor que afecta
el transporte de plomo a través de esta muestra
de suelo es la carga iónica que contienen las
arcillas.
Las arcillas están cargadas
negativamente, por lo que suelos con mayores
concentraciones de arcillas exhiben capacidades
de intercambio catiónico mayores, entonces se
espera, que el plomo se retenga en los suelos de
la muestra 1 y 2, ya que estos contienen
mayores cantidades de partículas finas (82.53 %
y 84.70% respectivamente) dentro de las cuales
se encuentran las arcillas.
Respecto al comportamiento del cromo
hexavalente, se tiene que la solución obtenida
después de la infiltración a través de la muestra
de suelo 1, es de 0.0257 mg/L de cromo
hexavalente, y la solución obtenida después de
la infiltración a través de la muestra 2, es de
0.0495 mg/L de cromo hexavalente, recordando
que la concentración de cromo hexavalente
inicial de la solución agregada es de 59.05 mg/L
de cromo hexavalente (Tabla 29), si se compara
con el valor de la solución obtenida después de
Hernández Martínez y Domínguez Sánchez
la infiltración en la muestra 3 de 0.0513 mg/L
de cromo hexavalente, se observa que esta
última concentración es mayor, esta diferencia
se observa ya que las muestras 1 y 2, contienen
un alto contenido de partículas finas (82.53 % y
84.70% respectivamente) lo que representa una
mayor adsorción del cromo hexavalente sobre la
adsorción de las superficie de las arcillas
cargadas negativamente (el cromo hexavalente
tiene una carga positiva), las cuales se
encuentran
en
mayor
proporción
en
comparación con la muestra 3, la cual se
constituye principalmente de partículas de
arena, estas partículas tienen una menor
actividad superficial, debido a su gran volumen,
en comparación con las arcillas y limos (las
arcillas tienen la mayor actividad superficial de
todas las partículas de suelo).
CONCLUSIONES
En este trabajo se determinó que la velocidad de
infiltración es mayor cuando la muestra de suelo
tiene un mayor porcentaje de partículas gruesas
(gravas y arenas) en comparación con el
porcentaje de partículas finas, mientras que se
tienen menores velocidades de infiltración
cuando la muestra de suelo tiene un mayor
porcentaje de partículas finas y un menor
porcentaje de partículas gruesas.
También se determinó que el plomo en su forma
soluble (sales de plomo) es muy afín al agua,
por lo que en suelos donde la velocidad de
infiltración es muy grande, este se transportará
con facilidad, sin embargo, otros factores que
alteran el transporte del plomo en el suelo es el
pH y el porcentaje de arcillas (partículas finas)
que tiene la muestra de suelo, en suelos ácidos,
como los suelos con altos contenidos de arenas,
el plomo es lixiviado con gran facilidad, sin
embargo, la presencia de arcillas, ocasiona que
este metal se adsorba sobre la superficie de estas
partículas, ya que, las arcillas se encuentra
cargadas negativamente además de tener una
alta actividad superficial, entonces en suelos con
altos contenidos de arcillas, el plomo es retenido
fácilmente.
Respecto al cromo hexavalente, se presenta el
mismo fenómeno, que ocurre con el plomo, la
presencia de arcillas, ocasiona que este metal se
adsorba sobre la superficie de estas partículas,
ya que, las arcillas se encuentra cargadas
negativamente y el cromo hexavalente, al igual
que el plomo, están cargados positivamente, ya
que estos son cationes, además las arcillas
51
Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52
tienen una alta actividad superficial, entonces en
suelos con altos contenidos de arcillas, el cromo
hexavalente es retenido fácilmente.
Finalmente, el comportamiento del plomo y el
cromo, depende de varios factores, como la
cantidad de arcillas presentes en el suelo, el pH
de este, la cantidad de arenas y partículas
gruesas, así como de la velocidad de infiltración
del agua a través de estos, principalmente.
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