IV - Red Agua

IV. SIMULACION NUMÉRICA. TRANSPORTE REACTIVO
La modelación del transporte reactivo es una herramienta que permite
estudiar y evaluar cuales son aquellos procesos en un sistema natural en
particular, que controlan la movilidad del As. De hecho algunos interesantes
casos aplicados se han publicado en literatura (e.g. Radu et al., 2008; MasueSlowey et al., 2011).
En este sentido, se propone desarrollar modelos de transporte reactivo
para algunas de las áreas pilotos seleccionadas, además de aplicarlos como
una herramienta complementaria para la correcta interpretación de los
experimentos de laboratorio.
Antecedentes sobre la aplicación del transporte reactivo a la
problemática del arsénico
Modelos de transporte reactivo han sido descritos en la literatura
científica tanto en batch como en los experimentos en columna. Esta sección
no intenta sintetizar un estado del arte ya que la literatura científica existente es
vasta y completa;sinopresentar aquella que permita caracterizar las potenciales
fuentes, el comportamiento, la movilidad y la retención del arsénico en los
materiales del suelo y los acuíferos. Sin embargo, a pesar de que gran parte de
la literatura existente se basa en regiones diferentes a la Chaco-Pampeana, se
considera que los mecanismos y procesos involucrados son completamente
extrapolables a las regiones afectadas en nuestro país, siendo esta
informaciónsumamente útil para todos aquellos investigadores que trabajan en
el marco de la problemática del arsénico en los sistemas naturales.
Uno de los objetivos del presente proyecto es predecir el transporte de
las componentes químicas (como lo es el As) desde sus términos fuentes en
los diferentes materiales del acuífero y suelo en las áreas pilotos propuestas.
Para esto se hace necesario el uso de modelos numéricos ya que la
combinación de transporte y química (como lo es para el caso particular del As)
genera complicados patrones de distribución en las concentraciones que son
difíciles por no decir imposibles de estimar de otra manera. La modelación del
transporte reactivo es una herramienta que permite estudiar y evaluar cuales
son aquellos procesos en un sistema natural en particular, que controlan la
movilidad del As. De hecho actuales e interesantes casos aplicados han sido
publicados y algunos de ellos se describirán en la presente sección. Dicho esto,
se intenta motivar el desarrollo de modelos de transporte reactivo para el area
del piloto hidrogeoquímico, además de aplicarlos como una herramienta
complementaria para la correcta interpretación de los experimentos de
laboratorio. En este sentido, se prevé utilizar modelos de transporte reactivo
como MIN3P (Mayer et al., 2002; Bea et al., 2011, en revisión).
Considerando los procesos de adsorción y transporte bajo condiciones
abióticas, se pueden citar los trabajos de Williams et al., 2003, Jung et al., 2009
y Giménez et al., 2010. Sin embargo, en algunos ambientes las observaciones
sugieren que la movilidad y retención del arsénico pueden, en gran medida, ser
afectadas por la actividad biótica (Newman et al., 1998; Oremland y Stolz,
2003), por lo que han sido incluidos en algunos modelos (Lim et al., 2007;
Sharma et al., 2011; Masue-Slowey et al., 2011). En este sentido, Lim et al.
(2007) consideran diferentes procesos de degradación, y demuestran la
importancia de la actividad microbiana y la precipitación (o co-precipitación) del
As(III) en el transporte del arsénico.
Por otro lado, la movilidad y retención del arsénico puede ser un proceso
dinámico y depende en gran medida del ambiente hidrogeológico. Por ejemplo,
el transporte multicomponente ha sido aplicado con el objeto de estudiar el
acoplamiento de la química e hidrogeología sobre el transporte reactivo del
arsénico en un acuífero costero (Bahía de Waquoit, MA, Jung et al., 2009). En
este caso, el Fe(II) y As(III) disuelto contenido en las aguas subterráneas bajo
condiciones reductoras son oxidadas a medida que fluyen hacia la bahía, y la
oxidación del Fe(II)/Fe(III) resulta en la precipitación de óxidos de Fe(III)
conjuntamente con la oxidación y adsorción del arsénico.
El transporte reactivo también ha sido aplicado para evaluar
metodologías experimentales para remover el As(III) y As(V) en disolución. De
hecho, la alta capacidad de adsorción de la hematita ha sido demostrada
particularmente efectiva para remover el arsénico disuelto (Zhang et al., 2004).
Giménez et al., (2010) complementa con un modelo de transporte reactivo los
estudios experimentales en columna para la cinética de adsorción del arsénico
sobre hematita, proponiendo un modelo de no-equilibrio con dos sitios para la
adsorción del arsénico.
En determinados ambientes hidrogeológicos donde el contenido de
materia orgánica es importante, el arsénico puede formar complejos con la
materia orgánica disuelta (Wang et al., 2006; Jiang et al., 2009). Dichos
sistemas generalmente han sido estudiados por medio de la modelación en
batch pero Sharma et al. (2011) los estudia considerando el flujo de agua.
Dichos autores cuantifican la adsorción/desorción del arsénico sobre los óxidos
de hierro en presencia o no de materia orgánica tanto batch como afectada por
los procesos hidrodinámicos con el objetivo de determinar la especiación del
arsénico en la forma de oxi-aniones o acomplejado con la materia orgánica.
Como parte de los resultados, el As(III) fue hasta un 18% más rápido que el
As(V) (cuando se considera la presencia de materia orgánica) y hasta un 14%
para el caso sin materia orgánica.
Masue-Slowey et al. (2011) estudiaron por medio de técnicas
experimentales y numéricas la influencia de la estructura del suelo sobre los
procesos biogeoquímicos que controlan el transporte y retención del arsénico.
El As(III) y Fe(II) generado en el interior de los agregados esféricos de suelo
migran hacia el exterior de los mismos poniéndose a disposición del flujo de
agua preferencial que fluye alrededor de los agregados de suelo.
La recarga artificial de acuíferos es una atractiva técnica con el objetivo
de almacenar agua potencialmente viable para el consumo humano. Sin
embargo, la recarga de agua con importantes contenidos de oxígeno en aguas
subterráneas bajo condiciones anóxicas podría inducir la liberación de metales
trazas (e.g. el arsénico, Wallis et al., 2010). En estas circunstancias, la
movilidad del arsénico está controlada por su fuerte adsorción en los óxidos de
hierro, sin embargo dicha adsorción depende en cierta medida de las
concentraciones de arsénico, de su estado de oxidación, la presencia de otros
iones que compiten por los sitios de adsorción, del pH, etc. El arsénico fue
movilizado como consecuencia de la inyección de agua oxigenada en un
acuífero al S-O de Holanda (Wallis et al., 2010), y un modelo conceptual y
numérico fue desarrollado con el objeto de entender su movilidad y evolución
natural. En este caso, el transporte reactivo brindó una detallada descripción
con respecto a los procesos que afectan la distribución espacial y temporal de
los cambios hidro-geoquímicos que ocurren durante la recarga. Las
simulaciones demuestran que las condiciones redox en equilibrio y la adsorción
del arsénico sobre Fe(OH)3(s) es capaz de explicar las observaciones.
Metodología
Cabe destacar que la metodología a seguir en lo que respecta a la modelación
del transporte reactivo sigue los lineamientos clásicos del proceso de
modelación. En cierta medida los parámetros que alimentan los modelos de
transporte reactivo serán derivados de las medidas obtenidas en las diferentes
áreas piloto y laboratorio:
1. Definición del modelo conceptual sobre los procesos físicos y
geoquímicos que controlan la movilidad del arsénico.
2. Desarrollo del modelo numérico
a. Definición del sistema geoquímico incluyendo sus parámetros
termodinámicos y cinéticos. Se incluye además la caracterización
de la composición geoquímica del agua de poro y de aquellas que
entren en el sistema a partir del contorno. Las composiciones
químicas se prevé que provengan de los análisis de laboratorio de
las muestras obtenidas en las áreas piloto.
b. Discretización espacial del dominio. Este dependerá si el mismo
es escala local o regional.
c. Condiciones de contorno del modelo para el modelo de flujo,
transporte y geoquímico.
d. Parametrización del modelo de flujo, transporte y geoquímico.
Dichos parámetros serán derivados de las mediciones obtenidas
en las diferentes áreas piloto o en laboratorio.
3. Simulación numérica de diferentes escenarios que permitan justificar la
los patrones espaciales de distribución del arsénico que se observan en
las diferentes zonas piloto o las medidas de laboratorio.
Dicho procesos de modelación es iterativo y el número de iteraciones
dependerá si los resultados numéricos son capaces de reproducir los
procesos que controlan la movilidad del arsénico, y principalmente sus
concentraciones y otros parámetros geoquímicos como el pH.