Capacidad de sorción de NAPL y permeabilidad de las

REFERENCIA TÉCNICA
CAPACIDAD DE SORCIÓN DE LÍQUIDOS EN FASE NO ACUOSA (NAPL) Y
PERMEABILIDAD DE LA MEZCLA DE ORGANOARCILLA/ARENA
Este estudio lo realizó la Universidad de Tejas en la Facultad de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Medioambiental de Austin (Austin
Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering), para el Departamento de Calidad Medioambiental (Department of
Environmental Quality) del estado de Oregón. Se llevaron a cabo una serie de experimentos para evaluar la capacidad de sorción y
permeabilidad de la organoarcilla al exponerla a cuatro líquidos en fase no acuosa (NAPL) diferentes del sitio de McCormick & Baxter
Creosote. La capacidad que mostró la organoarcilla fue independiente del tipo de NAPL. La capacidad de sorción de la organoarcilla PM200 de CETCO, analizada en lotes, fue > 4,4 gramos de NAPL/gramo de organoarcilla. Dicha capacidad de sorción de la organoarcilla PM200 de CETCO, en análisis en columna, fue > 1,35 gramos NAPL/gramo de organoarcilla. La diferencia probablemente se puede atribuir a
la saturación parcial de la porción superior de organoarcilla en la columna.
No se prevé un hinchamiento significativo si se diluyen las emulsiones acuosas de NAPL (p. ej., < 1 % NAPL en el agua). El hinchamiento
de la organoarcilla y la reducción de la permeabilidad se dieron con NAPL concentrados. El hinchamiento y la permeabilidad se vieron
menos afectados cuando se mezcló arena con la organoarcilla PM-200 de CETCO en proporciones de 3:1 a 10:1 (en peso), aunque se
redujo la capacidad de sorción.
Los resultados indican que el diseño óptimo de los recubrimientos reactivos in-situ y de las barreras reactivas permeables deben tenerse
en cuenta para calcular la capacidad total de sorción y la permeabilidad efectiva.
ANTECEDENTES
Los contaminantes que se encuentran fuertemente unidos a sólidos, como metales, policlorobifenilos (PCB) e hidrocarburos aromáticos
policíclicos (HAP) a menudo se pueden tratar de manera eficaz mediante una combinación de tecnologías convencionales de dragado y
nivelación. Muchas de las obras y emplazamientos más complicados que deban rehabilitarse de manera eficaz, no obstante, están
contaminados por una fase separada de contaminación (líquidos de fase no acuosa o NAPL). Las organoarcillas tienen una alta capacidad
de sorción de NAPL y se han utilizado en toda una serie de aplicaciones para el control de dichos contaminantes. Una de estas
aplicaciones es utilizar la organoarcilla como capa subacuática para la contención de los contaminantes NAPL en sedimentos. En el
emplazamiento contaminado de McCormick and Baxter Creosote en Portland (Oregón), se utilizó una capa de 304 mm (12 pulgadas) de
grosor para contener el desplazamiento de NAPL en el lugar. La organoarcilla también se usó en las esteras reactivas de CETCO para hacer
frente a los NAPL desplazados por filtraciones de gas en ciertas zonas y cerca de la orilla del río. El ODEQ (Oregon Department of
Environmental Quality) contrató a la Universidad de Tejas para que evaluara el rendimiento de la colocación de organoarcilla.
Los primeros estudios con la opción de colocarla a granel determinaron el potencial de alta capacidad de sorción de NAPL de dicha
organoarcilla, pero también detectaron problemas con el hinchamiento y las consiguientes considerables reducciones de la permeabilidad
de la organoarcilla (Reible, 2005). Las reducciones de permeabilidad indicaron que probablemente no se podría utilizar totalmente
organoarcilla pura a granel como lecho de tratamiento, por la desviación del caudal alrededor de las zonas de baja permeabilidad. Reible
(2005) estudió varias maneras posibles de abordar el problema en otros lugares en el futuro, incluyendo la colocación de una mezcla de
arena/organoarcilla a granel, que dispersaría eficazmente la organoarcilla para un uso más eficiente.
Estos estudios iniciales evaluaron un rango limitado de mezclas de organoarcilla y arena. El estudio actual se llevó a cabo con el fin de
proporcionar una mejor orientación para los ingenieros que diseñen recubrimientos subacuáticos. El objetivo de este estudio fue
determinar la capacidad de sorción de NAPL y la permeabilidad de una organoarcilla en concreto, la PM-200 de CETCO, en una serie de
mezclas variables de arena/organoarcilla. Las mezclas específicas de arena/organoarcilla estudiadas incluyeron proporciones de 3:1, 5:1 y
10:1. Los NAPL utilizados en las pruebas se recogieron del sitio de McCormick and Baxter. En las pruebas se utilizaron tanto los NAPL
menos densos que el agua (LNAPL) como los más densos (DNAPL), ya fueran los del tanque de almacenamiento (TFA) como los de una
antigua zona de almacenamiento de residuos (FWDA). En la Tabla 1 se indican las propiedades físicas de estos NAPL:
Tabla 1. Propiedades físicas de los NAPL
NAPL
Densidad (g/cm3)
Viscosidad (centipoises [cp])
TR_821_AM_SP_201401_v1
FWDA
(LNAPL)
0,9867
22,8
FWDA
(DNAPL)
1,0028
16,8
TFA
(LNAPL)
0,9721
17,0
TFA
(DNAPL)
1,0919
26,8
REFERENCIA TÉCNICA
Proporción de agua (%)
11,9 (11,9-12)
32,8 (32,2-33,5)
45,7 (43,3-48,1)
5,3 (4,3-6,3)
TR-821
Métodos
Se midió la capacidad de sorción de la organoarcilla PM-200 de CETCO con respecto a los distintos NAPL, tanto en pruebas de
lotes como en análisis de paso en columna. En las pruebas de lotes, primeramente se saturaron alrededor de 2 gramos de
organoarcilla con agua. Después de eliminar el agua sobrante, se añadió un excedente de volumen de NAPL a la organoarcilla
saturada de agua y se esperó a que se alcanzara el equilibrio. La fase de líquido libre con NAPL y agua se retiró con una pipeta de
cristal, y la organoarcilla con NAPL restante se desecó a baja temperatura (~50 °C). Se determinó la capacidad de sorción de NAPL
como la relación entre el peso del NAPL sorbido con respecto al peso de la organoarcilla.
En las pruebas en columna, se inyectó NAPL en una columna (4,8 x 15 cm) rellena de mezcla de organoarcilla/arena utilizando un
inyector dosificador automático. Se mezcló organoarcilla con arena en distintas proporciones (arena: organoarcialla a 3:1, 5:1 y
10:1). Se bombearon dos NAPL recogidos del sitio de la empresa de elaboración de creosota McCormick & Baxter, así como FWDALNAPL y TFA-LNAPL, a través de la mezcla de arena y PM-200 a una velocidad superficial de 1 cm/día. La capacidad efectiva de
sorción se calculó en función de la masa inyectada a través de la columna. La conductividad de la columna saturada de NAPL se
calculó a partir de la diferencia de presión a lo largo de la columna que era necesaria para mantener la velocidad superficial de 1
cm/día. La conductividad se convirtió en permeabilidad efectiva con la viscosidad y densidad del NAPL inyectado.
Resultados
A) Prueba de lotes - capacidad de sorción
Durante las pruebas de sorción se observó un amplio hinchamiento y una aparente pérdida de integridad de las partículas, pero dichas
pruebas están diseñadas para evaluar el máximo potencial de capacidad de sorción, aunque no necesariamente la capacidad habitual de
sorción. La organoarcilla y el NAPL no resultaron fáciles de separar transcurridos dos días de sorción, la arcilla y el conglomerado hinchado
se pudieron romper durante el proceso de agitación. El líquido libre era más viscoso que el NAPL original, probablemente debido a la
presencia de partículas muy finas de arcilla en la fase líquida. En la Tabla 2 se indica un resumen de las capacidades de sorción del PM200 medidas en los estudios de lotes con cada uno de los NAPL, así como los datos resultantes calculados de materiales en el estado de
equilibrio. Las diferencias entre equilibrios de materiales del 100 % indican el posible error en la capacidad de sorción medida, debido a
que no se consiguió una separación completa de las fases. Los resultados indican que la capacidad de la arcilla PM-200 supera
claramente los 4 gramos de NAPL por gramo de organoarcilla.
TABLA 2: capacidad de sorción del PM-200 (gramos de aceite sin agua/g de organoarcilla) con respecto a los NAPL en la prueba de lotes
TABLA 2: capacidad de sorción del PM-200 (gramos de aceite sin agua/g de organoarcilla) con respecto a los NAPL
en la prueba de lotes
CAPACIDAD DE SORCIÓN g/g
(desviación estándar)
FWDA-LNAPL
FWDA-DNAPL
TFA-LNAPL
TFA-DNAPL
4,60 (0,04)
4,82 (0,06)
4,41 (0,03)
4,50 (0,11)
% EQUILIBRIO NAPL
97
82
75
84
(2)
(1)
(3)
(4)
% EQUILIBRIO AGUA
120
126
124
115
(6)
(4)
(3)
(5)
B) Análisis en columna - capacidad de sorción
Como se muestra en la Tabla 3, la capacidad de sorción del PM-200 en los experimentos de paso a través de columna fue menor que la
observada en las pruebas de lotes, dada la no uniformidad de flujo y la pérdida de la eficacia de uso de la organoarcilla. No obstante, tanto
el hinchamiento como la pérdida de integridad de las partículas fueron igualmente pequeños. La utilización de la organoarcilla en mezclas
con arena fue mayor debido al mejor control sobre una posible mala distribución del flujo. La relación de arena/organoarcilla de 10:1
mostró una capacidad de sorción de NAPL cercana a la observada en los experimentos de lotes (es decir, NAPL sorbidos por gramo de
organoarcilla) (Tabla 2). La capacidad de sorción de la mezcla en el caso de los FWDA-LNAPL fue generalmente menor que con TFA-DNAPL,
TR_821_AM_SP_201401_v1
REFERENCIA TÉCNICA
aunque las pruebas en lotes no mostraron diferencias significativas. El mayor contenido en humedad del FWDA-LNAPL pudo haber afectado
a la actividad de la organoarcilla. TABLA
3: capacidad de sorción del P
M200 y de las mezclas con arenas en inyecciones de aplicación lenta y continua
Tabla 3. Capacidad de sorción del PM-200 y de las mezclas con arenas en inyecciones de
aplicación lenta y continua
FWDA-LNAPL
Proporción de arena y arcilla
Capacidad de sorción (g/g)
Capacidad efectiva
de sorción (g/g)
TFA-DNAPL
10:1
5:1
3:1
10:1
0,27
(2,97 g/g de
organoarcilla
[OC])
5:1
3:1
0,31
(1,86 g/g OC)
0,34
(1,35 g/g OC)
0,30
(3,30 g/g
OC)
0,38
(2,28 g/g OC)
0,44
(1,76 g/g OC)
0,24
(2,64 g/g
OC)
0,29
(1,74 g/g OC)
0,34
(1,35 g/g OC)
0,30
(3,30 g/g
OC)
0,35
(2,1 g/g OC)
0,43
(1,72 g/g OC)
Permeabilidad efectiva
La sorción de NAPL por la organoarcilla reducirá la permeabilidad efectiva del medio por dos motivos: La saturación parcial de las
organoarcillas con NAPL disminuye la permeabilidad relativa del propio NAPL (es decir, la presencia de agua residual limitará los espacios
intersticiales o de poro disponibles para NAPL y opondrá resistencia a su paso a través del medio arcilloso). Además, el medio se hincha
durante el proceso de sorción de NAPL, llenando algunos de los espacios intersticiales disponibles y por tanto oponiendo resistencia al
paso de NAPL. El intervalo de tiempo necesario para que el hinchamiento sea completo (24 a 48 horas tras entrar en contacto con los
NAPL) también implica que la permeabilidad de las organoarcillas con respecto a los NAPL depende del tiempo de exposición a los NAPL y,
por tanto, e indirectamente, de la velocidad de flujo de la inyección. Como resultado de esto, la inyección de NAPL y el intervalo de tiempo
necesario para la sorción del NAPL con relación al hinchamiento podrían ocasionar un drástico descenso de la permeabilidad efectiva.
Se midió la permeabilidad efectiva de PM-200 pura con una inyección de agua y el resultado fue de aproximadamente 11 darcis y de 2,5
darcis con la mezcla de arena/organoarcilla en proporción 10:1 (1 darci = 10-3 cm = 10-8 cm2). No se midió la permeabilidad de una capa
pura de PM-200 tras la saturación con NAPL porque el aparataje experimental se diseñó para medir permeabilidades mayores que las
observadas. La permeabilidad del PM-200 puro saturado de NAPL se encontraba por debajo del límite medible (detectable) del sistema, de
aproximadamente 5 (10-4) darcis, la permeabilidad aproximada de un limo fino. La permeabilidad de la mezcla de arena y PM-200 resultó
mucho mayor que esta, dada la mayor dispersión de la organoarcilla. Las permeabilidades efectivas de las mezclas de arena y
organoarcilla (10:1, 5:1 y 3:1) tras la saturación con NAPL se recogen en la Tabla 4.
La variabilidad entre medidas, con base en un conjunto limitado de experimentos con FWDA-LNAPL, es de aproximadamente 10-2 darcis.
Debido a la diferencia en los tamaños de partícula y densidad de la arena de la mezcla y la organoarcilla, es difícil realizar un compactado
homogéneo y ello da pie a que exista variabilidad en las muestras. Por tanto, este aparente descenso leve en la permeabilidad efectiva de
las mezclas de arena y organoarcilla de 5:1 frente a 3:1 no resulta significativo. Si se hubieran realizado un buen número de repeticiones
se habría esperado que la permeabilidad efectiva de la mezcla de 5:1 hubiera estado entre medias de la de 3:1 y la de 10:1. Los cambios
de permeabilidad en las 3 mezclas son relativamente modestos (un factor de dos a tres [veces] desde la mezcla mayor de organoarcilla
hasta la menor). La permeabilidad de todas estas mezclas se encuentra dentro del intervalo correspondiente a una arena arcillosa.
Tabla 4. La permeabilidad efectiva del PM-200 y de las mezclas con arenas en inyecciones
de aplicación lenta y continua
Proporción de arena y arcilla
Permeabilidad (darcis)
10:1
5,88*10-2
FWDA-LNAPL
5:1
2,16*10-2
3:1
3,12*10-2
10:1
2,24*10-2
TFA-DNAPL
5:1
3:1
0,57*10-2 0,67*10-2
La mezcla de 10:1 mostró la mayor permeabilidad de todas, así como la mejor eficacia de utilización de la organoarcilla. Dada la,
en comparación con el resto, pequeña cantidad de organoarcilla en la capa de 10:1, no obstante, la sorción total de NAPL para un
TR_821_AM_SP_201401_v1
REFERENCIA TÉCNICA
grosor de capa dada será menor que en las otras dos mezclas. La eficacia de utilización y la capacidad total debe equilibrarse para
cualquier elaboración de mezcla de arena/organoarcilla. La permeabilidad parece el menor de los problemas en las mezclas de
arena/organoarcilla de más de 3:1, ya que todas las mezclas resultan relativamente permeables.
Resumen
La organoarcilla PM-200 pura posee una alta capacidad de sorción aunque también muestra un considerable hinchamiento y por lo
tanto se reduce su permeabilidad al contacto con NAPL. La capacidad de la PM-200 durante los experimentos de paso en columna
resultó menor que en los experimentos de lotes, dada la peor distribución del flujo y que el hinchamiento depende tiempo
transcurrido, así como de la reducción de la permeabilidad. Las mezclas de arena más PM-200 limitaron el efecto de los cambios
en la permeabilidad asociados con los NAPL y aumentaron la capacidad efectiva (gramo de NAPL por gramo de organoarcilla) y, por
tanto, proporcionaron un menor coste por unidad de NAPL absorbida. Esto sugiere que el diseño óptimo de la organoarcilla
implicaría utilizar una mezcla de PM-200 con arena, equilibrando la capacidad total del grosor de la capa con la permeabilidad
efectiva de dicha capa y una utilización eficaz de la organoarcilla.
Bibliografía
Reible, D.D. (2005) Final Report Organoclay Laboratory Study - McCormick & Baxter, Oregon Department of Environmental Quality
Project 005-05
TR_821_AM_SP_201401_v1