Remediación electrocinética de suelos de baja permeabilidad contaminados con compuestos orgánicos hidrofobos

Resumen

La contaminación de suelos es un problema muy reciente del que no se ha tenido conocimiento hasta hace pocas décadas. Existe una gran diversidad de sucesos de contaminación de suelos y, como consecuencia, en los últimos años se han desarrollado una gran variedad de tecnologías aplicables a la remediación de los mismos y de las aguas subterráneas que contienen. Entre estas tecnologías se encuentran las técnicas electrocinéticas, que engloban a los diferentes procesos que tienen lugar en un suelo cuando se aplica una diferencia de potencial entre un conjunto de electrodos posicionados en el mismo: electroósmosis, electromigración, electroforesis, electrolisis y calentamiento eléctrico. La remediación electrocinética de suelos contaminados está despertando un gran interés debido a que, a priori, presenta una serie de aspectos potencialmente ventajosos: puede ser desarrollada in situ, evitando costes asociados a etapas de excavación y transporte, y puede aplicarse en el tratamiento de suelos estratificados de baja permeabilidad contaminados con metales pesados, nutrientes y especies orgánicas polares. En este punto, es importante indicar que la remediación electrocinética de suelos presenta una limitación cuando la contaminación se produce por compuestos orgánicos hidrófobos (COHs), debido a su carácter apolar y a su baja solubilidad en agua. Estas circunstancias, han derivado en la investigación de modificaciones del proceso de remediación electrocinética, enfocadas a incrementar notablemente el rendimiento obtenido con la adición de los denominados ¿fluidos de mejora¿, entre los que se encuentran los surfactantes capaces de retener al COH dentro de micelas cargadas y solubles en agua. Sin embargo, el conocimiento existente de estas tecnologías está acotado, principalmente, a los resultados obtenidos en estudios a escala de laboratorio, que se centran directamente en la optimización de un suceso específico y no profundizan en el fundamento de todos los procesos electrocinéticos que tienen lugar en el suelo. También cabe destacar que gran parte de estas tecnologías han sido desarrollada por de empresas de base tecnológica, lo que restringe la información disponible acerca de los resultados alcanzados debido a que se encuentran protegidos bajo patente. En este contexto, el objetivo con el que se plantea este trabajo de investigación es desarrollar un proceso de remediación electrocinética aplicable a escala real, que permita la contención y movilización de un vertido de COHs en un suelo de baja permeabilidad mediante la aplicación de surfactantes; y en una segunda etapa, el tratamiento de las aguas residuales resultantes en el tratamiento previo del suelo. Asimismo, se pretende ampliar el conocimiento de los procesos de transporte que tienen lugar en el suelo durante un proceso de remediación electrocinética y la influencia de la naturaleza del fluido de mejora, tanto en la etapa de descontaminación de suelos como en la de tratamiento de los efluentes generados en el mismo. Se ha utilizado fenantreno (PHE) como contaminante representativo de COHs y caolinita comercial para simular un suelo poco permeable. Los fluidos de mejora seleccionados son disoluciones de tres surfactantes de distinta naturaleza iónica: dodecil sulfato sódico como modelo de surfactante aniónico (SA), alquilbencildimetilamonio cloruro como surfactante catiónico (SC) y polioxietilen sorbitan monooleato como surfactante no iónico (SNI). A fin de conseguir el objetivo global planteado, el presente trabajo se ha seccionado en base a los cuatro objetivos parciales descritos a continuación: ¿ Estudio del proceso de eliminación del PHE contenido en un suelo de baja permeabilidad mediante un lavado convencional con surfactantes de diferente naturaleza iónica. Estudio de tratabilidad de los efluentes líquidos generados en el proceso de lavado mediante técnicas de coagulación, electrocoagulación, oxidación Fenton y oxidación electroquímica. ¿ Evaluación de la movilidad de las diferentes especies involucradas en un proceso de remediación electrocinética, mediante la identificación y análisis de los diferentes procesos electrocinéticos y/o electroquímicos que tienen lugar en un suelo de baja permeabilidad al aplicar un gradiente de potencial eléctrico entre electrodos ubicados en el suelo. ¿ Evaluación y estudio de los diferentes procesos electrocinéticos que tiene lugar en suelo al aplicar un gradiente de potencial eléctrico entre electrodos ubicados en un sistema de pozos de electrolito. Determinación de la zona óptima de inyección del fluido de mejora. ¿ Escalado de un proceso de remediación electrocinética de suelos de baja permeabilidad, mejorada con surfactantes. Diseño y puesta en marcha de una instalación de remediación electrocinética escala bancada. Análisis de los diferentes los fenómenos que tiene lugar en el proceso. ¿ Diseño y construcción de una planta prototipo de remediación de suelos contaminados para el escalado del proceso a una escala próxima a la real. Para lograr el primero de estos objetivos se han realizado ensayos de lavado convencional ex situ de suelos de baja permeabilidad contaminados con PHE, empleando como agentes de lavado diferentes disoluciones de surfactantes (SA, SC y SNI). Los tres surfactantes son capaces de extraer el PHE del suelo, sin embargo el rendimiento del proceso de lavado depende fuertemente de la naturaleza iónica del surfactante empleado. El SA es el más eficaz, extrayendo hasta un 90% del contaminante retenido en el suelo. Los efluentes generados en el proceso de lavado están formados por una dispersión de PHE en agua, generada por la acción emulsionante de los surfactantes utilizados. Además, puede contener contaminación particulada debido al arrastre de partículas de suelo. Estos efluentes han sido tratados mediante técnicas de coagulación, electrocoagulación, oxidación Fenton y oxidación electroquímica con la finalidad de dilucidar que técnica es más eficiente a la hora de tratar dichas aguas residuales. Se ha observado que las técnicas de coagulación son más eficientes para tratar los efluentes de lavado generados con la utilización de SA, alcanzando porcentajes de eliminación de carga orgánica cercanos al 100%. Sin embargo, los efluentes generados con SC y SNI únicamente pueden ser tratados mediante el uso de oxidación Fenton y oxidación electroquímica con ánodos DDB, si bien las altas dosis de reactivos requeridos en el primer caso podría condicionar la viabilidad económica de esta tecnología. No obstante, cabría la posibilidad de hacer un tratamiento combinado de oxidación Fenton y electrooxidación con DDB. Con el fin de alcanzar el segundo de los objetivos parciales, se han realizado ensayos a escala de laboratorio (reactores con una capacidad de 25 y 675 cm3 de suelo) en los que se pretende identificar los procesos electrocinéticos que ocurren en un suelo de baja permeabilidad al aplicar una corriente eléctrica a través de él y evaluar si las especies involucradas en un proceso de remediación electrocinética (contaminante, surfactantes, agua, etc.) pueden ser movilizadas dentro del suelo mediante procesos de electroósmosis, electromigración y electroforesis. El suelo de baja permeabilidad utilizado en estos ensayos es caolinita comercial y los fluidos de mejora empleados son agua y disoluciones de los surfactantes seleccionados anteriormente. En primer lugar, se observa que al aplicar una corriente eléctrica entre electrodos ubicados en un suelo poco permeable, se produce un transporte del agua contenida en su interior, desde la zona anódica a la catódica, mediante el proceso electrocinético de electroósmosis. El transporte de agua observado está directamente influenciado por el gradiente de potencial aplicado, lo que indica que este parámetro actúa como fuerza impulsora del mecanismo de transporte involucrado en el proceso de electroósmosis. Asimismo, los surfactantes empleados pueden ser movilizados hacia el catolito por arrastre producido por el flujo electroosmótico, independientemente de su naturaleza iónica. Además, los surfactantes disociados en especies iónicas son atraídos por los electrodos de signo opuesto mediante el proceso electrocinético de electromigración, observándose que el SA es el surfactante que presenta una mayor flexibilidad a la hora de transportarse dentro del suelo ya que puede movilizarse hacia el cátodo por electroósmosis y hacia el ánodo por electromigración. Por último, se ha comprobado que el fenantreno (PHE), utilizado como modelo de compuesto orgánico hidrófobo y apolar, puede ser movilizado a través de un suelo poco permeable, dentro de micelas de SA cargadas y solubles en agua mediante el proceso electrocinético de electroforesis. Asimismo, se ha observado que puede ser transportado por el arrastre producido por el fenómeno de electroósmosis. Para lograr el tercer objetivo, se han realizado, ensayos en una instalación escala bancada (reactor de 28,125 dm3 de capacidad) en los que los electrodos han sido posicionados en pozos de electrolito semipermeables. Como modelo de suelo de baja permeabilidad se ha seleccionado caolinita. Estos ensayos permiten determinar los procesos electrocinéticos que tiene lugar en un sistema de pozos de electrolito. En primer lugar, se observa que el proceso reactivo de electrolisis del agua está favorecido en los pozos de electrolito. Este fenómeno altera el pH y la conductividad tanto de los electrolitos como del propio suelo, debido a la generación de protones e iones hidroxilo y a su movilización a través del suelo. Además, se ha vuelto a comprobar la existencia del flujo electroosmótico y su fuerte dependencia con el número de electrodos y pozos de electrolito utilizados, la distancia entre ellos y su posición en el suelo. Por otro lado, se ha determinado que si se utiliza SA como fluido de mejora, la inyección de éste debe realizarse en un pozo intermedio entre el anolito y al catolito. Así, el SA es atraído por el anolito por electromigración y también es arrastrado por el agua movilizada por electroósmosis hacia el catolito, aprovechando dos de los procesos presentes en un tratamiento de remediación electrocinética de un suelo contaminado. Por último, en el desarrollo de estos ensayos se ha observado que una compactación deficiente del suelo puede favorecer procesos de licuefacción. Una vez definidos estos aspectos técnicos referentes al diseño de una instalación de remediación electrocinética (la configuración de pozos de electrolito, la zona óptima de inyección del fluido de mejora y, el número y posición de los electrodos empleados) se han llevado el escalado de un proceso de remediación electrocinética de suelos de baja permeabilidad mejorada con surfactantes. El escalado está enfocado en tres direcciones: tamaño de la instalación, duración de los ensayos e integración de todos los procesos físicos, químicos, electroquímicos y electrocinéticos que puedan ocurrir en el suelo. Para ello, se realizado el diseño de una instalación de remediación electrocinética de suelos escala bancada (reactor de 175 dm3 de capacidad) y se han llevado a cabo ensayos de cuatro meses de duración, empleado tres suelos de baja permeabilidad contaminados con PHE, con distinta granulometría y composición: caolín micronizado comercial, y dos suelo naturales provenientes de dos canteras diferentes de la provincia de Toledo (España). Es importante destacar que la finalidad de este estudio está más centrada en el análisis de los diferentes fenómenos que tienen lugar en el proceso que en el tratamiento en sí de remediación del suelo contaminado. En un primer lugar, se ha comprobado que el escalado del proceso presenta una alta complejidad, debido principalmente a que en esta escala entran en juego multitud de procesos regidos por mecanismos controlantes diferentes a los electroquímicos, que no mostraban una importancia significativa en ensayos realizados en una escala inferior. Asimismo, se ha puesto de manifiesto que la naturaleza de los suelos, así como propiedades como la humedad y densidad juegan un papel determinante en la aplicación de esta tecnología, ya que influyen directamente en la magnitud en que se desarrollan los diferentes procesos electrocinéticos dentro del suelo. Se ha observado que, aunque los suelos empleados son poco permeables, los flujos verticales pueden ser muy importantes en este tipo de aplicaciones, tanto el flujo por gravedad como el de evaporación. Este último, está favorecido por el calentamiento eléctrico del suelo generado, que a su vez ayuda a que se produzca otros procesos como la eliminación de contaminante por volatilización. Si bien los resultados alcanzados en el proceso de remediación de un suelo contaminado con PHE a escala bancada y con suelos reales están todavía lejos de los que podrían considerarse satisfactorios, este objetivo ha permitido disponer de un mayor conocimiento de los diferentes fenómenos que tienen lugar en el proceso. Este ¿Know-How¿ nos permitirá en un futuro abordar de un modo más eficiente el proceso de remediación en sí de un suelo real. Por último, en base a los resultados alcanzados en esta investigación, se ha llevado a cabo la construcción de una planta prototipo de tratamiento de suelos contaminados que permitirá realizar diferentes tratamientos: remediación electrocinética, biorremediación, fitorremediación y una combinación de ellas. La realización de esta infraestructura ha sido posible gracias a la financiación obtenida por el Ministerio de Economía y Competitividad, a través del programa INNOCAMPUS.