Barrera reactiva permeable

La inmovilización del contaminante puede ocurrir mediante sorción a los materiales de barrera o precipitación desde el estado disuelto. Los compuestos orgánicos tienden a sufrir sorción debido a la expulsión hidrofóbica del agua circundante. Los metales, sin embargo, tienden a sorrse mediante atracción electrostática o reacciones de complejación superficial. La sorción y la precipitación son potencialmente reversibles y, por lo tanto, pueden requerir la eliminación del medio reactivo y los productos acumulados para continuar con la remediación. ^{[ 3 ]}

La transformación implica tomar el contaminante y transformarlo en una forma menos dañina o no tóxica. Una de las principales ventajas de la transformación es que no requiere necesariamente la eliminación del medio reactivo (a menos que este deba reemplazarse debido a una disminución de su eficacia o a que se produzca una obstrucción). La transformación suele adoptar la forma de una reacción redox irreversible . El medio puede suministrar directamente electrones para la reducción o estimular a los microorganismos para facilitar la transferencia de electrones. ^{[ 3 ]}

El hierro de valencia cero fue el primer material utilizado en las PRB para la remediación de aguas subterráneas . Sigue siendo el material principal utilizado en la construcción de estas barreras. ^{[ 3 ]} Además del hierro convencional a escala, también se puede utilizar hierro a nanoescala .

En ocasiones, se introduce material en el suelo para estimular el crecimiento de microorganismos que facilitan la remediación de las aguas subterráneas . Muchos contaminantes ambientales son altamente reductores , por lo que su oxidación a compuestos inocuos es termodinámicamente viable. Otros contaminantes, como los disolventes clorados, son altamente oxidados y, por lo tanto, se reducen fácilmente. Los microorganismos suelen facilitar estas reacciones redox , aprovechando la degradación de los contaminantes para obtener energía y materiales para la síntesis celular. ^{[ 3 ]}

La biodegradación oxidativa requiere aceptores de electrones que los microbios utilizan para "respirar" los electrones extraídos de los contaminantes objetivo. Esta transferencia de electrones libera energía para impulsar las funciones vitales microbianas. En condiciones aeróbicas , se utiliza oxígeno molecular para este propósito. Cuando no hay oxígeno presente, diversas moléculas pueden servir como aceptores de electrones . El oxígeno se utiliza preferentemente sobre los aceptores de electrones anaeróbicos porque su uso proporciona más energía y, como beneficio adicional, resulta en tasas de oxidación de contaminantes más rápidas. Desafortunadamente, el oxígeno disponible a menudo no es suficiente para los contaminantes en áreas altamente contaminadas, por lo que deben utilizarse los aceptores de electrones anaeróbicos. Se han utilizado con éxito barreras reactivas que contienen compuestos liberadores de oxígeno para estimular la biodegradación aeróbica de hidrocarburos monoaromáticos . ^{[ 3 ]}

Las arcillas, las zeolitas y otros materiales naturales tienen una alta capacidad de intercambio catiónico. Lo hacen creando una carga negativa neta al sustituir cationes de menor valencia (p. ej., Al³⁺ ⁾ por un catión de mayor valencia (p. ej., Si⁴⁺ ⁾ dentro de la estructura mineral. ^{[ 4 ]} La adición de surfactantes adsorbidos puede cambiar la afinidad por aniones y compuestos orgánicos no polares. ^{[ 3 ]} Los surfactantes que se han acumulado en la superficie crearán un recubrimiento orgánico hidrofóbico que promueve la adsorción de compuestos orgánicos no polares. Las zeolitas modificadas con surfactantes (SMZ) son prometedoras para el tratamiento de contaminantes orgánicos no polares. Sin embargo, la baja permeabilidad de la arcilla significa que no se puede usar en PRB de flujo continuo, ^{[ 3 ]} pero se ha propuesto para su uso en muros de lodos , revestimientos de vertederos y barreras de contención. ^{[ 5 ]} Las zeolitas, sin embargo, tienen cavidades para mantener la conductividad hidráulica , lo que permite su uso en PRB.

El musgo de turba tiene una gran superficie específica (>200 m ² /g) y una alta porosidad . ^{[ 6 ]} Los metales son absorbidos por la turba a través de una reacción de intercambio iónico donde el metal desplaza un protón si el pH es bajo o un metal existente si el pH es alto del grupo funcional aniónico. ^{[ 7 ]} Los aniones, como CrO ²⁻ ₄ y MnO ²⁻ ₄ se eliminan de manera más efectiva a pH < 3 debido a la superficie cargada positivamente creada por la adición de protones a los grupos funcionales de la superficie, mientras que los cationes, como UO ²⁺ ₂ , Ni ²⁺, Cu ²⁺, se eliminan de manera más efectiva a valores de pH más altos . ^{[ 8 ]} La turba parece ser un material de intercambio iónico eficaz para eliminar metales pesados ​​y algunos aniones. La eficiencia de eliminación de cationes se acerca al 100% a pH bajo, pero debe considerarse la fuerte dependencia del pH y la concentración inicial de iones metálicos.

La figura adjunta muestra dos enfoques para la aplicación de partículas de hierro en la remediación de aguas subterráneas : Fig. A, una PRB convencional hecha con hierro granular de tamaño milimétrico y Fig. B, una "zona de tratamiento reactivo" formada por la inyección secuencial de hierro de tamaño nanométrico para formar zonas superpuestas de partículas absorbidas por los granos del material nativo del acuífero. En A, el agua subterránea fluye a través de la barrera y se remedia. En B, las nanopartículas de hierro están representadas por puntos negros; las nanopartículas tienen poca movilidad en el medio poroso. Cabe señalar que la reacción solo ocurrirá cuando los contaminantes, ya sean disueltos en el agua subterránea o como DNAPL , entren en contacto con las superficies de hierro. ^{[ 10 ]}

Los sistemas de embudo y compuerta se utilizan para canalizar la pluma de contaminantes hacia una compuerta que contiene el material reactivo. Los embudos son impermeables y el diseño más simple consiste en una sola compuerta con paredes que se extienden a ambos lados. La principal ventaja del sistema de embudo y compuerta es que se puede utilizar una región reactiva más pequeña para tratar la pluma, lo que resulta en un menor costo. Además, si es necesario reemplazar el medio reactivo, es mucho más fácil hacerlo debido a la pequeña compuerta. ^{[ 11 ]}

Para la instalación de las primeras barreras reactivas permeables (PRB) se utilizaron tablestacas y excavación. Este método consiste en delimitar la zona de excavación con tablestacas antes de excavar con una excavadora de orugas . Este método puede ser lento (y, por lo tanto, costoso) y solo es viable para plumas de menos de 35 pies de profundidad. ^{[ 13 ]}

La excavación continua consiste en utilizar un sistema de excavadora de cadena de gran tamaño y, a continuación, rellenar la zanja con material reactivo mediante una caja y una tolva. Este método puede ser rápido y, por lo tanto, económico, pero solo se puede utilizar para zanjas de menos de 15 metros de profundidad. Además, la maquinaria empleada en esta técnica no resulta eficaz en suelos con grandes cantos rodados. ^{[ 13 ]}

La tecnología Mendrel consiste en hincar verticalmente una viga hueca larga profundamente en el suelo. La viga se cubre a medida que se hinca y la cubierta se retira una vez colocada. A continuación, la cavidad se llena con limaduras de hierro . Luego, el Mendrel se vibra al retirarlo, permitiendo que el hierro fluya hacia el fondo, formando la barrera reactiva permeable (PRB). Posteriormente, el Mendrel se desplaza una anchura, se repite el proceso y se crea una PRB continua. ^{[ 13 ]}

Este método utiliza hierro de grano fino inyectado en fracturas bajo la superficie, creadas mediante aplicaciones controladas de alta presión. Chorros de agua erosionan una zona que luego se rellena con goma guar y hierro. La goma guar mantiene el hierro en su lugar antes de degradarse, dejando una zona permeable de hierro (la PRB). ^{[ 13 ]}

La mezcla profunda del suelo añade hierro al suelo nativo y se realiza con barrenas grandes . Este proceso crea una serie de zonas de tratamiento columnares que forman una barrera reactiva permeable (PRB) al alinearse. Este método puede tratar plumas hasta una profundidad de 100 pies, pero la zona de tratamiento tiene una proporción relativamente baja de hierro. ^{[ 13 ]}

En el análisis de las PRB, se ha hecho hincapié en las pérdidas de reactividad y permeabilidad en el pozo reactivo; sin embargo, la caracterización hidráulica de los pocos fallos de PRB que se han reportado es deficiente. El potencial _de oxidación-reducción , el pH del afluente y las concentraciones de alcalinidad, nitrato NO₃⁻ y cloruro Cl⁻ ^{en el afluente son los predictores más importantes de una posible disminución del rendimiento de las PRB. La reactividad del medio, más que una reducción de la permeabilidad ,} es probablemente el factor que limita la longevidad de las PRB en campo. Debido a que esta tecnología es relativamente nueva, aún es difícil predecir la longevidad de los sitios. Dependiendo de las suposiciones sobre los factores de control, las estimaciones de longevidad pueden diferir en un orden de magnitud (por ejemplo, de 10 a 100 años). ^{[ 14 ]}

La primera implementación a escala de campo de una PRB se realizó en Sunnyvale, California , en el emplazamiento de una antigua planta de semiconductores. En aquel momento, la mejor tecnología de remediación disponible era la de bombeo y tratamiento . Las PRB representaban una solución más rentable para el problema, ya que podían remediar pasivamente el agua subterránea. Se eligió metal granular como medio reactivo tras realizar pruebas de laboratorio con agua contaminada del emplazamiento. Tras la instalación, los contaminantes se redujeron a los niveles objetivo. Como resultado, se pudo retirar la maquinaria de bombeo y tratamiento, y el terreno quedó libre para su uso comercial. El ahorro derivado del uso de la PRB, en comparación con el bombeo y tratamiento, permitió amortizar la instalación en aproximadamente tres años. ^{[ 13 ]}

En 1996, se instaló una barrera reactiva permeable (PRB, por sus siglas en inglés) de 46 m de largo, 7,3 m de profundidad y 0,6 m de espesor en una instalación de la Guardia Costera cerca de Elizabeth City, Carolina del Norte. El objetivo de esta PRB era remediar una pluma contaminante de tricloroetileno ( TCE) y cromo hexavalente (Cr (VI)). La instalación de la PRB solo tomó 6 horas utilizando una técnica de excavación continua, que eliminó simultáneamente el sedimento preexistente mientras se instalaba el medio reactivo (hierro granular). La PRB se configuró como una pared continua en lugar de una configuración de embudo y compuerta porque las simulaciones computacionales en 3D sugirieron que ambas tendrían la misma efectividad, pero los análisis de costos mostraron que la configuración continua sería más económica de instalar. El costo total de la instalación fue de aproximadamente $1 millón, mientras que la Guardia Costera de EE. UU. predice que en 20 años se ahorrarán $4 millones en comparación con un sistema de bombeo y tratamiento. ^{[ 15 ]}

Moffett Field, California, albergó una barrera reactiva permeable (PRB) a escala piloto iniciada por la Armada de los Estados Unidos en 1995. La PRB de Moffett Field utilizaba un diseño de embudo y compuerta, donde el embudo estaba compuesto por tablestacas de acero entrelazadas, mientras que la compuerta consistía en hierro granular de valencia cero. Los principales contaminantes eran tricloroetileno (TCE), cis-1,2-dicloroetileno (cDCE) y percloroetileno (PCE). Los datos de monitoreo trimestral, pruebas con trazadores y extracción de núcleos de celdas de hierro se han utilizado para determinar la efectividad del sitio. Desde el primer muestreo en junio de 1996, las concentraciones de todos los compuestos clorados se han reducido a niveles no detectables o por debajo de los niveles máximos de contaminantes. ^{[ 16 ]}

El sitio de Fry Canyon fue seleccionado en 1996 como sitio de demostración de campo para evaluar la capacidad de remoción de uranio de las barreras reactivas permeables (PRB ). Se realizaron experimentos de laboratorio con tres materiales potenciales para PRB (fosfato, hierro de valencia cero y hierro férrico) para determinar la eficiencia de remoción de uranio y las propiedades hidrológicas. Se seleccionó un material de PRB de cada clase para la demostración. Los materiales seleccionados presentaron una conductividad hidráulica satisfactoria, alta eficiencia de remoción de uranio y alta resistencia a la compactación. Se utilizó un diseño de embudo y compuerta. Los embudos canalizaban el agua subterránea hacia las compuertas de las PRB. Durante el primer año, el hierro de valencia cero redujo la concentración de uranio en más del 99,9 %, mientras que la cantidad removida tanto en el fosfato como en el hierro férrico superó el 70 % en la mayoría de las mediciones realizadas. Los mecanismos de remoción de uranio son similares a los de otros contaminantes inorgánicos, lo que significa que este estudio tiene una amplia aplicabilidad. ^{[ 17 ]}