La reducción química in situ (ISCR) es un tipo de técnica de remediación ambiental que se utiliza para la remediación del suelo y/o las aguas subterráneas con el fin de reducir las concentraciones de contaminantes ambientales específicos a niveles aceptables. Es el proceso similar a la oxidación química in situ (ISCO). La ISCR se aplica generalmente en el medio ambiente inyectando aditivos químicamente reductores en forma líquida en el área contaminada o colocando un medio sólido de reductores químicos en el camino de una columna de contaminantes. [1] Se puede utilizar para remediar una variedad de compuestos orgánicos, incluidos algunos que son resistentes a la degradación natural.
El término in situ en ISCR significa simplemente "en el lugar" en latín, lo que significa que ISCR es una reacción de reducción química que ocurre en el lugar de la contaminación. Al igual que ISCO, es capaz de descontaminar muchos compuestos y, en teoría, ISCR podría ser más eficaz en la remediación de aguas subterráneas que ISCO.
La reducción química es la mitad de una reacción redox , que da como resultado la ganancia de electrones. Uno de los reactivos de la reacción se oxida, o pierde electrones, mientras que el otro reactivo se reduce, o gana electrones. En la ISCR, se utilizan compuestos reductores, compuestos que aceptan electrones cedidos por otros compuestos en una reacción, para transformar los contaminantes en compuestos inofensivos.
Los primeros trabajos examinaron las decloraciones con cobre. Los sustratos incluían DDT , endrina , cloroformo y hexaclorociclopentadieno . El aluminio y el magnesio se comportan de manera similar en el laboratorio. El tratamiento de aguas subterráneas generalmente se centra en el uso de hierro. [2]
Los metales de valencia cero son los principales reductores utilizados en la ISCR. El metal más común utilizado es el hierro, en forma de ZVI (hierro de valencia cero), y también es el metal que se utiliza desde hace más tiempo. Sin embargo, algunos estudios muestran que el zinc de valencia cero (ZVZ) podría ser hasta diez veces más eficaz para erradicar los contaminantes que el ZVI. [3] Algunas aplicaciones de los ZVM son la limpieza de tricloroetileno (TCE) y cromo hexavalente (Cr(VI)). [4] Los ZVM suelen implementarse mediante una barrera reactiva permeable . Por ejemplo, el hierro que se ha incrustado en una sílice modificada orgánicamente hinchable crea una barrera blanda permanente bajo tierra para capturar y reducir pequeños compuestos orgánicos a medida que el agua subterránea pasa a través de ella. [5]
Los minerales de hierro pueden ser activos para la decloración. Estos minerales utilizan Fe2+
Entre los minerales particulares que se pueden utilizar se incluyen el óxido verde , la magnetita , la pirita y la glauconita . [6] Los minerales de hierro más reactivos son los sulfuros y óxidos de hierro . La pirita, un sulfuro de hierro, es capaz de declorar el tetracloruro de carbono en suspensión. [2]
Los polisulfuros son compuestos que tienen cadenas de átomos de azufre. Este reactivo se ha probado en el campo para tratar el TCE y en comparación con el EHC. El uso de polisulfuros es un tipo de reducción abiótica y funciona mejor en condiciones anaeróbicas donde hay hierro (III). El beneficio de usar polisulfuros es que no producen ningún desecho biológico; sin embargo, las velocidades de reacción son lentas y requieren más tiempo para crear los minerales DVI (hierro de doble valencia) que se necesitan para que se produzca la reducción. [7]
Ditionito ( S
2Oh2−
4) también se puede utilizar como reductor. Por lo general, se utiliza además de los contaminantes reductores de hierro. Se producen varias reacciones y, finalmente, se elimina el contaminante. En el proceso, se consume ditionita y el producto final de todas las reacciones son 2 aniones de dióxido de azufre. La ditionita no es estable durante un largo período de tiempo.
Los materiales bimetálicos son aquellos que están hechos de dos metales o aleaciones diferentes que están fuertemente unidos entre sí. Un buen ejemplo de un material bimetálico sería una tira bimetálica que se utiliza en algunos tipos de termómetros. En la ISCR, los materiales bimetálicos son pequeñas piezas de metales que están recubiertas ligeramente con un catalizador como paladio, plata o platino. El catalizador impulsa una reacción más rápida y el pequeño tamaño de las partículas les permite moverse con eficacia hacia la zona objetivo y permanecer allí. [8]
Un material patentado para la ISCR es la tecnología EHC creada por Adventus. Este producto en particular es en realidad una mezcla de carbono, nutrientes y hierro de valencia cero. La teoría detrás de este producto es que el carbono en la mezcla promoverá el crecimiento bacteriano en el subsuelo. Las bacterias en crecimiento consumen oxígeno, que acepta fácilmente los electrones presentes en el subsuelo, lo que aumenta el potencial reductor. Las bacterias en crecimiento también fermentan y producen ácidos grasos que actúan como donantes de electrones para otras bacterias y sustancias. Adventus utiliza esta combinación de procesos bióticos y abióticos para implementar la ISCR. El EHC se inyecta como una "suspensión" (una mezcla que tiene entre un 15 y un 40 % de sólidos y peso, y el resto es líquido) en el sustrato. [9]
Otro material que vale la pena mencionar es el EZVI (ZVI emulsionado), que es una tecnología de la NASA. El EZVI se utiliza principalmente para tratar hidrocarburos halogenados y DNAPL . El EZVI es hierro a escala nanométrica que se coloca en una emulsión de aceite biodegradable . Luego, la emulsión se inyecta en el sustrato. [10]
En la ISCR pueden tener lugar muchos procesos reductivos. Entre ellos se encuentran la hidrogenólisis , la β-eliminación, la hidrogenación , la α-eliminación y la transferencia de electrones . La combinación específica de procesos reductivos que tienen lugar realmente en el subsuelo depende de la especie de contaminante presente y también del tipo de reducción que se utilice. Los procesos naturales y biológicos que tienen lugar en el sustrato también afectan a los tipos de procesos reductivos que se encuentran. [6]
Las reacciones que ocurren con barreras reactivas permeables y hierro ferroso se basan en la superficie. Las reacciones de superficie toman tres formas diferentes: reducción directa, derivación de electrones a través del hierro ferroso y reducción por producción y reacción de hidrógeno. La vía A representa la transferencia electrónica directa (ET) para Fe 0 al halocarbono adsorbido (RX) en el punto de contacto metal/agua, lo que resulta en la decloración y producción de Fe 2+ . La vía B muestra que Fe 2+ (resultante de la corrosión de Fe 0 ) también puede declorar RX, produciendo Fe 3+ . La vía C muestra que H 2 de la corrosión anaeróbica de Fe 2+ podría reaccionar con RX si hay un catalizador presente.
Los procesos reductores que se han analizado anteriormente se pueden mejorar de dos maneras. Una es aumentando la cantidad de hierro utilizable en el subsuelo para aumentar la velocidad de reducción por medios químicos o biológicos. El segundo método es mejorar la capacidad reductora del hierro acoplándolo con otros reductores químicos o utilizando la reducción biológica con él. Mediante estos procesos, los científicos combinaron ditionito de sodio con hierro para tratar el cromo VI y el TCE de manera eficaz. [2]
También se sabe que la combinación de la acción bacteriana y los procesos biológicos con el hierro es eficaz. Los usos más evidentes de los procesos biológicos se dan con la tecnología EZVI creada por la NASA y con el producto EHC creado por Adventus. Ambos materiales tienen hierro dentro de una matriz biológica (el hierro está suspendido en aceite vegetal en EZVI y en carbono orgánico en EHC) y utilizan organismos microbianos para mejorar la zona de reducción y crear un entorno más anaeróbico en el que se produzcan las reacciones.
El tipo más común de implementación de ISCR es la instalación de barreras reactivas permeables (PRB), pero hay casos en los que el reductor se puede inyectar directamente en el subsuelo para tratar áreas fuente.
Estas barreras suelen estar hechas de hierro de valencia cero (ZVI), pero también pueden estar hechas de cualquier otro metal de valencia cero. La forma más común de hacerlas es rellenando una zanja con ZVI, hierro a nanoescala o paladio. Las partículas de hierro a nanoescala también pueden inyectarse directamente en el subsuelo para tratar las columnas, y tienen grandes áreas de superficie y, por lo tanto, altas reactividades y pueden distribuirse de manera más uniforme en el sitio de contaminación. Las velocidades de reacción del paladio son rápidas. Las principales ventajas de las PRB son que pueden reducir una gran variedad de contaminantes y no tienen estructura sobre el suelo. Los problemas con las PRB incluyen que incluso con barreras bien construidas, puede existir el problema del cortocircuito hidráulico. [11]
El hierro a escala nanométrica puede introducirse directamente en el subsuelo porque es lo suficientemente pequeño como para distribuirse por completo. Como las partículas son tan pequeñas, tienen una superficie reactiva comparativamente grande, lo que proporciona una reacción más eficaz. Hasta ahora, el hierro a escala nanométrica es el único material que se ha utilizado con esta estrategia de inyección y es probablemente el único material que resulta eficaz en la inyección. [12]