El modelado del transporte reactivo en medios porosos se refiere a la creación de modelos informáticos que integran la reacción química con el transporte de fluidos a través de la corteza terrestre . Dichos modelos predicen la distribución en el espacio y el tiempo de las reacciones químicas que ocurren a lo largo de una trayectoria de flujo. El modelado del transporte reactivo en general puede referirse a muchos otros procesos, incluido el flujo reactivo de sustancias químicas a través de tanques, reactores o membranas; partículas y especies en la atmósfera; gases que salen de una chimenea; y magma migratorio.
Los modelos de transporte reactivo se construyen para comprender la composición de las aguas naturales; el origen de los depósitos minerales económicos ; la formación y disolución de rocas y minerales en formaciones geológicas en respuesta a la inyección de desechos industriales, vapor o dióxido de carbono ; y la generación de aguas ácidas y la lixiviación de metales de los desechos mineros . A menudo se confía en ellos para predecir la migración de columnas de contaminantes; la movilidad de los radionucleidos en los depósitos de desechos ; y la biodegradación de sustancias químicas en los vertederos . Cuando se aplican al estudio de los contaminantes en los entornos, se conocen como modelos de destino y transporte. [1]
El modelado moderno del transporte reactivo ha surgido de varias escuelas de pensamiento separadas. [2] Los hidrólogos interesados principalmente en la naturaleza física del transporte de masa asumieron formulaciones de reacción relativamente simples, como coeficientes de distribución lineal o términos de decaimiento lineal, que podrían agregarse a la ecuación de advección-dispersión . Al suponer una sorción lineal en equilibrio , por ejemplo, la ecuación de advección-dispersión puede modificarse mediante un factor de retardo simple y resolverse analíticamente . Tales soluciones analíticas se limitan a sistemas de flujo y reacciones relativamente simples.
Por otra parte, se han desarrollado modelos geoquímicos para proporcionar descripciones termodinámicas de sistemas multicomponentes sin tener en cuenta el transporte. Por ejemplo, se crearon modelos de trayectoria de reacción para describir la secuencia de reacciones químicas resultantes de la meteorización química o la alteración hidrotermal en sistemas discontinuos , en términos del progreso general de la reacción. Sin embargo, al adoptar el marco de referencia de un paquete de fluido y tratar el progreso de la reacción como tiempo de viaje (o distancia a lo largo de una trayectoria de flujo), se podría pensar que un modelo de trayectoria de reacción discontinua describe el transporte advectivo a través de un acuífero . [3]
Los modelos de transporte reactivo multicomponente más sofisticados consideran tanto la reacción como el transporte. [4] [5] Los primeros estudios desarrollaron la base teórica de los modelos de transporte reactivo y las herramientas numéricas necesarias para resolverlos, y los aplicaron a problemas de transporte de contaminantes reactivos [6] y flujo a través de sistemas hidrotermales reactivos. [7]
Los modelos de transporte reactivo han encontrado una mayor aplicación en los últimos años con las mejoras en la potencia de las computadoras personales y el software de modelado. [5] [8]
Los modelos de transporte reactivo combinan un gran número de reacciones químicas con el transporte de masa. Ciertas aplicaciones, como la producción de energía geotérmica y el modelado de depósitos minerales , requieren el cálculo adicional de la transferencia de calor . Además, al modelar el secuestro de carbono y la fracturación hidráulica , puede ser necesario describir la deformación de la roca resultante del crecimiento mineral o de una presión de fluido anormalmente alta. La descripción del transporte a través de la zona no saturada y el modelado de flujo multifásico , tal como se aplica al transporte de petróleo y gas natural ; líquidos en fase no acuosa ( DNAPL o LNAPL ); y dióxido de carbono supercrítico requiere modelos cada vez más complejos que son propensos a una incertidumbre considerable.
En muchos casos, los procesos simulados en los modelos de transporte reactivo están muy relacionados. La disolución y precipitación de minerales, por ejemplo, pueden afectar la porosidad y la permeabilidad del dominio, lo que a su vez afecta el campo de flujo y la velocidad del agua subterránea. El transporte de calor afecta en gran medida la viscosidad del agua y su capacidad de fluir. A continuación, se presentan muchos de los procesos físicos y químicos que se pueden simular con modelos de transporte reactivo.
Reacciones geoquímicas :
Transporte masivo:
Transporte de calor:
Deformación media:
Algunos de los problemas de transporte reactivo más simples se pueden resolver analíticamente. Por ejemplo, cuando la sorción en equilibrio se describe mediante un coeficiente de distribución lineal, la velocidad del soluto que se absorbe se retarda en relación con la de un trazador no reactivo; las velocidades relativas se pueden describir con un factor de retardo. Las soluciones analíticas son soluciones exactas de las ecuaciones que rigen la sorción.
Los problemas complejos de transporte reactivo se resuelven más comúnmente de forma numérica. En este caso, las ecuaciones que rigen el problema se aproximan de modo que puedan resolverse mediante algoritmos informáticos. Las ecuaciones que rigen el problema, que incluyen tanto los términos de reacción como los de transporte, pueden resolverse simultáneamente utilizando un simulador implícito global o de un solo paso. Esta técnica es sencilla conceptualmente, pero muy difícil computacionalmente. [9]
En lugar de resolver todas las ecuaciones relevantes juntas, las ecuaciones de transporte y reacción química se pueden resolver por separado. La división de operadores , como se conoce a esta técnica, utiliza técnicas numéricas apropiadas para resolver las ecuaciones de reacción y transporte en cada paso de tiempo. [1] Existen varios métodos, incluido el enfoque secuencial no iterativo (SNIA), la división de Strang y el enfoque secuencial iterativo (SIA). [9] Dado que los términos de reacción y transporte se manejan por separado, se pueden vincular entre sí programas separados para la reacción y el transporte por lotes. Los objetos de software reentrantes reticulables diseñados para este propósito permiten fácilmente la construcción de modelos de transporte reactivo de cualquier configuración de flujo. [10] [11]
El modelado del transporte reactivo requiere aportes de numerosos campos, incluyendo la hidrología , la geoquímica y la biogeoquímica , la microbiología , la física del suelo y la dinámica de fluidos . [2] La formulación numérica y la solución de problemas de transporte reactivo pueden ser especialmente difíciles debido a errores que surgen en el proceso de acoplamiento, más allá de los inherentes a los procesos individuales. Valocchi y Malmstead (1992), por ejemplo, informaron sobre los errores potenciales que surgen de la técnica de división de operadores. [12]
Incluso en ausencia de dificultades numéricas, la falta general de conocimiento disponible para los profesionales crea incertidumbre. Los sitios de campo suelen ser heterogéneos , tanto física como químicamente, y el muestreo suele ser escaso. El supuesto predominante de dispersión fickiana suele ser inadecuado. Las constantes de equilibrio y las leyes de velocidad cinética para las reacciones relevantes suelen ser poco conocidas. La complejidad de muchos procesos requiere experiencia en uno o más de los campos mencionados anteriormente. Muchos procesos, como el almacenamiento de residuos nucleares a largo plazo, no se pueden verificar experimentalmente; los problemas de transporte reactivo solo pueden intentar predecir ese comportamiento a largo plazo. Las descripciones actuales de los procesos de flujo multifásico y de deformación mecánica aún se están desarrollando.