La remediación electrocinética , también denominada electrocinética , es una técnica que utiliza corriente eléctrica directa para eliminar partículas orgánicas, inorgánicas y de metales pesados del suelo mediante potencial eléctrico . [1] [2] [3] El uso de esta técnica proporciona un enfoque con una perturbación mínima de la superficie mientras se tratan los contaminantes del subsuelo .
Un sitio de remediación electrocinética básica contiene una fuente de corriente continua externa, un electrodo cargado positivamente (o ánodo ) y un electrodo cargado negativamente (o cátodo ) colocados en el suelo. La colocación de los electrodos se basa en el tamaño y la forma de las columnas de contaminantes conocidas. La eliminación de contaminantes y la prevención de la migración de columnas son grandes influencias en la determinación de la disposición de los electrodos. Cada electrodo está encerrado en un pozo de depósito en el que se puede inyectar una solución electrolítica . [4] Las soluciones electrolíticas sirven tanto como un medio conductor (o fluido de poro) y como un medio para extraer contaminantes e introducir sustancias químicas o entidades biológicas. [5] Otro uso de la solución electrolítica es para el control y/o la despolarización de las reacciones de los electrodos. Sumergidos en una solución, los electrodos pueden provocar la oxidación en el sitio del ánodo y la reducción en el sitio catódico. [1] La oxidación y la formación de un frente ácido son subproductos del proceso y causan un grado variable de influencia en el sistema. Al bombear, procesar y probar la solución electrolítica en cada sitio del electrodo, puede extender la vida útil y la eficiencia del sistema.
Cuando se aplica corriente, mediante la fuente de energía directa, a los electrodos, se producen migraciones debajo de la superficie del suelo . Aunque muchos tipos de migraciones ocurren en tándem con la corriente, hay dos migraciones impulsoras dentro de la electrocinética: la migración iónica y la electroforesis . Cuando la solución electrolítica se inyecta dentro del suelo, parte de la solución iónica forma una doble capa difusa con suelos y contaminantes. Esta doble capa difusa ayudará en la deriva iónica que se producirá a medida que la corriente pasa a través del suelo y el líquido circundante, este proceso se llama electroósmosis . [1] El espesor de la doble capa difusa es una función de la composición iónica de la solución a granel y la densidad de carga promedio de los productos de hidratación . [3] A medida que aumenta la concentración de electrolitos, el espesor de la doble capa difusa disminuye. La electroforesis es el flujo de masa de partículas cargadas bajo un campo eléctrico . [4] Ambos procesos funcionan al mismo tiempo, pero a contracorriente. Las partículas cargadas son impulsadas por el flujo de electroforesis del cátodo al ánodo, mientras que la solución electrolítica fluye del ánodo al cátodo. De los dos procesos principales, la electroforesis (o electromigración) es más dominante que la electroósmosis. [2] La electroforesis sirve como el factor impulsor que induce el flujo de electroósmosis en la dirección opuesta. La electromigración también sirve como el componente principal para la eliminación de contaminantes iónicos. Para que se produzca la electromigración, el material absorbido debe disolverse en una forma iónica, ya sean metales, partículas orgánicas o inorgánicas. [1] El flujo electroosmótico entre los electrodos promueve el desarrollo de un entorno de bajo pH en el suelo. Este entorno de bajo pH inhibe que los contaminantes metálicos se absorban en las superficies de las partículas del suelo, lo que ayuda a la formación de compuestos que hacen posible la electrocinética. [6] Con este pensamiento es posible acidificar el suelo e inducir la liberación de metales pesados absorbidos. [2]
La remediación electrocinética se aplica a muchos contaminantes que pueden disolverse en las aguas subterráneas . Los metales pesados son uno de los principales contaminantes que se eliminan mediante el proceso electrocinético. Algunos metales como el cadmio (II) se pueden eliminar con grandes consecuencias en el gasto energético. El cromo (III) se puede eliminar, pero con baja eficiencia debido a la facilidad de hidrólisis que le permite adsorberse a otras sustancias. El cromo (IV) también es un candidato para la eliminación electrocinética, aunque la migración del cromo (IV) se retrasa en presencia de azufre porque se descompondrá en cromo (III). [1] Otras especies de metales pesados que se han probado y se informa que son tratables incluyen; mercurio , zinc , hierro , plomo , cobre y magnesio . [5] [6]
La electrocinética también es posible con metales alcalinos y alcalinotérreos que viajan más rápido en la mayoría de los medios que los metales pesados. En pruebas entre 20 y 30 voltios, se sabía que los metales alcalinos se movían entre 50 y 60 cm por día por voltio, mientras que el metal pesado se movía a velocidades entre 10 y 20 cm por día por voltio. [2] [7] Es posible que esta diferencia pueda deberse a la lenta desorción y disolución de los metales pesados. La electrocinética también se puede utilizar para tratar compuestos orgánicos polares ( fenol y ácido acético ) y radionucleótidos ( radio ), aniones tóxicos (nitratos y sulfatos), líquidos densos, no en fase acuosa (DNAPLs), cianuro , hidrocarburos de petróleo (combustible diésel, gasolina , queroseno y aceites lubricantes), contaminantes halogenados, explosivos, hidrocarburos aromáticos halogenados y polinucleares. [5]
Una de las ventajas de la electrocinética es que la remediación se puede realizar in situ (dentro del sitio de remediación) para tratar contaminantes en zonas de baja permeabilidad para superar la accesibilidad de los contaminantes o la entrega del tratamiento. [8] La remediación también puede ocurrir ex situ (retirada del sitio natural) para que los contaminantes se prueben y traten dentro de un laboratorio . Esta versatilidad de la ubicación del tratamiento puede ser muy rentable. La electrocinética tiene la ventaja de usarse en suelos saturados o no saturados debido a la inserción de fluido poroso. La remediación también puede ocurrir a pesar de las estratificaciones u homogeneidad del suelo . [4] Para suelos que son de baja permeabilidad como la caolita y las arenas arcillosas, es posible eliminar hasta el 90% de los contaminantes de metales pesados. En muchos casos, se debe realizar un pretratamiento del suelo para determinar las condiciones de trabajo adecuadas del suelo. [6]
Un aspecto a tener en cuenta es que el perfil de potencial en los suelos se puede determinar mediante la distribución iónica del fluido intersticial. Debido a que la distribución de iones afecta la eficiencia del sistema electrocinético, ingenieros como John Dzenitis han realizado estudios exhaustivos para encontrar reacciones clave alrededor de los electrodos que se pueden utilizar para crear modelos para la predicción del caudal iónico. [2] Estos modelos se pueden interpretar para determinar si la remediación electrocinética es la mejor opción para un sitio determinado.
Una limitación importante de la electrocinética es la introducción de un fluido externo en el suelo. Si el contaminante no se puede disolver, no es posible extraer el contaminante de interés. [5] La electrólisis cerca de los electrodos puede alterar el pH del suelo, especialmente si la corriente se induce durante un período prolongado de tiempo. El uso prolongado del sistema electrocinético también puede causar condiciones ácidas alrededor de los electrodos que a veces reaccionan con los contaminantes. Si una mayor acidificación del suelo no es ambientalmente aceptable, se debe reevaluar el uso de la electrocinética. [6] Los objetos metálicos grandes enterrados bajo tierra también suponen una limitación para los electrodos porque ofrecen una vía para cortocircuitar el sistema. Los objetos metálicos enterrados también pueden cambiar el gradiente de voltaje y disminuir o detener el flujo. La eliminación de compuestos orgánicos volátiles de los suelos puede aumentar la concentración de vapor del suelo. Contrariamente a la intuición, los suelos altamente permeables reducen la eficiencia de la electrocinética. Mientras que un suelo poco permeable como la arcilla puede recibir hasta un 90% de eliminación inicial de contaminantes, un suelo poco permeable como la turba logra aproximadamente un 65% de eliminación de contaminantes iniciales.
Otra limitación importante del proceso electrocinético es la disminución del potencial eléctrico del sistema. Diferentes efectos de polarización pueden disminuir el funcionamiento del sistema. Por ejemplo: La polarización de activación puede ocurrir durante el proceso de remediación electrocinética eliminando las burbujas de gas que se forman en la superficie de los electrodos durante la conductividad. La polarización de resistencia puede ocurrir después de que el proceso de remediación electrocinética haya comenzado, se puede observar una capa blanca. Al igual que en las manchas de agua dura, esta capa puede estar formada por sal insoluble y otras impurezas que inhiben la conductividad. La polarización de concentración ocurre cuando los iones de hidrógeno generados en el ánodo son atraídos por el cátodo y los iones de hidróxido generados en el cátodo son atraídos por el ánodo. Si se produce la neutralización, el potencial entre el sistema disminuye. [6] El aplanamiento local del perfil de potencial eléctrico también puede causar la diferencia en la migración. [2]
En muchos casos, el estudio de ocurrencias de sitios específicos con remediación electrocinética puede conducir a nuevos avances en la tecnología. Muchas veces, la remediación electrocinética se combinará con otras formas de remediación para manejar problemas específicos del sitio. En una preservación de madera danesa, el cobre era un metal pesado que contaminaba el suelo en dos formas: solución iónica con diferentes complejos dentro del suelo o una red cristalina de minerales del suelo. [9] Para este sitio, el pH del suelo fue un parámetro de gran importancia debido a una mayor cantidad de cobre presente como solución iónica. Creando barreras activas o membranas de intercambio que evitan que los iones viajen desde el compartimento del electrodo hacia el suelo. [9] La separación del suelo del electrodo está diseñada para disuadir la acidificación del cátodo y la pérdida de corriente a medida que los iones altamente móviles pasan desde el sitio del electrodo a través del suelo. [9]
En 1995, en el sitio de Paducah, en Kentucky, EE. UU., se desarrolló una nueva técnica para eliminar metales pesados de los suelos. Llamado el Proceso Lasaña, simplemente es la creación de varias zonas permeables horizontales utilizadas para proporcionar tratamiento a través de la matriz del suelo contaminado agregando diferentes aditivos a la solución electrolítica. Los aditivos como sorbentes, reactivos catalíticos, soluciones tampón y agentes oxidantes en este sistema se aplican a través de un sistema vertical con el ánodo cerca del fondo y el cátodo cerca de la parte superior. [6] [8] [10] La orientación del sistema de ánodo y cátodo vertical facilita el reciclado del fluido y el tratamiento del sistema. La formación de las capas de lasaña se debe a la fracturación en arcillas sobreconsolidadas debido a electrodos horizontales. El acoplamiento de los electrodos horizontales con un sistema de presión vertical hace que este método sea especialmente eficaz para eliminar contaminantes de capas más profundas del suelo. La primera prueba de este proceso demostró una eficacia del 98% en la eliminación de tricloroetileno del sitio de Paducah. La remediación electrocinética también es adecuada para su uso en sitios con contaminación radiactiva. [11]