Hidrogeoquímica AmbientalNotas del curso-taller corto
Puerto Vallarta, Jal., Noviembre-2002
Dr. Alejandro Carrillo-ChávezCentro de GeoCiencias-UNAM,Campus Juriquilla, Querétaro
Contenido del CD
• Esta presentación (ppt)
• Programa PHREEQCI (phreeqci261.exe)
• Programa PHREEQC for Windows (psetup1508.exe)
• Programa MINDEC (mindec.exe)
• Programas MINTEQA2 (instalmt2-5.exe)
Temario
• Fundamentos de Hidrogeoquímica
• Representación Gráfica de Datos Hidrogeoquímicos
• Métodos Analíticos y Validez de Datos
• Iones Mayores: controles principales
• Elementos traza: importancia
• Agua subterránea y Evolución Hidrogeoquímica
• Isótopos estables (18O, D, 34S)
• Sustancias orgánicas (breve bosquejo)
• Modelado Hidrogeoquímico y aplicaciones ambientales
HidrogeoquímicaEstudia las propiedades químicas del agua superficial y subterránea, y su relación con la geología regional.Analiza los iones disueltos en agua y los procesos de interacción agua-sólido.La hidrogeoquímica es la compilacion de varias ciencias, tales como la quimica del agua, que concierne al estudio de los procesos y reacciones químicas que afectan la distribución y circulación de especies disueltas en aguas naturales, combinada con la geologia y la biologia, debido a que durante el ciclo hidrológico el agua interactúa directamente con la BIOESFERA.
Objetivo
Se presentan fundamentos de hidrogeoquímica
ambiental y técnicas modernas de interpretación de
datos. Se hará énfasis en la valides de datos (desde
colecta de muestras hasta técnicas analíticas) y en la
interpretación de los mismos (gráficas y modelado). Se
trabajará con datos reales y se presentarán casos
estudiados. Se entregan los códigos hidrogeoquímicos
(de dominio público) PHREEQCI, MINTEQA2,
NETPATH y MINDEC en sus últimas versiones (2002).
FUNDAMENTOS DE
HIDROGEOQUÍMICA
Agua natural Agua subterránea y fuentes de agua dulce
Fuentes de agua(dulce y salada)
Salada(95.1 %)
Dulce(4.9 %)
Fuentes de agua(dulce )
Lagos, ríos, etc.
(0.2 %)Nieve e hielo
(31.4 %)
Agua subterránea(68.4 %)
Ciclo Hidrológico
Diagrama Esquemático del C.H.
Atmósfera: 0.13x1020g
Lagos y Ríos: 0.3x1020g
Océanos:13,7000x1020g
Evaporación:3.8x1020g
Precipitación:3.5x1020g
Precipitación: 0.99x1020g
Evaporación: 0.63x1020g
Descarga de Ríos y A. Sub: 0.36x1020g/año
Tiempo de ResidenciaEl Tiempo de residencia de una substancia se obtiene
dividiendo la cantidad de la substancia en el reservorio
entre la cantidad que entra (flujo) o sale del reservorio.
Ejemplo 1:
Tiempo de resiencia de agua en los oceános:
( ) / ( + ) =
Ejemplo 2:
Tiempo de resiencia de agua en la atmósfera:
( ) / ( + ) =
Tiempo de ResidenciaEl Tiempo de residencia de una substancia se obtiene
dividiendo la cantidad de la substancia en el reservorio
entre la cantidad que entra (flujo) o sale del reservorio.
Ejemplo 1:
Tiempo de resiencia de agua en los oceanos:
(13,700 x 1020g) / (3.5 x 1020g/a + 0.36 x 1020g/a) = 3550 a
Ejemplo 2:
Tiempo de resiencia de agua en la atmósfera:
(0.13 x 1020g) / (3.8 x 1020g/a + 0.63 x 1020g/a) = 0.03a = 11 d
Fuentes de contaminación del agua
Drenaje urbano
Relleno sanitario
Lluvia ácida.Recarga de agua subterránea
y superficial
Emisiones atmosféricas. Compuestos de azufre y nitrógeno
Plantas municipales
de abastecimient
o
Pozo
Estiércol
Automóviles
Lago
Botes
Migración de contaminant
es Flujo de agua subterránea Flujo de agua subterránea
Arena y grava del acuífero
Manto friático
Fosa séptica
Estación de gas
Filtración
Lago
Jales de mina
Composición de tipos de aguaConstituyente mg/Kg (ppm)
Agua de mar
Sodio (Na+)
Magnesio (Mg2+)
Calcio (Ca2+)
Potasio (K+)
Cloruro (Cl-)
Sulfato (SO42-)
Bicarbonato (HCO3-)
Bromuro (Br-)
Otros sólidos
Sólidos disueltos totales
10 500
1 350
400
380
19 000
2 700
142
65
34
34 500
Composición de tipos de agua
Constituyente Agua superficial (mg/L)
Constituyentes mayores
Sodio (Na+)
Magnesio (Mg2+)
Calcio (Ca2+)
Potasio (K+)
Cloruro (Cl-)
Sulfato (SO42-)
Bicarbonato (HCO3-)
Sílice (SiO2 aq)
pH
SDT
6.3
4.1
15.0
2.3
7.8
3.7
58.0
14.0
6-8
120.0
Agua subterránea (mg/L)
30.0
7.0
50.0
3.0
20.0
30.0
200.0
16.0
7.4
350.0
Elemento Mediana (g/L) Elemento Mediana (g/l) Elemento Mediana ( g/L)
Constituyentes menores y traza
Al
Ag
As
Au
B
Ba
Be
Bi
Br
Cd
Co
Cr
10
0.3
2
0.002
10
20
5
0.005
20
0.03
0.1
1
20
3
1
2
0.4
0.1
400
0.1
3
0.03
0.5
2
20
Cs
Cu
F
Fe
Hg
I
La
Li
Mn
Mo
Nb
Ni
0.02
3
100
100
0.07
7
0.2
3
15
1.5
1
1.5
P
Pb
Rb
Sb
Se
Sn
Sr
Th
Ti
W
U
V
Zn
UNIDADES:
ppm (partes por millon)
ppb (partes por mil millones)
mol/L (Mol = Peso Molecular en gramos)
mmol/L (milimol por litro)
eq/L (Normalidad - equivalentes = M x z)
meq/L (miliequivalente)
ppm =mg de soluto
L de soluciónppb =
µg de soluto
L de solución
Conversión de Unidades:Reporte de laboratorio: •mg/l o ppm para iones mayores•y g/l o ppb para elementos traza.
•Conversiones:
•Conc. en mmol/l = (ppm o mg/l)/ Peso Molecular
•Conc. en meq/l = Conc. en mmol/l x Carga iónica
Balance de Cargas
El error en una medición se define como:
Describe el hecho de que el total de equivalentes (eq) o miliequivalentes (meq)de cationes en un volúmen o peso dado de agua debe ser igual a los miliequivalentes o equivalentes de aniones.
meq. o eq. de iones = meq. o eq. de cationes
Error = Iones positivos - iones negativos
Iones positivos + iones negativos
El resultado se expresa en %
Termodinámica de equilibrioPara cualquier reacción, por ejemplo: A + B = C + D, se tiene
una
K (constante de quilibrio) igual a:
Keq = (aC* aD)/(aA*aB),
donde a = actividad química; A y B reactantes, y C y D los
productos.
La concentración reportada por el lab. analítico es m y la
relación entre m (concentración) y a (actividad) esta dada por:
= ai/mi, donde i es cualquier elemento, y
(lambda) es el coeficiente de actividad.
Termodinámica de equilibrio (continuación)
El equilibrio termodinámico se define como el estado de menor
energía del sistema. Para sistemas de aguas naturales a P y T
constante, la medida de energía es la ENERGIA LIBRE DE GIBBS
(G), que se relaciona con la Entalpia (H) y la Entropia (S) del
sistema: G = H - TS, o G = H - TS
En la reacción A + B = C + D; GR = Gp - Gr
si GR>0 la reacción va , si GR<0 la reacción va , si
GR = 0, hay equilibrio.
La Keq también esta dada por la expresión: log Keq = -(GR)/5.708
a 25C y GR esta dada en kj/mol.
Equilibrio quimico (ejemplo)
¿Que fase mineral es mas estable a condiciones atmosfericas, Hematita o Magnetita?
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2
Gr0 (kJ/mol)
Hematita -742.8
Magnetita -1012.9
Oxigeno 0
Equilibrio quimico (ejemplo)
¿Que fase mineral es mas estable a condiciones atmosfericas, Hematita o magnetita?
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2
Gr0 (kJ/mol)
Hematita -742.8Magnetita -1012.9Oxigeno 0
dGr0 = 4(-1012.9) + 0 - 6(-742.8) = +201.6 kJ7molLa hematita es mas estable a condiciones atmosféricas
Fuerza Iónica y coeficiente de actividad:
Teoría de Debye-Huckel:
I = ½ mi z2i ; log i = (-Az2I) / (1+Ba0I);
Donde: I = Fuerza Iónica;
A, B, a0 son parametros termodinámicos ya tabulados.
Calcular I para la muestra de Rio Grande:
Calcular: Ca2+ y SO4
2-
Con:
A = 0.5085; B = 0.3281; y a0 =5.0 x 10-8
Fuerza Iónica y coeficiente de actividad:
Teoría de Debye-Huckel:
I = ½ mi z2i ; log i = (-Az2I) / (1+Ba0I);
Donde: I = Fuerza Iónica;
A, B, a0 son parametros termodinámicos ya tabulados.
Para la muestra de Rio Grande: I = 0.0189
y, Ca2+ = 0.591; SO4
2- = 0.591
Índice de saturación
IS = 0 saturado (equilibrio)IS < 0 No saturadoIS > 0 Sobresaturado
PAI > Keq dGr>0 CaSO4 Ca2+ +SO42-
PAI = Keq dGr = 0 CaSO4 Ca2+ + SO42-
PAI < Keq dGr < 0 CaSO4 Ca2+ + SO42-
Cuando:
IS = log PAI
Keq
Indice de saturación (IS o SI)
Analizemos el ejemplo de la disolución de yeso:
CaSO4.2H2O Ca2+ + SO42- + 2H2O;
Calcular Gr , Keq = , PAI y IS para el caso del agua del Rio
Grande. Gr(kJ/mol)
Ca2+ -552.8
SO42- -744.0
H20 -237.14
CaSO4.2H20 -1797.36
Indice de saturación (IS o SI)
Analizemos el ejemplo de la disolución de yeso:
CaSO4.2H2O Ca2+ + SO42- + 2H2O; GR = 26.28, Keq = 10-4.60
o, Keq = (aCa2+)(aSO4
2-) = 10-4.60
Y el producto de la actividad ionica (PAI), o Kap esta dada por:
PAI = (aCa2+)(aSO4
2-) = (m Ca2+)(mSO4
2-) donde m es la concentración
resultado del análisis químico y es el coeficiente de actividad
calculado previemente:
PAI = (0.00272x 0.591 ) x (0.00248x 0.591) = 2.35 x 10-6 = 10-5.63
Indice de saturación (IS) = log (PAI / Keq) = log(10-5.63 / 10-4.60) =-1.03,
la solucion esta subsaturada con respecto a yeso.
0 2 4 6 8 10 12 14
pH
2
4
6
8
10
12
1
3
5
7
9
11
- lo
g c
on
cen
trac
ión
(M
)
H2CO3HCO3
- CO32-
OH- H+
Distribución de especies de carbonato en función del pH
AdsorciónSORCIÓN
Adsorción Absorción Precipitación
CristalCristal CristalSolución Solución Solución
O
O O
O O
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
OO O
O
OO
O
OO
O
O
Fe
Fe Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe
Fe Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
Zn
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
REPRESENTACION GRAFICA
Iones mayores (fingerprint)Major Ions in Water Samples
0.001
0.010
0.100
1.000
10.000
100.000
Cl PO4 NO3 SO4 HCO3 Na NH4 K Mg Ca
Co
nce
ntr
ati
on
(m
eq
/L)
TailingsTributar iesStreamsReservoirEPA 2nd
Diagramas Piper
Construcción• Convertir mg/l a meq/l
• Sumar meq/l de cationes
• Sumar meq/l de aniones
• Dividir cada cation (Na+K) entre el total de cationes (meq/l)
• Dividir cada anion entre el total de aniones (meq/l)
• Graficar porcentajes (x 100) en los triángulos inferiores.
• Proyectar los puntos de los dos triángulos inferiores al rombo superior y graficar el punto en la intersección.
• Graficar en grupo de muestras
• Los círculos indican la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS)
• Analizar tipos de agua y evolución hidrogeoquímica.
Ejemplo:
Volvamos al ejemplo deRio Grande (datos en ppm):Ca = 109, Mg = 24, Na = 117K = 7, HCO3 = 183, SO4 = 238Cl = 171Graficar el el diagrama dePiper:
Construcción (cont.)
• Volvamos al ejemplo de Rio Grande: Ca=5.44 meq/l, Mg=1.97 meq/l; Na=5.09 meq/l, K=0.18meq/l; HCO3=3.00 meq/l, SO4=4.96 meq/l, Cl=4.82 meq/l.
• Normalizando sum de + y de -, y sacando proporciones tenemos:
• Ca=43%, Mg=15%, Na+K=42%
• HCO3=23%, SO4=39%, Cl=38%
• TDS = 897
• La Grafica queda asi:
Sulfatada Cálcica
Clorurada SódicaBicarbonatada Ca-Mg
Bicarbonatada Na
Tipos de aguas:
Diagramas Stiff:
METODOS ANALITICOS
VALIDEZ DE DATOS
Elementos Mayores, menores y traza
• Mayores (> 10 mg/l; Ca, Mg, Na, K, HCO3, SO4, Cl).
• Menores (0.01-10 mg/l; Fe, B, I, NO3, Sr, Mn, Si, F)
• Traza (<0.01 mg/; el resto)
• Orgánicos (mg/l -- g/l)
Niveles de toxicidadNiveles de toxicidad Por increíble que parezca, solo se necesitan unas fracciones de
mg/l de algunos iones para ser no apta para consumo. Ejemplo: As (0.05), Cd (0.01), Se (0.01), Hg (0.002), Pb (0.05). Un miligramo/litro es la milésima parte de un gramo por litro, y
un gramo es la milésima parte de un litro (un litro de agua pesa aproximadamente un kilogramo)
Por tanto un miligramo en un litro es la millonésima parte de un litro.
Algunas concentraciones de elementos en el agua se miden en
microgramos por litro que es una milésima parte de un millón (mil millonésima fracción).
Análisis y Laboratorios:
• Primera Prueba: Balance de cargas (Sum (+) = Sum (-), expresado en %.
• Algunos orgánicos (ROCOOH) introducen desbalance químico.
• Los elemento mayores proveen muy importante información sobre los procesos hidrogeoquímicos.
• Muestras Duplicadas o Triplicadas para análisis de elementos menores y traza.
Errores aceptables en Análisis:
• Laboratorio Típico comercial: <20%
• Laboratorio de USGS/EPA <7%
• Laboratorio de Investigación (académico)
<3%.
Técnicas actuales:• Campo: pH, Temp, SDT, Conductividad, ORP,
Oxígeno, Alcalinidad.
• Cationes Mayores, Absorción Atómica (AA-GF)
• Aniones, HPLC
• Menores y traza, ICP-MS (OES)
• Orgánicos, CG
• Análisis especiales: Activación Neutrónica (INAA: Vapores Fríos de Mercurio (CVF)
IONES MAYORES: Controles principales
Tipos de aguas naturales:
• Agua “dulce”: < 1000 ppm (potable < 500 ppm SDT)
• Agua Salobre: 1,000 y 20,000 ppm
• Agua Salada: aprox. = 35,000 ppm (agua de mar)
• Salmueras: >35,000 ppm (Mar Muerto = 200,000 ppm)
Sulfatada Cálcica
Clorurada SódicaBicarbonatada Ca-Mg
Bicarbonatada Na
(Yeso, Ox.Sulfuros)
(Agua Marina, Salmueras Sed., Contaminacion por sal)
(Intercambio iónico)
(Rocas Carbonatadas, Rocas ígneas)
Tipos de aguas y relación con el medio:
Intercambio CatiónicoArci-Na + Ca = Arci-Ca + Na
SDT constantes
Disolución de Yeso-SulfurosAumento en SDT
HCO3 “Const”
SDT aumentan
Mezcla de Aguas
Algunos procesos:
Intercambio CatiónicoArci-Na + Ca = Arci-Ca + Na
Ejem. de evolución hidrogeoq.:
Disolucion de yeso
Mezcla con aguade mar (intrusión)
1
2
3
4• Agua de recarga joven en un
acuífero carbonatado (1)• Flujo de agua sub. pasa por la
zona de influencia de un rellenosanitario (2)
• Después el agua reacciona con arcillas (intercambio Ca-Na) (3)
• Finalmente el agua se mezcla con agua de mar (4)
Diagramas Stiff
Elementos Traza (menores):
Estándares para agua potableElemento Concentracion maxima (mg/l)
Fe 0.3Cu 1.0Zn 5.0As 0.05Cd 0.01Se 0.01Cr 0.05Pb 0.05Hg 0.002
Toxicología de algunos elementos:
Elemento Prom. Cuerpo
Año reconocido
Función Efectos/def.
Fe 60 mg/kg Siglo XVII Transporta O2 en sang.
Anemia
Cu 1.0 1928 Cu + Fe, enzimas
Anemia, prob. Huesos, colest.
Zn 33 1934 Metabol. Prob. de crecimiento
As 18 1977 desconocido desconocido
Cd 0.7 1977 desconocido desconocido
Cr 0.03 1959 Insulina Diabetes
Se - - - 1957 Enzimas, Se + metales
Problemas de Corazón
Localidades en México con problemas:
Elemento Localidad Conc. en agua Origen
Fe Colima - - - Minas de Fe
Cu Sonora - - - Minas de Cu
Zn Guanajuato 2.0 ppm Minas de Ag-Zn
As Zimapán, La Laguna
0.5 –2.0 ppm Minas de Ag (As)
Cd Morelia 0.01 Residuos Ind.
Cr León, Gto - - - Curtidoras - rocas
Se Irapuato - - - Fertilizantes (?)
Controles principales
• Disolución de fases mayores.
• Precipitación de minerales secundarios.
• Adsorción-Complejación Superficial.
• pH y Eh del medio.
5 6 7 8
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
Zn
qw_Zn
qs_Zn
Example 8
pH
MO
LA
LIT
YEjemplo de adsorción de Zn en >FeOH
Diagramas pH-Eh
Agua Subterránea-Evol. Hidrogeoquímica
Flujo regional y Hidrogeoquímica:
Evolución Hidrogeoquímica (mayores):
Evolución Hidrogeoquímica (mayores):
Evolución Hidrogeoquímica (procesos):
1. Agua Ca-HCO3 fluyen a través de arcillas-Na; Intercambio catiónico.
2. Evolución natural del agua-sub. HCO3 > SO4; Aumento en SDT.
3. Mezcla con agua Na-Cl (acuífero profundo): Aumento en SDT.
4. Descarga de Agua Na-Cl-SO4.
12
3
4
Evolución Hidrogeoquímica (menores):
Evolución Hidrogeoquímica (menores):
Isótopos estables
Fraccionamiento Isotópico
Isot. Pesados
Isot. Ligeros
Isot. Pesados
Isot. +Ligeros
Isot. Pesados
Fraccionamiento Isotópico
Rx - Rstd
= x 1000 00/100
Rstd
0
-100
-200
-300
-50 -40 -30 -20 -10 0
Agua oceanica
Aguas costeras
Agua en montañas
Nieve an montañasin artico
Polo sur
GMWL (LMWL) 2H=8.2 18O + 11.3
A.s. someraA.s. Prof.
Evaporación
-90
-80
-70
-60
-50
-12 -11 -10 -9 -8 -7
18OVSMOW
DV
SM
OW
Soledad dam
Esperanzadam
Mine-waterValenciana
Mine-waterTorres
Well 3
D = 5.93 18O -13.04
GMWL
Well 12
Well 14
Mata dam
Procesos (Distrito Minero de Gto; Carrillo, 2002):
Procesos (Distrito de Riego, ValsequilloDominguez-Mariani, 2002):
Isótopos estables:
Isótopo Relación %abundancia Fases
2H 2H/1H 0.015 H20, CH2O, CH4
3He 3H3/4He 0.000138 He en agua o gas
6Li 6Li/7Li 7.5 Aguas salinas
11B 11B/10B 80.1 Aguas salinas
13C 13C/12C 1.11 CO2, Carbonato, CH
15N 15N/15N 0.366 N2, NH4+, NO3-, org.
18O 18O/16O 0.204 H2O, CH2O, CO2
34S 34S/32S 4.21 Sulfatos, H2S, S-org.
37C 37Cl/35Cl 24.23 Aguas salinas
81Br 81Br/79Br 49.31 Aguas salinas
87Sr 87Sr/86Sr 9.86-7.0 Carbonatos, sulfatos
Isotopos de Azufre (34S/32S)
Sustancias orgánicas (bosquejo):
Representación Gráfica:
Orgánicos mas comunes:
Orgánicos mas comunes:
Los mas importantes:
1. BTEX (Benceno-Tolueno-Etileno-Xyleno), (Hidrocarburos)
2. HTP´s (Hidrocarburos Totales de Petróleo)
3. Aldehidos y Butaldehidos (derivados de industria papelera)
4. VOC´s (compuestos orgánicos compuestos) y Dioxanos derivados fundamentalmente de la industria textil.
5. PAH´s (Aromáticos polinucleares)
6. PCB´s (Poli-clorinados-bifenoles, derivados de industria metal-mecánica
7. Fenoles derivados de industria química
8. Organoclorados, Organofosforados, Organofosfatados (Plagicidas, derivados de la actividad agrícola)
9. TCE (tricloro-etano)
• LNAPL = Light Non-Aqueous Phase liquid (no-clorinados)
• DNAPL = Dense Non-Aqueous Phase liquid (clorindaos)
Que son organofosfatados?• Pesticidas de tipo de organofosfatados tienen
una gran ventaja sobre los organoclorados relacionada con su no persistencia en el medio ambiente.
• Pero su toxicidad aguda para seres humanos es mayor que la de organocloruros.
Organofosfatados• Acephate Ethoprop Phorate• Azinphos-methyl Ethyl parathion Phosalone• Bensulide Fenamiphos Phostebupirim• Cadusafos Fenitrothion Pirimiphos
methyl• Chlorethoxyfos Fenthion Profenofos• Chlorpyrifos Fonofos Propetamphos• Coumaphos Malathion Sulfotepp• Dianzion Methamidophos Temephos• Dichlorvos Methidathion Terbufos• Dicrotophos Methyl parathion Tetrachlorvinphos• Dimethoate Mevinphos Tribufos• Dioxathion Naled Trichlorfon
Organofosfatados en medio ambiente
• Rapida biodegradación
• El oxígeno del aire altera el enlace de P=S a P=O y moleculas de agua separan O-P descomponiendo los organofosfatados en sustancias no toxicas como el ácido fosfórico y alcoholes.
OF en el medio ambiente: Ejemplo Acephate
• Area principal de degradación: metabolismos del suelo aeróbico– Vida media < 2 dias
• Producto intermedio: Methamidophos– Es metabolizado por microorganismos en CO2 y
biomasa– Vida media <10 dias
Modelos Hidrogeoquímicos TITLE Example 2.--Temperature dependence of solubility
of gypsum and anhydrite
SOLUTION 1 Pure water
pH 7.0
temp 25.0
EQUILIBRIUM_PHASES 1
Gypsum 0.0 1.0
Anhydrite 0.0 1.0
REACTION_TEMPERATURE 1
25.0 75.0 in 51 steps
SELECTED_OUTPUT
-file ex2.sel
-si anhydrite gypsum
USER_GRAPH
-headings Temperature SI(Gypsum) SI(Anhydrite)
-chart_title "Example 2"
-axis_scale x_axis 25 75
-axis_scale y_axis -0.3 0.1
-axis_titles "TEMPERATURE IN DEGREES CELSIUS" "SATURATION INDEX"
-initial_solutions false
-start
10 graph_x TC
20 graph_y SI("Gypsum") SI("Anhydrite")
-end
END
Modelos hidrogeoquímicos
• Cálculos de balance de cargas, I, especiación, distribución de especies, indices de saturación.
• Equilibrio de fases, distribución de masa, precipitacion de fases.
• Complejación superficial, Adsorción• Modelado directo (predicción).• Modelado inverso (procesos y balance de
masas).• Fraccionamiento isotópico.
Modelos hidrogeoquímicos:
• WATEQ (especiación)• MINTEQA (especiación, modelado directo)• NETPATH (modelado inverso)• PHREEQCI (esp, mod.directo, inverso,
transporte unidimensional, etc.)• Geochemist´s Workbench• MINDEC (Evelaución de Calidad de agua
de Minas)
Especiación, Saturación, Transporte reactivo
• PHREEQC– USGS (Parkhurst and Appelo, 1999)– Modelo geoquímico de baja temp. – Cálculos realizados:Especiación y calculos de I.S.
• Reacciones y trasporte en 1-D
• Modelado Inverso modeling
Modelos hidrogeoquimicos
Modelado Directo
• MINTEQA2– NERL-ERD (Allison et al., 1991)– Código versátil de equilibrio químico– Calcula distrubución de masas en equilibrio de
especies disuletas y adsorbidas y de fases solidas
– Una base de datos termodinámicos muy extensa.
Modelado Directo(ejemplo):
• Una empresa minera excavara un tajo abierto para explotar un yacimiento y al final de las operaciones mineras se dejara que el agua subterránea forme un lago en el tajo. La roca encajonante es granito alterado con calcita como el único mineral reactivo. Se le contrata e usted para predecir la composición final del agua del lago y hacer comentarios especializados. La única información disponible extra es un análisis de agua subterránea (datos en ppm): Na = 64.2; K = 17; Ca = 151.4; Mg=54.6; Cl =23.8; SO4=104; Alcalinidad=12.54 meq/l; As=0.05; Cu=0.014; Zn=1.1; Fe=1.27 ppm; pH 7.51; T = 20C.
Solución usando MINTEQA2
1. Alimentar MINTEQA2 con los datos del agua para una modelación de Especiación-Saturación (seleccionar opciones oxidadas para Fe y As).
2. Analizar el archivo de salida y determinar que especies son mas posibles de precipitar o lograr equilibrio (ferrihidrita y calcita).
3. Volver a correr MINTEQA sin especificar pH y definiendo equilibrio con CO2 (atmosférico 3.16x10-4 atm) y especificando calcita y ferrihidrita como sólidos a precipitar.
Solución usando MINTEQA2
4. Analizar la salida (2) del MINTEQA2 y ver cuanta Ferrihidrita precipitará.
5. Con la cantidad de ferrihidrita precipitada definir un modelo de adsorción en MINTEQA2 utilizando la base de datos incluida en el programa (Dzombak y Morel, 1990).
6. Correr nuevamente MINTQA2 con el modelo de adsorción definido. Las cantidades de As, Cu y Zn disminuyen sustancialmente
7. Finalmente hacer “barridos” de pH (3-10) para predecir diferentes escenarios de concentraciones en el lago.
Modelado de adsorción con PHREEQCI iron oxidesSURFACE_SPECIES Hfo_sOH + H+ = Hfo_sOH2+ log_k 7.18
Hfo_sOH = Hfo_sO- + H+ log_k -8.82
Hfo_sOH + Zn+2 = Hfo_sOZn+ + H+ log_k 0.66
Hfo_wOH + H+ = Hfo_wOH2+ log_k 7.18
Hfo_wOH = Hfo_wO- + H+ log_k -8.82
Hfo_wOH + Zn+2 = Hfo_wOZn+ + H+ log_k -2.32SURFACE 1 Hfo_sOH 5e-6 600. 0.09 Hfo_wOH 2e-4 SOLUTION 1 -units mmol/kgw pH 8.0 Zn 0.0001 Na 100. charge N(5) 100.SOLUTION 2 -units mmol/kgw pH 8.0 Zn 0.1 Na 100. charge N(5) 100.USE surface none## Model definitions#PHASES Fix_H+ H+ = H+ log_k 0.0END
Presentación final de datos
• Sistemas de Información Geográficos
• Información Geo-referenciada. Fácil actualización.
• Manejo estadístico de información y datos.
• Presentaciones tridimensionales.
• Presentaciones finales. Mapas en formatos pdf, CD´s, paginas web.
Referencias Utiles:
Mineral Resources Economics and the Environment. Stephen E. Kesler, Macmillan. 1994.Environmental Geochemistry of Minesite Drainage (practical theory and case studies).Kevin A. Morin and Nora M. Hutt. MDAG Publishing, Canada. 1997.
• Fourth International Conference on Acid Rock Drainage. Proceedings (Volume I, II, III and IV). Vancouver, Canada, 1997.
• Fifth International Conference on Acid Rock Drainage. Proceedings (Volume I and II). Denver, Colorado, May/2000.
• The Geochemistry of Natural Waters, 3rd Ed. James I. Drever. Prentice Hall. 1997.• Aqueous Environmental Geochemistry. Donald Langmuir. Prentice Hall. 1997.• Descriptive Geo-environmental mineral deposits models: du Bray E. 1995. USGS OFR 95-831. • Groundwater Geochemistry. William J. Deutsch. Lewis. 1997.• Geochemical Reaction Modeling. Craig M. Bethke. Oxford. 1996• Allison, J. D., Brown, D. S. and Novogradac, K. J. 1991. MINTEQA2/PRODEFA2, A geochemical
assessment model for environmental systems: Version 3.0 User's Manual. EPA/600/3‑91/021. 106 p.
• Dzombak, D.A. and Morel, F.M. 1990. Surface Complexation Modeling (hydrous ferric oxide). John Wiley and Sons. 392 p.
• Stumm, W. and Morgan, J. J. (1996). Aquatic chemistry: (chemical equilibria and rates in natural waters) Third edition. New York: John Wiley and Sons Inc. 1022 p.
Refrencias Utiles (cont.):
• Parkhurst, D.L. 1995. User´s guide to PHREEQC - a computer program for speciation, reaction-path, advective-transport, and inverse geochemical calculations. Water‑Resources Investigations Report 95‑4227 U.S. Geological Survey.
• Plummer, L. N., Prestemon, E.C. and Parkhurst, D.L. 1994. An Interactive code (NETPATH) for modeling net geochemical reactions along a flow path. Version 2.0 Water‑Resources Investigations Report 94‑4169 U.S. Geological Survey.
• Applied Chemical Hydrology, Alan, E. Kehew, Prentice Hall., 2001• Environmental Isotopes in Hydrogeology. Ian Clark and Peter Fritz, Lewis. 1997.• Isotope tracers in catchement hydrology, Carol Kendall, J. McDonnell, Elsevier, 2000.• Recursos de Internet: • http://www.epa.gov, • http://www.usgs.gov
Cuidemos la Tierra: solo tenemos una
• ***********************************************• Dr. Alejandro Carrillo-Chávez• Centro de Geociencias-UNAM, Campus Juriquilla, A.P. 1-742, Queretaro, 76230, Mexico.• Tel: + 52 (01) 442 238-1104 ext 106; + 52 (01) 555 623-4104 ext 106; + 52 (01) 442 238-1101 • E.mail: [email protected]; Home page: http://geminis.geociencias.unam.mx/~ambiente/• MSN messenger: [email protected]• ***********************************************
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