Transcript Hidrogeoquímica Ambiental Notas del curso-taller corto Puerto Vallarta, Jal., Noviembre-2002 Dr. Alejandro Carrillo-Chávez Centro de GeoCiencias-UNAM, Campus Juriquilla, Querétaro.

Hidrogeoquímica Ambiental
Notas del curso-taller corto
Puerto Vallarta, Jal., Noviembre-2002
Dr. Alejandro Carrillo-Chávez
Centro 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
•
•
•
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•
•
•
•
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
Hidrogeoquímica
Estudia 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
Dulce
(4.9 %)
Fuentes de agua
(dulce y salada)
Salada
(95.1 %)
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.
Precipitación: 0.99x1020g
Atmósfera: 0.13x1020g
Evaporación: 0.63x1020g
Lagos y Ríos:
0.3x1020g
Precipitación:
3.5x1020g
Descarga de
Ríos y A. Sub:
0.36x1020g/año
Evaporación:
3.8x1020g
Océanos:
13,7000x1020g
Tiempo de Residencia
El 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 Residencia
El 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
Lluvia ácida.
Recarga de agua subterránea
y superficial
Emisiones
atmosféricas.
Compuestos
de azufre y
nitrógeno
Drenaje urbano
Lago
Jales de mina
Relleno sanitario
Automóvile
s
Fosa
séptica
Estiérc
ol
Manto
friático
Arena y
grava del
acuífero
Flujo de agua subterránea
Plantas
municipales
de
Poz
abastecimient
o
o
Botes
Lago
Estación
de gas
Migración de
contaminant
Flujo de agua subterránea es
Filtración
Composición de tipos de agua
Agua de mar
Constituyente
mg/Kg (ppm)
Sodio (Na+)
Magnesio (Mg2+)
10 500
1 350
Calcio (Ca2+)
400
Potasio (K+)
380
Cloruro (Cl-)
19 000
Sulfato (SO42-)
Bicarbonato (HCO3-)
2 700
142
Bromuro (Br-)
65
Otros sólidos
34
Sólidos disueltos
totales
34 500
Composición de tipos de agua
Constituyentes mayores
Constituyente
Agua superficial
(mg/L)
Agua subterránea
(mg/L)
Sodio (Na+)
6.3
30.0
Magnesio (Mg2+)
4.1
7.0
Calcio (Ca2+)
15.0
50.0
Potasio (K+)
2.3
3.0
Cloruro (Cl-)
7.8
20.0
Sulfato (SO42-)
3.7
30.0
Bicarbonato (HCO3-)
58.0
200.0
Sílice (SiO2 aq)
14.0
16.0
6-8
7.4
120.0
350.0
pH
SDT
Constituyentes menores y traza
Elemento
Al
Ag
As
Au
B
Ba
Be
Bi
Br
Cd
Co
Cr
Mediana (g/L)
10
0.3
2
0.002
10
20
5
0.005
20
0.03
0.1
1
Elemento
Cs
Cu
F
Fe
Hg
I
La
Li
Mn
Mo
Nb
Ni
Mediana (g/l)
0.02
3
100
100
0.07
7
0.2
3
15
1.5
1
1.5
Elemento
P
Pb
Rb
Sb
Se
Sn
Sr
Th
Ti
W
U
V
Zn
Mediana ( g/L)
20
3
1
2
0.4
0.1
400
0.1
3
0.03
0.5
2
20
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)
ppb =
µg de soluto
L de solución
ppm =
mg 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
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
El error en una medición se define como:
Error =
Iones positivos -
iones negativos
Iones positivos + iones negativos
El resultado se expresa en %
Termodinámica de equilibrio
Para 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 - TS
En la reacción A + B = C + D;
si GR>0 la reacción va
GR = Gp - Gr
, 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
Hematita
Magnetita
Oxigeno
Gr0 (kJ/mol)
-742.8
-1012.9
0
Equilibrio quimico (ejemplo)
¿Que fase mineral es mas estable a condiciones atmosfericas,
Hematita o magnetita?
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2
Hematita
Magnetita
Oxigeno
Gr0 (kJ/mol)
-742.8
-1012.9
0
dGr0 = 4(-1012.9) + 0 - 6(-742.8) = +201.6 kJ7mol
La hematita es mas estable a condiciones atmosféricas
Fuerza Iónica y coeficiente de actividad:
Teoría de Debye-Huckel:
I = ½ mi z2i ; log i = (-Az2I) / (1+Ba0I);
Donde: I = Fuerza Iónica;
A, B, a0 son parametros termodinámicos ya tabulados.
Calcular I para la muestra de Rio Grande:
Calcular: Ca2+ y SO42Con:
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 = (-Az2I) / (1+Ba0I);
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; SO42- = 0.591
Índice de saturación
Cuando:
PAI = Keq
dGr = 0 CaSO4
Ca2+ + SO42-
PAI < Keq
dGr < 0 CaSO4
Ca2+ + SO42-
PAI > Keq
dGr>0
CaSO4
IS = log
Ca2+ +SO42-
PAI
Keq
IS = 0
IS < 0
IS > 0
saturado (equilibrio)
No saturado
Sobresaturado
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+)(aSO42-) = 10-4.60
Y el producto de la actividad ionica (PAI), o Kap esta dada por:
PAI = (aCa2+)(aSO42-) = (m Ca2+)(mSO42-) 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.
Distribución de especies de carbonato en función del pH
1
- log concentración (M)
2
CO32-
HCO3-
H2CO3
3
4
5
6
7
8
OH-
9
H+
10
11
12
0
2
4
6
8
pH
10
12
14
Adsorción
SORCIÓN
Adsorción
Absorción
Precipitación
H
O
Fe
O
Fe
O
H
Zn
H
O
Fe
H
Fe
O
O
Fe
Fe
O
H
O
Cristal
H
O
O
Fe
Fe
O
O
Zn
H
Solución
H
H
O
H
O
Fe
O
Zn
O
H
Fe
O
O
Fe
Zn
O
O
Zn
H
O
H
Zn
H
O
O
O
Fe
Fe
O
H
O
H
Fe
O
Zn
O
O
Fe
O
Zn
H
O
H
Cristal
H
Solución
Fe
O
Cristal
Zn
O
Solución
REPRESENTACION GRAFICA
Iones mayores (fingerprint)
Major Ions in Water Samples
Concentration (m eq/ L)
100.000
Tailings
Tribut aries
St ream s
Reservoir
EPA 2nd
10.000
1.000
0.100
0.010
0.001
Cl
PO4
NO3
SO4
HCO3
Na
NH4
K
Mg
Ca
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 de
Rio Grande (datos en ppm):
Ca = 109, Mg = 24, Na = 117
K = 7, HCO3 = 183, SO4 = 238
Cl = 171
Graficar el el diagrama de
Piper:
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:
Tipos de aguas:
Sulfatada Cálcica
Bicarbonatada Ca-Mg
Clorurada Sódica
Bicarbonatada Na
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 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)
Tipos de aguas y relación con el medio:
Sulfatada Cálcica
(Yeso, Ox.Sulfuros)
Bicarbonatada Ca-Mg
(Rocas Carbonatadas,
Rocas ígneas)
Clorurada Sódica
(Agua Marina, Salmueras Sed.,
Contaminacion por sal)
Bicarbonatada Na
(Intercambio iónico)
Algunos procesos:
Disolución de Yeso-Sulfuros
Aumento en SDT
SDT aumentan
SDT constantes
,,
, ,
, HCO3 “Const”
Intercambio Catiónico
Arci-Na + Ca = Arci-Ca + Na
Mezcla de Aguas
Ejem. de evolución hidrogeoq.:
Disolucion de yeso
2
Mezcla con agua
de mar (intrusión)
4
1
•
•
3
Intercambio Catiónico
Arci-Na + Ca = Arci-Ca + Na
•
•
Agua de recarga joven en un
acuífero carbonatado (1)
Flujo de agua sub. pasa por la
zona de influencia de un relleno
sanitario (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 potable
Elemento
Concentracion maxima (mg/l)
Fe
Cu
Zn
As
Cd
Se
Cr
Pb
Hg
0.3
1.0
5.0
0.05
0.01
0.01
0.05
0.05
0.002
Toxicología de algunos elementos:
Elemento Prom.
Cuerpo
Fe
60 mg/kg
Año
reconocido
Siglo XVII
Cu
1.0
1928
Zn
33
1934
As
Cd
Cr
Se
18
0.7
0.03
---
1977
1977
1959
1957
Función
Efectos/def.
Transporta
O2 en sang.
Cu + Fe,
enzimas
Metabol.
Anemia
desconocido
Anemia, prob.
Huesos, colest.
Prob. de
crecimiento
desconocido
desconocido
desconocido
Insulina
Diabetes
Enzimas, Se
+ metales
Problemas de
Corazón
Localidades en México con problemas:
Elemento
Fe
Cu
Zn
As
Cd
Cr
Se
Localidad
Colima
Sonora
Guanajuato
Zimapán, La
Laguna
Morelia
León, Gto
Irapuato
Conc. en agua
----2.0 ppm
0.5 –2.0 ppm
Origen
0.01
-----
Residuos Ind.
Minas de Fe
Minas de Cu
Minas de Ag-Zn
Minas de Ag (As)
Curtidoras - rocas
Fertilizantes (?)
Controles principales
•
•
•
•
Disolución de fases mayores.
Precipitación de minerales secundarios.
Adsorción-Complejación Superficial.
pH y Eh del medio.
Ejemplo de adsorción de Zn en
>FeOH
Example 8
-3
Zn
MOLALITY
-4
qw_Zn
qs_Zn
-5
-6
-7
-8
-9
5
6
7
pH
8
Diagramas pH-Eh
Agua Subterránea-Evol. Hidrogeoquímica
Flujo regional y Hidrogeoquímica:
Evolución Hidrogeoquímica (mayores):
Evolución Hidrogeoquímica (mayores):
Evolución Hidrogeoquímica (procesos):
1.
2.
3.
4.
Agua Ca-HCO3 fluyen a través de arcillas-Na; Intercambio catiónico.
Evolución natural del agua-sub. HCO3 > SO4; Aumento en SDT.
Mezcla con agua Na-Cl (acuífero profundo): Aumento en SDT.
Descarga de Agua Na-Cl-SO4.
2
1
4
3
Evolución Hidrogeoquímica (menores):
Evolución Hidrogeoquímica (menores):
Isótopos estables
Fraccionamiento Isotópico
Isot. +Ligeros
Isot. Ligeros
Isot. Pesados
Isot. Pesados
Isot. Pesados
Fraccionamiento Isotópico
Rx - Rstd
=
x 1000 00/100
Rstd
Agua oceanica
Aguas costeras
Agua en montañas
0
A.s. Prof.
Nieve an montañas
in artico
-100
-200
A.s. somera
Evaporación
Polo sur
GMWL (LMWL)
 2H=8.2 18O + 11.3
-300
-50
-40
-30
-20
-10
0
Procesos (Distrito Minero de Gto; Carrillo, 2002):
Procesos (Distrito de Riego, Valsequillo
Dominguez-Mariani, 2002):
Isótopos estables:
Isótopo Relación %abundancia
Fases
2H
3He
6Li
11B
13C
15N
18O
34S
37C
81Br
87Sr
H20, CH2O, CH4
He en agua o gas
Aguas salinas
Aguas salinas
CO2, Carbonato, CH
N2, NH4+, NO3-, org.
H2O, CH2O, CO2
Sulfatos, H2S, S-org.
Aguas salinas
Aguas salinas
Carbonatos, sulfatos
2H/1H
3H3/4He
6Li/7Li
11B/10B
13C/12C
15N/15N
18O/16O
34S/32S
37Cl/35Cl
81Br/79Br
87Sr/86Sr
0.015
0.000138
7.5
80.1
1.11
0.366
0.204
4.21
24.23
49.31
9.86-7.0
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
Azinphos-methyl
Bensulide
Cadusafos
Chlorethoxyfos
Chlorpyrifos
Coumaphos
Dianzion
Dichlorvos
Dicrotophos
Dimethoate
Dioxathion
Ethoprop
Ethyl parathion
Fenamiphos
Fenitrothion
Fenthion
Fonofos
Malathion
Methamidophos
Methidathion
Methyl parathion
Mevinphos
Naled
Phorate
Phosalone
Phostebupirim
Pirimiphos methyl
Profenofos
Propetamphos
Sulfotepp
Temephos
Terbufos
Tetrachlorvinphos
Tribufos
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.
2.
3.
Alimentar MINTEQA2 con los datos del agua para una
modelación de Especiación-Saturación (seleccionar
opciones oxidadas para Fe y As).
Analizar el archivo de salida y determinar que especies
son mas posibles de precipitar o lograr equilibrio
(ferrihidrita y calcita).
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.
5.
6.
7.
Analizar la salida (2) del MINTEQA2 y ver cuanta
Ferrihidrita precipitará.
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).
Correr nuevamente MINTQA2 con el modelo de
adsorción definido. Las cantidades de As, Cu y Zn
disminuyen sustancialmente
Finalmente hacer “barridos” de pH (3-10) para predecir
diferentes escenarios de concentraciones en el lago.
Modelado de adsorción con PHREEQCI
TITLE Example 8.--Sorption of zinc on hydrous
iron oxides
SURFACE_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 -2.32
SURFACE 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 0.0
END
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.):
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•
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
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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
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