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ARCILLAS ESMECTÍTICAS DE LA REGIÓN NORPATAGÓNICA ARGENTINA COMO BARRERAS HIDRÁULICAS DE RELLENOS SANITARIOS Y AGENTES DE RETENCIÓN DE
METALES PESADOS
Telma Belén MUSSO1*, Gisela PETTINARI2, María Eugenia PAROLO3 y Luis MESQUÍN4
1ConsejoNacionaldeInvestigacionesCientíficasyTécnicas,InstitutodeInvestigaciónyDesarrolloenInge-niería de Procesos, Biotecnología y Energías Alternativas y Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue. Buenos Aires 1400, Neuquén, Argentina, 8300
2Institutode InvestigaciónyDesarrollo en IngenieríadeProcesos,BiotecnologíayEnergíasAlternativas,Universidad Nacional del Comahue. Buenos Aires 1400, Neuquén, Argentina, 8300
3InstitutodeInvestigaciónenToxicologíaAmbientalyAgrobiotecnología,CITAAC(CONICET-UNCo),Fa-cultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue, Buenos Aires 1400, Neuquén, Argentina, 8300
4 Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue. Buenos Aires 1400, Neuquén, Argentina, 8300* Autor para correspondencia: [email protected]
(Recibido julio 2015; aceptado febrero 2016)
Palabrasclave:conductividadhidráulica,adsorción,lixiviados,residuossólidosurbanos
RESUMEN
Laprincipal preocupación en los rellenos sanitarios es la posiblemigraciónde li-xiviadoyeventualcontaminacióndelaguasubterránea.Estamigraciónsecontrolainterponiendobarrerasconstituidasporcapasdearcillacompactadasqueposeenbajaconductividadhidráulicayaltacapacidadderetencióndecontaminantes.Elobjetivodeesteestudiofueevaluar laconductividadhidráulicay lacapacidadderetencióndemetalespesadosdedosarcillasesmectíticasconelfindedeterminarsusaptitudescomobarrerashidráulicasygeoquímicasderellenossanitarios.Serealizaronensayosdeconductividadhidráulicademezclasarcilla-arenaconaguadestiladayunlixiviadorealderesiduossólidosurbanoscomofluidospermeantes.Adicionalmente,serealizaronensayosdeadsorciónenlotesapartirdesolucionesmonometálicasdeCu(II),Zn(II),Ni(II)yCd(II).Laconductividadhidráulicadeterminadaconlixiviadofueentreunoytresórdenesdemagnitudmayorenrelaciónconelagua,debidoprincipalmentealaelevadasalinidaddedicho lixiviado, loquecontribuyeagenerarunestadomasfloculadodelasarcillasyaladesaparicióndefasesmineralessolubles.Losdatosdeadsorciónde losmetalesestudiadossobre lasarcillasseajustarona la isotermadeLangmuir.Lacapacidaddeadsorcióndelosmetalesanalizadosfueenelorden:Zn(II)>Cu(II)>Ni(II)>Cd(II)paralabentonitaCATAEyZn(II)>Ni(II)>Cu(II)>Cd(II)paralafangolitaNTOL.LacapacidaddeadsorcióndeCu(II)yZn(II)fuesuperioralacapacidaddeintercambiocatiónicodelasarcillas,mientrasqueparaCd(II)yNi(II),lacantidadretenidanosuperaestevalor.Porotrolado,laconductividadhidráulicadelasmezclasarcilla-arenafuemenora1x10-9m/s.Enfuncióndeestosresultados,lasarcillasanalizadasmuestranunaaptitudadecuadaparaserusadascomobarrerashidráulicasygeoquímicasderellenossanitariosdeacuerdoconloestipuladoenlalegislacióninternacionalparabarrerasarcillosas.
Keywords:hydraulicconductivity,adsorption,leachates,urbansolidwaste
Rev.Int.Contam.Ambie.33(1)141-152,2017DOI:10.20937/RICA.2017.33.01.13
T. Belén Musso et al.142
ABSTRACT
Groundwatercontaminationthroughleachatesmigrationinlandfillsisoneofthemainconcerns in this kind of disposal sites. To control this migration, compacted clay liners of low hydraulic conductivity and high retention capacity are widely used to isolate urbanwasteleachate.Theaimofthisworkwastoevaluatethehydraulicconductivityand heavy metal adsorption capacity of two smectitic clays to determine their hydraulic andgeochemicalpropertiestobeusedasclaybarriersinlandfills.Hydraulicconductiv-itytestsofsand-claymixturespermeatedwithdistilledwaterandarealleachatewereperformed.AdsorptionofCu(II),Zn(II),Ni(II)andCd(II)frommonometalsolutionsonclayfractionswasevaluatedthroughbatchadsorptiontests.Hydraulicconductivityofthe specimens permeated with a real leachate was of 1 to 3 orders of magnitude higher thantheonespermeatedwithwater.Thiscouldbeattributedtothehighlysalinityoftheleachatewhichcontributedtoamoreflocculatedstateoftheclaysandthedissolutionofsolublemineralphases.TheheavymetaladsorptiondatawerefittedwithLangmuirmodel.Theadsorptioncapacitiesoftheanalyzedmetalswereinthefollowingorder:Zn(II)>Cu(II)>Ni(II)>Cd(II)forCATAEbentoniteandZn(II)>Ni(II)>Cu(II)>Cd(II)forNTOLmudstone.TheadsorptioncapacityofCu(II)andZn(II)washigherthanthecationexchangecapacity(CEC)oftheanalyzedclays,whereasforCd(II)andNi(II),theretainedquantityislowerthantheCEC.Ontheotherhand,thehydraulicconductivityof the sand-claymixtureswas lower than1x10-9 m/s. These results indicatethesuitabilityofthetestedclaystobeusedashydraulicandgeochemicalbar-riersinlandfillsaccordingtotheinternationallegislationrequirementsforclayliners.
INTRODUCCIÓN
Los materiales arcillosos son ampliamente uti-lizadoscomocomponentesdebarrerashidráulicasparaaislarresiduosderellenossanitariosconelfindeprevenirlacontaminacióndelaguasubterráneaydelsuelo.Paraestefin,dichosmaterialesdebencumplir con una serie de propiedades tanto desde unpuntodevistahidromecánicocomogeoquímico:baja conductividad hidráulica (< 1× 10–7 cm/s),capacidad de hinchamiento en medios acuosos y capacidadderetenercontaminantes(USEPA1992,EuropeanCommission1999).Duranteaños,laco-munidadcientíficahareconocidoelhechodequelasarcillasesmectíticassonlasquemejorexhibenestaspropiedadesdebidoasuestructuralaminarconcarganegativa permanente, lo que les confiere elevadasuperficieespecíficayaltacapacidaddeintercambiocatiónico(CIC)(Churchmanetal.2006).
Laconductividadhidráulicadelasbarrerasarci-llosaspuedesufrircambioscuandoloslixiviadosderesiduossólidosurbanos(RSU)interactúanconlasarcillasquelascomponen.Sinembargo,lanaturalezadeestainteracciónquímicaesdifícildecontrolaryaquedependedenumerosasvariablesdellixiviadoydelaarcilladelabarrera,talescomocomposiciónquímica,tiposyconcentracióndecationes(AldaeefyRayhani2014).Algunosautoresconcluyenquelaconductividadhidráulica de las barreras arcillosas
aumentacuandoestánencontactoconloslixiviadosdebidoalamayorfuerzaiónicadeéstos o una ma-yorproporcióndecationesdivalentespresentesenelaguadelosporos,quereemplazanaloscationesmonovalentesyquecontribuyenadisminuirelhin-chamientoosmóticoenlaintercapadelamontmori-llonita(PetrovyRowe1997,Joetal.2001,Kolstadetal.2004).Otrosautoreshandemostradounadis-minuciónenlaconductividadhidráulicadesuelosarcillososcuandosonexpuestosalixiviadosdeRSU,debidoalaobstruccióndelosporosporcrecimientobacterial,expansióndeladoblecapaiónicasobrelasuperficiedelmineral,adsorcióndeNa+ycambiosen el arreglo de las partículas del suelo por efecto delaelevadafuerzaiónica(Griffinetal.1976,Das2002).Estadiscrepanciaenlosresultadospuedeseratribuidaaladificultadexperimentalensimularlascondicionesrealesa lascualesestánexpuestas lasbarrerasarcillosasenlosrellenossanitarios.
La atenuación de contaminantes en barrerasarcillosasconstituidaspormezclasarcilla-arenaseproduceprincipalmentedebidoaprocesosdeadsor-ción(Ruizetal.2012).Enelinteriordelosrellenossanitariosprevalecencondicionesdesaturación.Laadsorcióndemuchoscompuestosquímicospresen-tesenellixiviadoesesencialmenteunareaccióndeintercambiocatiónicoconlasarcillas.Losmetalespesados tales comoCu(II),Zn(II),Ni(II) yCd(II)constituyen la principal fuente de contaminación
ARCILLAS ESMECTÍTICAS COMO BARRERAS HIDRÁULICAS Y AGENTES DE RETENCIÓN DE METALES 143
deestoslíquidos(Christensenetal.2001,Kylefors2003).Todosellossontóxicosenconcentracioneselevadas y una forma de evitar introducirlos al am-biente,cuandoserealizaladisposiciónfinaldeRSU,es a través del usode barreras arcillosas conunaelevadacapacidadderetención.Existennumerososestudiossobrelacapacidadderetencióndemetalespesadosdearcillasesmectíticasnaturales(Abollinoetal.2003,Ayariaetal.2005,Ijagbemietal.2009,Sdiri et al.2011,entreotros).Enparticular, sehaobservadoquelasesmectitaspatagónicasposeenunaelevadacapacidaddeadsorcióndeCu(II)yZn(II)enmediosacuosos(Mussoetal.2014).
Aunque todas las investigaciones mencionadas constituyenimportantesaportessobreelcomporta-mientohidráulicoylacapacidadderetencióndeme-tales pesados por parte de las arcillas, estos sistemas nohan sido suficientemente estudiados utilizandolixiviadosrealesdeRSU.Esmuyimportanteanalizarelcomportamientohidráulicodebarrerasconstituidaspormezclasdearcilla-arenaenpresenciadelíquidoscontaminantesconelevadafuerzaiónica,comosonloslixiviados,yaquelainformaciónobtenidapermi-tiríaelaborarundiseñodebarreraquetomeencuentaesta incidencia para que la misma cumpla con los requisitoshidráulicosygeoquímicosestipuladosporlalegislacióninternacional(USEPA1992,EuropeanCommission1999).
En la cuenca Neuquina, Norpatagonia Argenti-na, existennumerosos afloramientosde arcilitasyfangolitas esmectíticas que podrían ser utilizadascomobarrerasarcillosas.Elobjetivodeesteestudiofueanalizarunabentonitasódicacomercialde laF.Allen(CATAE)yunafangolitacalcáreadelaF.Roca(NTOL)paradeterminarsusaptitudescomobarrerashidráulicasdelixiviadosdeRSUycomoagentesderetencióndemetalespesadoscomúnmenteencontradosendichos líquidos.Lascondicionesexperimentalesfueronestablecidasmuycercanasalfuncionamientorealdeunabarrerahidráulicaderellenossanitarios.Adicionalmente,seestablecieronlasrelacionesentrelaspropiedadesmicroscópicas(mineralogía,composi-ciónquímica)ymacroscópicas(hinchamiento,conduc-tividadhidráulicaycapacidaddeadsorcióndemetalespesados)delasarcillasysurelaciónconsusaptitudescomoconstituyentesdebarrerashidraúlicasdeRSU.
MATERIALES Y MÉTODOS
MaterialesLas arcillas estudiadas corresponden a una
bentonita sódicanatural, denominadaCATAEy a
unafangolitacalcárea,denominadaNTOL,ambasaflorantesenelsectorestedelacuencasedimentariaNeuquina, Norpatagonia Argentina. Estos materiales fueronpreviamentecaracterizadosdesdeunpuntodevistafísico,químicoymineralógico(Mussoetal.2010,Mussoetal.2013).Enelcuadro I se presentan susprincipales propiedadesmineralógicas,fisicas,químicas y geotécnicas.
Paralosensayosdeconductividadhidráulica,lasarcillasfueronmezcladasconunaarenadetamañodegranomedioycuarzosa(SP,SUCS,ASTMD2487-11,2011),queseutilizócomoagenteestructurante.Losporcentajesdearcillautilizadosenlasmezclasvarían,segúnsetratedeCATAEoNTOL,yaquese seleccionaron de acuerdo con el porcentaje de minerales arcillosos esmectíticos presentes en cada
CUADRO I. PRINCIPALESPROPIEDADESMINERALÓGI-CAS, FISICAS, QUÍMICAS Y GEOTÉCNICAS DELASARCILLASESMECTÍTICAS(MUSSOetal.2010YMUSSOetal.2013)
Propiedades Bentonita Fangolita
Gravedadespecífica 2.7 2.64
Humedadnatural(%) 11.3 5.5
Límitelíquido(%) 340 117
pH 7.04 8.97
Granulometría
Arcilla(%) 90 30Limo(%) 8 69Arena(%) 2 <1
Mineralogía(%)
Esmectita 90 -Illita - 10I/S - 70
%SMenI/S - 75Cuarzo 2±0.5 7±1Yeso 1.5-2 -Ceolita 3 - 4 ~ 2
Contenidodecarbonatos(%) <1 10
CIC*(meq/100g) 104.6 69.6
Cationesintercambiables(meq/100g)
Na+ 76.4 22.6Ca2+ 12.4 53.6K+ 0.3 1.9
Mg2+ 10.9 22.0Superficieespecíficatotal(m2/g) 754.4 642.8
*CapacidaddeintercambiocatiónicoSM=esmectita,I/S=interestratificadoillita/esmectita
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material.Deestaforma,para labentonitaCATAEseensayaronmezclascon9%,12%y15%deestematerial, mientras que para NTOL los porcentajes utilizadosfueron15%,20%y30%.Laseleccióndelosporcentajestambiénserealizótomandocomoreferencia resultados previos de conductividad hi-dráulicademezclasbentonitaCATAE-arenapermea-daconunasolucióndeelevadafuerzaiónica(CaCl2 1000 mol/m3),dondeseobservóquealutilizar12%deestaarcillasecumpleconlosrequisitoshidráuli-cosinternacionales(Mussoetal.2016).Deacuerdoconesto,seensayaronmezclasconporcentajespordebajoyporencimadeestevalor.
LasmezclassepermearonconaguadestiladayconunlixiviadorealdeRSU.Laspropiedadesdeestosfluidossedetallanenelcuadro II.ElpHdellixiviadoindicaría que se encuentra en la fase metanogénica.
Losestudiosdeadsorciónserealizaronsobrelafracción<2µmdecadamaterial.Todoslosreactivosutilizadosparalapreparacióndesolucionesdelosmetalesestudiadosfuerondepurezasuperiora98%[Cu(NO3)2.3H2O,Zn(NO3)2.6H2O,Ni(NO3)2.6H2O, yCd(NO3)2.4H2O]. Se utilizaron soluciones deNaOHoHClde0.1o 0.01Mpara ajustar el pHmientrasqueelcontroldelafuerzaiónicaserealizóconunasolucióndeNaCl0.08M.
Conductividad hidráulicaLosensayosdeconductividadhidráulicasereali-
zaronacargavariable(ASTMD5856-952007)con
permeámetrosdeparedrígidade10cmdealtoy4.3cmdediámetro.LasmuestrasfueroncompactadasenlasceldasauncontenidodehumedadóptimayunadensidaddecompactacióncorrespondientesalpuntomáximodelacurvaProctor(ASTMD698-072007;Cuadro III).Todaslasmedicionesdeconductividadhidráulicasellevaronacaboporduplicado.Losensa-yossedieronporfinalizadoscuandosecumplióconalmenosunadelassiguientescondiciones(ASTMD5856-952007,Rosin-PaumieryTouze-Foltz2012):1)unaconductividadhidráulicaestable,2)larela-ciónefluente/influentefueentre0.75y1.25,y/o3)unmínimodedosvolúmenesdeporossefiltródelasprobetas.Eltiempodemediciónvarióentre1y17mesesparalamuestramásymenospermeable,respectivamente.Serealizóunseguimientodelaevo-lucióndelaconductividadhidráulicaconeltiempohastaalcanzarvaloresestablesdelamisma.
Índice de hinchamientoEl índice de hinchamiento de las arcillas se de-
terminó siguiendo el procedimiento publicado enla normaASTMD5890-11(2011).SeutilizóaguadestiladayunlixiviadorealdeRSUcomolíquidoshidratantes.
Difracción de rayos XSerealizóladifracciónderayosXdelasarcillas
antesydespuésdeserpermeadasconunlixiviadorealdeRSUconelfindeobservarcambiosenlasfases cristalinas presentes como resultado de la inte-racciónquímicaentreéstasyellixiviado.Luegodefinalizadoslosensayosdeconductividadhidráulica,las probetas fueron desarmadas y se recuperó laarcillautilizandountamizmalla200.Laarcillafuesecadaaunatemperaturade50ºC y posteriormente montada en un portamuestras de alumnio de carga vertical.Elequipoutilizadoparaesteanálisisfueun
CUADRO II.CARACTERÍSTICAS DE LOS FLUIDOSUTILIZADOS PARA LOS ENSAYOS DECONDUCTIVIDADHIDRÁULICA
Agua LixiviadorealRSU
pH 5.5 8.94SDT(mg/L) <10 15590CE(µS/cm) 6.3 33800Viscosidada20ºC(cP) 1.0 1.40Densidada20ºC(g/cm3) 1.0 1.04Cu2+ (mg/L) - 9.51Zn2+(mg/L) - 6.01Ni2+(mg/L) - 25.1Cd2+(mg/L) - 0.36Na+ (mg/L) 1.5 645-29200*Ca2+ (mg/L) - 42-2880*K+ (mg/L) - 70-2786*Mg2+ (mg/L) - 59-3860*
RSU=residuossólidosurbanos,SDT=sólidosdisueltostotales, CE = conductividad eléctrica*datostomadosdeFranciscayGlatstein(2010)
CUADRO III. CONDICIONESDECOMPACTACIÓNDELASMEZCLASARCILLA-ARENAPARAELARMADODELASCELDASDECON-DUCTIVIDADHIDRÁULICA
Arcilla Contenido dearcilla(%)
Humedadóptima(%)
Densidadaparentemáxima(g/cm3)
Bentonita 9 11.50 1.8012 12.00 1.84
15 13.00 1.85
Fangolita 15 11.50 1.8720 11.00 1.87
30 11.50 1.87
ARCILLAS ESMECTÍTICAS COMO BARRERAS HIDRÁULICAS Y AGENTES DE RETENCIÓN DE METALES 145
difractómetroderayosXmarcaRigakumodeloD-MaxIIC,conradiaciónCu(Kα=1.5405Å).
Ensayos de adsorción en lotesElobjetivode estos ensayos fuedeterminar la
capacidaddeadsorciónmáximadeCu(II),Zn(II),Ni(II)yCd(II)porpartedelasarcillasestudiadas.Paraello,semezclaron0.031gdearcillacon25mLdesoluciónmonometalconvariasconcentracionesdelosmetalesestudiados(10-220mg/LparaelCu(II),1-210mg/LparaelZn(II),3-150mg/LparaNi(II)y1-50mg/LparaCd(II);El-Bayaaetal.2009).Lasmenores concentraciones de estas soluciones fueron similaresalasconcentracionespromediodeCu(II),Zn(II),Ni(II)yCd(II)encontradasenlixiviadosrea-lesdeRSUdeArgentina(FranciscayGlatstein2010).Las soluciones fueronpreparadas utilizandoNaCl(0.08M)comoelectrolitoyelpHdecadaunaseajustóa5.5utilizandounpHmetroAltronixEZDO-PC.Lasmezclassecolocaronenunagitadorrotativodurante24ha25ºC, posteriormente se centrifugaron a3600rpmpor20minyelsobrenadantefuefiltra-doconacetatodecelulosade0.45µm(Scharlab).La concentración delmetal en equlibrio (Ce) sedeterminóporespectrometríadeabsorciónatómica(espectrofotómetroPerkinElmerAA200) (Bezzaretal.2010).
La concentración demetal adsorbido (qe) secalculópordiferenciaentrelaconcentracióninicial(Ci)yCe (mg/L),conlasiguientefórmula(El-Bayaaetal.2009):
qe (mg/g) = (Ci – Ce) * 0.025
0.031
Todos los ensayos se realizaronporduplicado.Losresultadosexperimentalesfueronajustadosme-diantelaisotermadeLangmuir(Bohnetal.1979).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Conductividad hidráulica de mezclas arcilla-arena permeadas con diferentes fluidos
La conductividad hidráulica, k (m/s), está es-trechamente relacionada con las propiedades de lossuelosylosfluidospermeantes.Porsuparte,lapermeabilidad intrínsecaK(m2), es independientedeestasvariablesyseasumecomounapropiedaddel medio poroso. Es decir, si un líquido altera la permeabilidadintrínsecadeunsuelo,significaquelareddeporosdelmismosevioafectada(FernandezyQuigley1988).Enlasarcillasesmectíticasestaaltera-ciónestácausadaporelmayoromenorhinchamientoprovocadoporlahidratación(MontoroyFrancisca2010).Los valores de conductividadhidráulica ypermeabilidadintrínsecadelasmezclasarcilla-arenaensayadas se muestran en el cuadro IV.
Laconductividadhidráulicademezclasarcilla-arenaenfuncióndelcontenidodearcillaenlamezclase muestra en la figura 1a y b. Los valores repre-sentados corresponden a la media geométrica de los duplicados.Paraambosmateriales,laconductividadhidráulicadisminuyeamedidaqueelporcentajedearcillaaumenta,loqueesesperadodebidoaquelahidratacióndeuncontenidocrecientedeesmectitaenlamezclaproduceexpansiónyrellenalosporosqueconducenelflujoenlaarena(Kenneyetal.1992,Abi-chouetal.2002).Enamboscasos,laconductividad
CUADRO IV.CONDUCTIVIDADHIDRÁULICAYPERMEABILIDADINTRÍNSECADEMEZCLASARCILLA-ARENAPERMEADASCONAGUAYUNLIXIVIADOREALDERESIDUOSSÓLIDOSURBANOS
Arcilla Líquido Arcilla (%)
Conductividadhidráulica(m/s) Permeabilidadintrínseca(m2)
Valormínimo Valormáximo Valormínimo Valormáximo
Bentonita Agua 9 8.39E-11 1.21E-10 1.24E-11 1.79E-1112 2.10E-11 2.40E-11 3.11E-12 3.56E-1215 1.84E-11 2.36E-11 2.73E-12 3.50E-12
Lixiviado 9 1.05E-07 1.88E-07 1.56E-08 2.79E-0812 4.27E-10 7.10E-10 6.34E-11 1.05E-10
15 5.39E-11 1.08E-10 8.00E-12 1.59E-11
Fangolita Agua 15 1.02E-09 9.07E-08 1.51E-10 1.34E-0820 7.08E-10 1.48E-09 1.05E-10 2.19E-1030 5.80E-12 1.50E-11 8.61E-13 2.22E-12
Lixiviado 15 2.86E-07 3.62E-06 4.24E-08 5.37E-0720 3.01E-07 5.33E-07 4.46E-08 7.90E-08
30 4.80E-11 1.40E-10 7.12E-12 2.07E-11
T. Belén Musso et al.146
hidráulicadelasmezclaspermeadasconlixiviadoesmayor que la del agua, lo que evidencia una correla-ciónnegativaconelíndicedehinchamientodeestosfluidos.Seobservaqueparacumplirconelrequisitolegalinternacional(k<1× 10–9m/s),elporcentajedearcillaqueseutilizaenensayosconaguadestiladadebeaumentarsecuandoelfluidoesunlixiviadorealdeRSUyaquelaconductividadhidráulicaesentreuno y tres órdenes de magnitud mayor, dependiendo delporcentajedearcillaenlamezcla.Elincrementodelaconductividadhidráulicahasidocomúnmenteasociado con las propiedades del agua de los poros quecontribuyenadisminuirelhinchamientoosmóti-coenlaintercapadelasesmectitas(Shackelfordetal.2000,Joetal.2001,2004,Kolstadetal.2004).Loslíquidosquesuprimenelhinchamientoosmóticosecaracterizanporposeermayorfuerzaiónicaomayor
concentracióndecationesdivalentes(Norrish1954,NorrishyQuirk1954,PetrovyRowe1997,Joetal.2001,Kolstadetal.2004).El reemplazode ionesNa+ de la intercapa de las esmectitas, por cationes demayorcargay/oelincrementodelafuerzaiónicadisminuyenelespesordeladoblecapadifusa,loquepromuevelafloculacióndelaspartículasyaumentaelespaciodisponibleparaelflujo(Schmitz2006).Deacuerdoconloexpuesto,enestetrabajolaele-vada concentración iónica del lixiviado utilizado(Cuadro II) sería la responsable de producir unamayorfloculaciónde laspartículasdeesmectitayconsecuentemente el menor hinchamiento y mayor conductividadhidráulicaencomparciónconelagua.Asimismo,elcontactodelaarcillaconellixiviadoprodujoladesaparicióndefasesmineralessolublescomo el yeso, lo que también podría contribuir a
Lixiviado real de RSUAgua
5 8 11
36
10
Límite de la legislaciónÍndice de hinchamiento (mL/2g)
Con
duct
ivid
ad h
idrá
ulic
a (m
/s)
Rango aceptable
% Arcilla14 17
1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
1.E-11
1.E-12
a)
Lixiviado real de RSUAgua
5 15 20 25
9
7
Límite de la legislación
Índice de hinchamiento (mL/2g)
Con
duct
ivid
ad h
idrá
ulic
a (m
/s)
Rango aceptable
% Arcilla30 35
1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
1.E-11
1.E-12
a)
Fig. 1. Conductividadhidráulicavs.contenidodearcillademezclasarcilla-arena.(a)bentonita,(b)fangolita.RSU=residuossólidosurbanos
ARCILLAS ESMECTÍTICAS COMO BARRERAS HIDRÁULICAS Y AGENTES DE RETENCIÓN DE METALES 147
dicho aumento. Otros autores han encontrado que lixiviadosmuyácidosomuybásicostambiénpue-denalterarlaconductividadhidráulicaatravésdeladisolucióndefasesmineralesdelaarcilla(Joetal.2001).Bajoestascondicionesyteniendoencuentaquelosvaloresdeconductividadobtenidosenella-boratoriodeberíanserunordendemagnitudmenorallímiteestipuladoporlalegislacióninternacional(USEPA1992, EuropeanCommission, 1999), elporcentajedebentonitaCATAEmínimoquedeberíautilizarseenunamezclaconestetipodearenaesde15%,mientrasqueparalafangolitaNTOLasciendea30%.Estadiferenciadeporcentajes respondealascaracterísticasdetexturaymineralógicasdelosmateriales arcillosos. La fangolita NTOL posee un hinchamientomuchomenorquelabentonitaCATAEdebidoalapresenciadecalcitaensucomposición
mineralógica, por loque enmezclas con arena senecesita un mayor porcentaje de este material inde-pendientementedelfluidopermeante.
Otraobservaciónimportantequesurgedeanali-zarestosdatosesquelosvaloresdeconductividadhidráulicamedidos con losdosfluidos se acercancuando el porcentaje de arcilla aumenta, lo que indica quelaspropiedadeshidráulicasdelasmezclasestánprincipalmente controladas por la cantidad de arcilla yenmenormedida,porlacomposiciónquímicadelfluido (ChalermyanontyArrykul2005,Bensonetal.2014).
A modo de ejemplo, en la figura 2 se muestra la evolucióneneltiempodelaconductividadhidráu-licademezclasquecontienenlosporcentajesmáselevadosdearcillaensayados (15%paraCATAEy30%paraNTOL),yaquefueronlaspruebasde
Lixiviado real de RSUAgua
0 100 200 300
Con
duct
ivid
ad h
idrá
ulic
a (m
/s)
Tiempo (días)400 500
1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
1.E-09
1.E-10
1.E-11
1.E-12
a)
Lixiviado real de RSUAgua
0 100 200 300
Con
duct
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Tiempo (días)400 500
1.E-05
1.E-06
1.E-07
1.E-08
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1.E-10
1.E-11
1.E-12
b)
Fig. 2. Variacióndelaconductividadhidráulicaconeltiempo.a)Mezclacon15%debentonita,b)Mezclacon30%defangolita.RSU=residuossólidosurbanos
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mayor duración. Para ambasmuestras se puedeobservarquelaconductividadhidráulicamedidaenaguadisminuyógradualmentealolargodetodoelperiodoensayadohastaalcanzarunvalorconstantequecorresponderíaaunestadodesaturacióntotaldelosporos.Enelcasodellixiviado,laconductividadhidráulicadisminuyó en los primerosmeses, peroluegoaumentógradualmentehastaalcanzarunvalorfinaldeaproximadamenteunordendemagnitudma-yor respecto al agua. Este incremento está vinculado acambiosenlainterfasefluido-partícula,provocadosporlacomposicióndellixiviado,queconduciríaaunamodificacióndelequilibrioquímicocomoresul-tadodelintercambiodecationesentrelasoluciónylaarcilla(Bensonetal.2010,MontoroyFrancisca2010).UnnuevoequilibrioquímicoentrelabentonitaCATAEylafangolitaNTOL,conelfluidoqueocupalosporos,sealcanzóluegodevariosmesesdebidoaquelapresenciademúltiplesionesenellixiviadoconduce a una mayor competencia entre ellos por lossitiosactivosdelaarcilla.Razónporlacuallasmuestras permeadas con con este líquido tardaron mástiempoenalcanzarunvalorfinaldeconductivi-dadhidráulicaestableconrespectoalagua(Fig. 2).
Lasmezclascon15%deCATAEfueronpermea-dasconaguaduranteunañoyconlixiviadoduranteunañoytresmeses(Fig. 2a).Mientrasquepara30% deNTOLestetiempoascendióaunañoydosmesesparaaguayunañoymedioparalixiviado(Fig. 2b). El mayor tiempo de ensayo de NTOL respecto a CATAE,paralosdosfluidosanalizados,seatribuyeaunmayorcontenidodearcillautilizadopara lasmezclasconestaarcilla.
La figura 3ilustracómoelhinchamientoasociadoconlahidratacióndelasarcillasesmectíticasafectala estructura de los poros de lasmezclas.Ambosespecímenesfueronpermeadosconunlixiviadorealde RSU y los dos poseen una apariencia homogénea ymonolítica, conpocos poros visibles, lo que dacomo resultado una baja conductividad hidráulica(~8× 10–10m/s).
Análisis mineralógico de las arcillas luego de estar en contacto con lixiviado de RSU
ElanálisismineralógicodelasarcillasluegodeserpermeadasconellixiviadorealdeRSUsepresentaen la figura 4. En los difractogramas correspondientes a labentonitaCATAEseobservan reflexionesquemantienen sus espaciados y su morfología, siendo la modificaciónmásimportanteladesaparicióndelyeso(Fig. 4a).TeniendoencuentaelpHdellixiviadoylaaltaconcentracióndeNa+ en el mismo, podemos decir que la ausencia de yeso en las arcillas permeadas con el
lixiviadopuedeserdebidaalaformacióndeespeciessolublesenlascondicionesdealtafuerzaiónicaypH.
En el difractograma correspondiente a la muestra NTOL(Fig.4b)seobservaundesplazamientodelareflexiónd001del interestratificado I/S,de15Åa11.5Å,conunanotableasimetríahacialosángulosbajos, lo cual indicaríaundesplazamientodel ionCa2+ por el ion Na+ en el espacio de intercapa de la esmectitayunadistribuciónensuestructuraproba-blementedesordenada.EstopuedeseratribuidoalaaltaconcentracióndeNa+enellixiviado,siendoelcatiónque predomina (Cuadro II).Otros autorestambiénhanobservadoun aumento en la propor-cióndeestecatiónensuelosarcillososluegodeserpermeadosconlixiviado(AldaeefyRayhani2014).Asimismo,enlixiviadosconunelevadocontenidode Na+elintercambiodeesteporionesCa2+ en la estructuradelaarcillatambiénhasidodocumentadoporRuizetal.(2012),quienesestipulanquedebidoaestefenómenoelimpactodellixiviadoenlabarreraesmenosimportanteenelcasodeutilizaresmectitassódicasencomparaciónconesmectitascálcicas.
Capacidad de retención de metales pesados por las arcillas estudiadas
En la figura 5 y el cuadro V se presentan las isotermasdeadsorciónylosparámetrosdeajustealmodelo de Langmuir, respectivamente. Las isoter-masdeadsorciónsondetipoL,caracterizadasporuna pendiente inicial que disminuye al aumentar la concentracióndelmetal(Ce).Estetipodeisotermaindicaunaafinidadrelativamentealtadelosmetalesestudiadospor lasarcillasaconcentracionesbajas(Sposito1989).
a) b)
Fig. 3. Aspectodelasmezclasarcilla-arenacompactadas,per-meadasconunlixiviadorealderesiduossólidosurbanos:a)15%debentonita,b)30%defangolita
ARCILLAS ESMECTÍTICAS COMO BARRERAS HIDRÁULICAS Y AGENTES DE RETENCIÓN DE METALES 149
Inte
nsid
ad
4 10
Sm
Sm
Sm
Cz
Cz
Cz
Cz
Fd
Fd
Sm
Y
Y
Sm
a)
Sm
20 302 Theta (grados)
40 50 60
Inte
nsid
ad
4 10
I/S I/SI I
C
CCzCz Cz
CC C C
Ma Cz
Cz
FdFd
b)
20 302 Theta (grados)
40 50 60
Fig. 4. Patronesdedifracciónde rayosXde lasarcillasantes (abajo)ydespués (arriba)deserpermeadasconun lixiviadorealderesiduossólidosurbanos:a)bentonita,b) fangolita. Sm= esmectita, I/S = interestratificado illita/esmectita, I = illita, Cz=cuarzo,Fd=feldespato,Y=yeso,C=calcita,Ma=mineralesarcillosos
LosdatosexperimentalesseajustanmuybienalaIsoterma de Langmuir, principalmente para la arcilla CATAEdondeseobtuvieronvaloresdeR2 > 0.80. En primerlugar,seobservaqueparalabentonitaCATAE,lamáxima capacidadde adsorciónde losmetalesanalizadosfueenelorden:Zn(II)>Cu(II)>Ni(II)>Cd(II),mientrasqueparalafangolitaNTOLesteordensemodificalevemente,siendo:Zn(II)>Ni(II)>Cu(II)>Cd(II).EnelpHanalizado(5.5)elprocesodeadsorciónquepredominaparaZn(II),Ni(II)yCd(II)eselintercambioiónico(BaeyensyBradbury,1997,Seoetal.2008,Zazzietal.2012).Encontraste, laretencióndeCu(II)esmenosdependientedeestetipo
deadsorciónymásdependientedeinteraccionesco-valentesconlaestructuradelmineral(McBride1994).
Laconcentracióndemetales retenidossobre lasuperficiedelmineralaumentaamedidaquesein-crementalaconcentracióninicialdeestoscationesensoluciónacuosa.ParaZn(II)yCu(II)sealcanzanconcentraciones retenidas que superan la CIC del mineral.EnelcasodeNi(II)yCd(II),ambasarcillasposeenunacapacidaddeadsorciónmuysimilar.LasdosadsorbieroncantidadespordebajodesusCICentodoelrangodeconcentracionesanalizado.
Tomando en cuenta las concentraciones típicas de estosmetalesenellixiviadorealutilizado(10mg/L
T. Belén Musso et al.150
Fig. 5. IsotermasdeadsorcióndeCu(II),Zn(II),Ni(II)yCd(II)sobre:a)bentonitayb)fangolitaapH5.5.LaslíneassólidascorrespondenalasisotermasdeLangmuir
(a)
(b)
60CuZnNiCd
50
40
30
20
10
00 20 40 60 80 100 120
Concentración en equilibrio, Ce (mg/L)
Con
cent
raci
ón a
bsor
bida
, qe (
mg/
g)
140 160 180 200 220
60CuZnNiCd
50
40
30
20
10
00 20 40 60 80 100 120
Concentración en equilibrio, Ce (mg/L)
Con
cent
raci
ón a
bsor
bida
, qe (
mg/
g)
140 160 180 200 220
deCu(II)oZn(II),25mg/LdeNi(II)y1mg/LdeCd(II)),conlosdatosdelasisotermassecalcularonlos porcentajes retenidos a partir de estas concen-traciones,sobre0.031gdearcilla.SeobservóqueCATAEretuvo50%deCu(II),33%deZn(II),16%deNi(II)y10%deCd(II),mientrasqueNTOLretuvo88%deCu(II),48%deZn(II),38%deNi(II)y45%deCd(II).ElmayorporcentajeretenidoporNTOLabajasconcentracionesestá relacionadoalmayorcoeficientedeadsorciónqueposeeestaarcilla(Cuadro V),loqueevidenciaunaaltaafinidadporlasuperficiedelmineral.Enelcasodeestematerial,en la fracciónmenoradosmicrones seencuentratambién illita por lo que la presencia de esta fasepodría contribuir a lamayor cantidad retenida endichas concentraciones.
EstosresultadosconfirmanquelacapacidaddeadsorcióndelasarcillasestudiadaspodríacontribuirexitosamentealretardodeladistribucióndeZn(II),Cu(II),Ni(II)yCd(II)enelambientemedianteelusodebarrerasaislantesconstruidascondichasarcillas.
CONCLUSIONES
Elestudiodelcomportamientohidráulicodemez-clas arcilla-arena con variaciones en el porcentaje de arcillafrenteaunlixiviadorealdeRSU,arrojó como resultadoque,con15%debentonitaCATAEy30%defangolitaNTOL,sealcanzanvaloresdeconducti-vidadhidráulicadentrodelosrangosestipuladosporlalegislacióninternacional(<1× 10–9m/s).
Enrelaciónconelagua,ellixiviadodeRSUpro-vocóunaumentodelaconductividadhidráulicadeentre uno y tres órdenesdemagnitud,dependiendodelporcentajedearcillautilizadoenlamezcla.Amayorporcentajedearcilla,elefectodellixiviadofuemenor.
LosdatosdeadsorciónajustanbienalaisotermadeLangmuir.Lamáximacapacidaddeadsorcióndelosmetalesanalizadosfueenelorden:Zn(II)>Cu(II)>Ni(II)>Cd(II)paralabentonitaCATAEyZn(II)>Ni(II)>Cu(II)>Cd(II)paralafangolitaNTOL.
Los valores de adsorción y la conductividadhidráulica de la bentonita sódica comercial y lafangolitacalcáreaenmezclasconarena,utilizandoporcentajesadecuadosasuscaracterísticasmineraló-gicas,muestranunaaptitudmuybuenacomobarrerashidráulicasygeoquímicas.
La presencia de calcita e illita posee una impor-tanteinfluenciaenelcomportamientohidráulicoydeadsorcióndelafangolitaNTOL,porloquedeberíaser un factor a tomar en cuenta en sedimentitas que seutilicenparaestefin.
CUADRO V.PARÁMETROSDEADSORCIÓNDELANG-MUIR
Arcilla Metalespesados
KL(L/mg)
Cs(mg/g)
R2
Bentonita Cu2+ 0.01 56.89 0.96Zn2+ 0.01 103.83 0.98Ni2+ 0.02 11.22 0.96Cd2+ 0.05 2.40 0.80
Fangolita Cu2+ 1.42 8.16 0.81Zn2+ 0.01 49.59 0.94Ni2+ 0.36 15.92 0.70Cd2+ 0.45 2.78 0.65
KL=coeficientedeadsorcióndelangmuir,CS = capacidad de adsorciónmáxima
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AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Secretaría de Inves-tigacióndelaUniversidadNacionaldelComahue,Argentina(proyecto04/I107)yalaAgenciaNacionaldePromociónCientífica yTecnológicaArgentina(PICT2011-1403)porproveerlosfondosparallevaracaboestainvestigación.
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