Lecture4c_Teoria Basica Geoquimica Ambiental
-
Upload
ultrich-carrasco -
Category
Documents
-
view
244 -
download
3
description
Transcript of Lecture4c_Teoria Basica Geoquimica Ambiental
Temario I. Ciclo Hidrogeológico a) Interacción Agua-Roca b) Elementos mayores en el agua c) Elementos menores en el agua II. Fundamentos Químicos y de equilibrio químico a) Unidades b) Balance de cargas b) Constante de equilibrio c) Producto de actividad iónica d) Saturación, índices de saturación e) Isotopos estables (18O, D) f) Modelos hidrogeoquímicos III. Representación de datos a) Diagramas Piper b) Diagramas Stiff c) Otros diagramas
DR. JOCHEN SMUDA
HIDROGEOQUIMICA
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.
DR. JOCHEN SMUDA
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 %)
DR. JOCHEN SMUDA
DIAGRAMA ESQUEMATICO PARA EL CICLO HIDROGEOLÓGICO
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
DR. JOCHEN SMUDA
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.
DR. JOCHEN SMUDA
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
DR. JOCHEN SMUDA
Fuentes de contaminación del agua subterránea y superficial
Drenaje urbano
Relleno sanitario
Lluvia ácida. Recarga de agua subterránea
y superficial
Emisiones atmosféricas.
Compuestos de azufre y
nitrógeno
Plantas municipales de abastecimiento
Pozo Estiércol
Automóviles
Lago
Botes
Migración de contaminantes
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
DR. JOCHEN SMUDA
Composición de los diversos tipos de agua
Constituyente 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
DR. JOCHEN SMUDA
Composición de los diversos tipos de agua
Constituyente o parámetro 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
DR. JOCHEN SMUDA
Composición de los diversos tipos de agua
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
DR. JOCHEN SMUDA
FUNDAMENTOS DE HIDROGEOQUÍMICA
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 solución
ppb = µg de soluto L de solución
DR. JOCHEN SMUDA
CONVERSION DE UNIDADES
Reporte de laboratorio: •mg/l o ppm para iones mayores •y ug/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
DR. JOCHEN SMUDA
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
DR. JOCHEN SMUDA
Evaluar precision y exactitud del analisis
Termodinámica de equilibrio
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; ∆GR = ∑Gp - ∑Gr
si ∆GR>0 la reacción va , si ∆GR<0 la reacción va , si
∆GR = 0, hay equilibrio.
DR. JOCHEN SMUDA
Fundamentos de 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 relacion
entre m (concentración) y a (actividad) esta dada por:
= ai/mi, donde i es cualquier elemento, y
(lambda) es el coeficiente de actividad.
DR. JOCHEN SMUDA
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.
DR. JOCHEN SMUDA
Índice de saturación
IS = 0 saturado (equilibrio) IS < 0 No saturado IS > 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
DR. JOCHEN SMUDA
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
DR. JOCHEN SMUDA
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
2
4
6
8
10
12
1
3
5
7
9
11
- log
con
cent
raci
ón (M
)
H2CO3 HCO3- CO3
2-
OH- H+
Distribución de especies de carbonato en función del pH DR. JOCHEN SMUDA
Especiación
Elemento Especiación Li Li+ Na Na+ Mg Mg2+ ( Mg2+, MgCO3) K K+ Ca Ca2+ ( Ca2+, CaSO4) Al Al3+ [ Al(OH)3(s), Al(OH)2
+, Al(OH)4- ]
Fe Fe3+ [ Fe(OH)3, Fe(OH)2+, Fe(OH)4
- ] As HAsO4
2-
Mn (IV) MnO2
Cr (VI) CrO42-
Particular forma química en la cual un elemento existe en el agua.
Adsorción
SORCIÓN
Adsorción Absorción Precipitación
Cristal Cristal Cristal Solución Solución Solución
O
O O
O O
O O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O O O
O
O O
O
O O
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
H H
H
H
H
H
H
H
H H
H
H
H
H
H
H
DR. JOCHEN SMUDA
Adsorción
SOLUCIÓN ACUOSA
Cristal Cristal
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O
O Fe2+
Si
O
O O
Si
O
O
O
O
O
O
Na+
H
H H
H H H
H H H
H
H H
H
H
H H H
H
H
H
H
H
H H H O
Si
DR. JOCHEN SMUDA
Teoría de la Doble Capa
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O Na+
Na+
Cl - Cl -
Na+ Cl -
Na+
OH-
OH-
OH-
H3O+
Plano de Stern
Mineral
Capa difusa Electrolito libre
Distancia del plano de Stern
Capa de Stern
Superficie del mineral
Capa interna de Helmholtz
Capa externa de Helmholtz
DR. JOCHEN SMUDA
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
DR. JOCHEN SMUDA
Fraccionamiento Isotópico
Isot. Pesados
Isot. Ligeros
Isot. Pesados
Isot. +Ligeros
Isot. Pesados
DR. JOCHEN SMUDA
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 montañas in artico
Polo sur GMWL (LMWL) 2H=8.2 18O + 11.3
A.s. somera A.s. Prof.
DR. JOCHEN SMUDA
Modelos hidrogeoquimicos Cálculos de balance de cargas, I, especiación,
distribucion de especies, indices de saturacion.
Equilibrio de fases, distribución de masa, precipitacion de fases.
Complejación superficial, Adsorción Modelado directo (predicción). Modelado invesro (procesos y balance de
masas). Fraccionamiento isotópico.
DR. JOCHEN SMUDA
June Water Chemistry – Major Ions
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
Con
cent
rati
on (m
eq/L
)
TailingsTributar iesStreamsReservoirEPA 2nd
DR. JOCHEN SMUDA