COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS Hernández Martínez y Domínguez Sánchez COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS EN DISTINTOS TIPOS DE LECHOS POROSOS Hernández Martínez Edgar Antonio, Domínguez Sánchez Lucía Academia de Residuos Peligrosos. Departamento de Ingeniería en Sistemas Ambientales. Escuela Nacional de Ciencias Biológicas. Instituto Politécnico Nacional. Av. Wilfrido Massieu S/N, Unidad Profesional Adolfo López Mateos. CP 07738 México, D.F. Tel. 57296000 ext 52328.* RESUMEN En este trabajo se determinó que la velocidad de infiltración es mayor cuando la muestra de suelo tiene un mayor porcentaje de partículas gruesas (gravas y arenas) en comparación con el porcentaje de partículas finas, mientras que se tienen menores velocidades de infiltración cuando la muestra de suelo tiene un mayor porcentaje de partículas finas y un menor porcentaje de partículas gruesas. También se determinó que el plomo en su forma soluble (sales de plomo) es muy afín al agua, por lo que en suelos donde la velocidad de infiltración es muy grande, este se transportará con facilidad, sin embargo, otros factores que alteran el transporte del plomo en el suelo es el pH y el porcentaje de arcillas (partículas finas) que tiene la muestra de suelo, en suelos ácidos, como los suelos con altos contenidos de arenas, el plomo es lixiviado con gran facilidad, sin embargo, la presencia de arcillas, ocasiona que este metal se adsorba sobre la superficie de estas partículas, ya que, las arcillas se encuentra cargadas negativamente además de tener una alta actividad superficial, entonces en suelos con altos contenidos de arcillas, el plomo es retenido fácilmente. PALABRAS CLAVE Metal pesado., medio poroso, porosidad., infiltración, conductividad hidráulica Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 INTRODUCCIÓN el 6 % del volumen, como valor medio, mientras que los organismos vivos ocupan menos del 1 % (Eweis, 1999). Características de los suelos Materia orgánica de un suelo El suelo puede considerarse como un sistema natural desarrollado a partir de una mezcla de minerales y restos orgánicos, bajo la influencia del clima y del medio biológico (Bautista, 1999). Los suelos proporcionan soporte físico y nutrientes para el crecimiento de las plantas y los microorganismos. Los suelos fértiles, aquellos que dan lugar a una abundante producción de alimentos y fibra, se caracterizan tanto por la presencia de nutrientes como por una estructura física adaptable a los organismos vivos. Existe una gran variedad de microorganismos (bacterias, actinomicetos, hongos, algas y protozoos) que casi siempre están presentes en los suelos, aunque las densidades de población de las mismas varían ampliamente. Las propiedades físicas y químicas de los suelos influyen en gran manera sobre la aireación, la disponibilidad de nutrientes y la retención de agua y, por lo tanto, en la actividad biológica. Las propiedades más importantes de las que engloban estos grupos son el tamaño de la partícula, la porosidad, la humedad, estado de aireación, composición química, fracción de arcilla, capacidad de intercambio de cationes y fracción orgánica. El tamaño de partícula afecta a la química de la superficie de los suelos y al tamaño de los poros. La cantidad de poros depende de la textura, estructura y contenido de materia orgánica del suelo. En suelos arcillosos, donde el tamaño de la partícula es del orden de micrómetros, predominan los tamaños de poro más pequeños, mientras que en suelos arenosos, los poros de un suelo son mayores, siendo menor la cantidad de poros. Composición del suelo La matriz de un suelo está compuesta por cinco componentes principales: minerales, aire, agua, materia orgánica y organismos vivos. Los materiales minerales constituyen los principales componentes estructurales de los suelos y suponen más del 50 % del volumen total. El aire y el agua conjuntamente constituyen el volumen de poros, que, por lo general, ocupa entre el 25 y el 50 % del volumen total. La proporción aireagua varía considerablemente con la humedad del suelo. La materia orgánica oscila entre el 3 y La fracción orgánica del suelo está compuesta por residuos de plantas y animales, células microbianas y productos resultantes del metabolismo microbiano y que, a menudo, se conoce por el nombre de humus. El término humus se refiere a la materia orgánica que ha sufrido las suficientes degradaciones y transformaciones como para que la materia original no sea reconocible. El humus está compuesto en su mayor parte por sustancias polimerizadas: compuestos aromáticos, polisacáridos, aminoácidos, polímeros del ácido urocánico y compuestos que contienen fósforo. La cantidad de humus en un suelo se ve afectada en gran medida por las actividades agrícolas. Un humus rara vez supera el 10 % en peso en suelos minerales. Sin embargo, en suelos con un alto contenido orgánico, como la turba, el humus puede alcanzar el 90 % del peso del suelo (Eweis, 1999). Clasificación de un suelo según el tamaño de grano Las cantidades de arena, limos y arcilla en un suelo determinado definen el grupo al que pertenece dicho suelo. Se suele emplear el triángulo de texturas, Figura 1, a la hora de clasificar un suelo según el tamaño del grano. Plasticidad del suelo La plasticidad de un suelo depende de su contenido de partículas más finas en forma laminar, la cual ejerce una influencia importante en la compresibilidad del suelo, mientras que el tamaño pequeño de esas partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea baja, por lo que existe una relación estrecha entre la plasticidad y otras propiedades físicas de importancia (Matus, 2009). Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S) El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS) tiene por objetivo proveer una clasificación cualitativa de los suelos de origen mineral u orgánico-mineral con fines 42 COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS ingenieriles, a partir de ensayos de laboratorio que determinan sus propiedades granulométricas y de plasticidad. Dicho sistema no clasifica cuantitativamente a los suelos, razón por la cual, no debe ser utilizado para la determinación de propiedades ingenieriles (resistencia al corte, etc.) ni para la estimación del comportamiento carga vs. deformación del suelo o del sistema suelo-estructura. Estructura y agregación de un suelo Se puede definir, estructura, de un suelo como la disposición y organización de las diferentes partículas de un suelo. La estructura de un suelo constituye una propiedad cualitativa del mismo antes que una propiedad cuantitativa. Esta estructura depende de la porosidad total de un volumen de suelo, de la forma de cada poro y de la distribución global de los tamaños de los poros. Como resultado, la estructura de un suelo afecta en gran medida a las propiedades mecánicas del suelo, principalmente al movimiento de los fluidos, incluidas la infiltración, la retención de agua y la aireación. La agregación de un suelo consiste en la estabilización de la arena, limos y arcillas, mediante la formación de complejos de materia arcillosa- orgánica en agregados. En comparación con las partículas minerales, los agregados constituyen unidades estructurales temporales. Su estabilidad se ve afectada en gran medida por la actividad microbiana, los cambios climáticos y por las prácticas agrícolas, tales como para la preparación del terreno para su sembrado. Gases de un suelo Existe una relación directa entre las cantidades de agua y aire contenidas en un volumen de suelo, ya que aquel espacio de poros que no esté ocupado por agua lo estará por gas. Los principales gases que constituyen un suelo son, en esencia, los mismos que se encuentran en la atmosfera terrestre: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono. Sin embargo, las concentraciones relativas de estos gases, en concreto del oxígeno y dióxido de carbono, dependen de la aireación del suelo y de la actividad microbiana en todo perfil. En suelos con buena aireación la concentración de oxígeno puede oscilar entre el 18 y el 20 % y la concentración del dióxido de carbono puede alcanzar valores tan altos como del 1 al 2 %. En suelos con menor aireación, tales como suelos arcillosos con un alto contenido en agua y una actividad microbiana Hernández Martínez y Domínguez Sánchez (respiración) considerable, el dióxido de carbono puede suponer tanto como un 10 % del volumen del aire (Eweis, 1999). Procesos y transporte Las emisiones contaminantes al medio ambiente como resultado de procesos industriales, el empleo de productos elaborados y la eliminación de residuos, raramente permanecen en el punto de vertido sin sufrir transformación alguna. Por lo general, se produce un transporte a través de mecanismos de advección, dispersión y transferencia entre fases. En muchos casos, las transformaciones químicas y bioquímicas dan lugar a cambios significativos en la naturaleza de los contaminantes. Además, algunos compuestos son conservativos, esto es, altamente resistentes a transformaciones, mientras que otros reaccionan con bastante facilidad según medios químicos o bioquímicos (Eweis, 1999). Por lo tanto, aquellos contaminantes que han sufrido transformaciones o han sido vertidos en un tiempo anterior pueden poseer una composición muy diferente a la de vertidos resultantes de las fugas producidas en depósitos subterráneos de almacenamiento de gasolina que sirve como excelente ejemplo de transporte, transferencia entre fases y procesos de transformación. Procesos de transferencia entre fases Aquellos procesos diferentes de la advección y la dispersión hidrodinámica, que dan lugar al movimiento hacia el interior y el exterior del volumen de control, se definen como procesos de transferencia. Los procesos de transferencia de mayor importancia son la adsorción, disolución, absorción y volatilización. Adsorción Las moléculas de un compuesto en solución resultan adsorbidas en la superficie de un sólido a través de una reacción química (quimisorción) o por fuerzas físicas (por ejemplo las de Van de Waals). Los enlaces químicos son más fuertes y más difícilmente reversibles que las uniones físicas. En la mayoría de los casos la quimisorción es básicamente permanente, mientras que la adsorción física es fácilmente reversible. La quimisorción limita el transporte y fija a los contaminantes. 43 Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 Las tasas de adsorción y desorción dependen de la concentración del contaminante en solución. Si la concentración del contaminante disuelto aumenta, la adsorción aumenta. La adsorción se ve afectada por las propiedades del compuesto contaminante (estructura molecular, carga, polaridad y solubilidad en agua) y las propiedades del medio (pH, humedad, contenido de arcillas, compuestos orgánicos). Disolución El producto puro en contacto con agua se disolverá hasta que se vea limitado por la solubilidad del compuesto. El transporte entre fases por lo general se presenta como una función de: la diferencia entre las condiciones de equilibrio de fase y las condiciones reales y la superficie de la interfase. Cuando existe producto puro, la tasa de transferencia es función de la diferencia entre la solubilidad del compuesto contaminante (es decir, la condición de equilibrio donde existe producto puro) y la concentración medida rta= KLa (Cs-Cb) KL= coeficiente de transferencia de masa, m/s a= superficie de la interfase por unidad de volumen, m2/m3 Cs= concentración en el equilibrio, mg/l Cb=concentración medida, mg/l Volatilización y condensación Existen muchos contaminantes en fase vapor, al igual que en fase liquida y sólida. La volatilización es el proceso por el cual los compuestos químicos pasan de una fase liquida o sólida a una fase gas (vaporización) como resultado de la difusión molecular, este fenómeno se presenta por la diferencia de potencial químico entre fases (líquido y gas). resultado de procesos biológicos, químicos y físicos (Eweis, 1999). Degradación biológica En la biodegradación, los microorganismos transforman contaminantes mediante reacciones metabólicas. Los microorganismos del terreno transforman tanto compuestos orgánicos como inorgánicos. Los procesos de biorrecuperación incluyen reacciones de óxido- reducción, procesos de adsorción e intercambio de iones y reacciones de quelación y de formación de complejos, que dan lugar a la fijación de los metales. 1) Transformación biológica de compuestos orgánicos Los procesos de biorrecuperación más importantes conllevan la oxidación biológica de los contaminantes orgánicos. Los compuestos biodegradables se encuentran inicialmente vinculados a enzimas extracelulares y son transportados a la membrana celular. Entonces, se producen una serie de reacciones de trasformación en los cuales se separan los electrones del compuesto y se oxida la estructura del carbono. La energía desprendida en las reacciones se emplea para la síntesis de nuevo material celular, para la reparación del material dañado, el transporte de compuestos al interior de la célula y, en algunos casos, para el movimiento. Una vez los contaminantes orgánicos han sido convertidos en CO2 y H2O, se dice que se ha producido la mineralización. Nunca se realiza la mineralización completa, debido a que una parte del material orgánico se transforma en células. (Eweis, 1999). Degradación natural La condensación es el proceso por el cual unos productos químicos pasan de la fase gas a la líquida otra vez como resultado de la difusión molecular que se produce debido a la diferencia de potencial químico existente entre las fases gas y líquido. Transformación de contaminantes Se dice que un componente que sufre transformaciones (degradado o generado) en un volumen de control es no conservativo. La transformación puede producirse como En la naturaleza, los contaminantes a menudo se transforman debido a cierto número de factores no relacionados entre sí, los cuales, por lo general, resultan demasiado complejos de caracterizar e imposible de cuantificar. Lo habitual es definir la degradación total debida a estos factores como degradación natural, atenuación natural y/o biorrecuperación intrínseca. La tasa de degradación natural puede expresarse mediante un modelo de varios parámetros, el cual se supone sigue una cinética de primer orden. 44 Hernández Martínez y Domínguez Sánchez COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS Degradación química Muchas reacciones químicas llevan a la destrucción o degradación de determinados compuestos en el medio ambiente. A partir de las relaciones de equilibrio termodinámico ya conocidas, se establecerá si una determinada reacción se va a producir o no. Los tres tipos de reacción más importantes son: fotodegradación, hidrólisis y oxidación- reducción. mutagénicos y teratogénicos) cuando sobrepasan las concentraciones naturales, al reaccionar con los átomos de azufre presentes en las proteínas, con lo que se produce una desactivación enzimática: también, por reemplazo de otros cationes esenciales en la estructura de las biomoléculas; además de ser bioacumulables (Bautista, 1999). TABLA 1. COMPARACIÓN DE LOS EFECTOS DE ALGUNOS CONTAMINANTES EN AGUA Y SUELO. Metales pesados Como se mencionó anteriormente, el suelo puede describirse como un sistema abierto y dinámico, compuesto por tres fases: sólida (orgánica e inorgánica) líquida y gaseosa. La fase sólida está formada principalmente por minerales complejos, óxidos, sales y materia orgánica en diferentes etapas de descomposición. Los espacios libres están ocupados por gases, de diversa composición y en parte por la fase líquida (Bautista, 1999). Esta, también llamada solución del suelo, que está compuesta por iones disueltos procedentes de las otras fases, es la más activa y conforma un subsistema dinámico en el que se llevan a cabo, entre otras, reacciones de complejos solubles, óxido- reducción, adsorción y precipitación- disolución. En condiciones normales, la mayoría de los compuestos de los metales potencialmente tóxicos se encuentran en cantidades fijadas por consideraciones del orden geológico y en formas químicas muy insolubles, por lo tanto, no representan un peligro para la biota (Ruda, 2004). No obstante, como consecuencia de las diversas actividades humanas, principalmente la industria, esta situación ha cambiado radicalmente. Se han acumulado en los suelos diversos compuestos de estos elementos en grandes cantidades y/o en formas solubles, rompiendo el equilibrio natural y causando la contaminación de acuíferos y, en ocasiones, la introducción de estos elementos en la red trófica. Particularmente importantes en este sentido son los llamados metales pesados. Los metales pesados en los organismos ocasionan problemas de toxicidad (capacidad intrínseca de causar daño, incluyendo los efectos potencialmente carcinogénicos, Agua -----D D D D D D Contaminante Sales Fertilizantes Metales pesados Plaguicidas H+ Lodos residuales Hidrocarburos Suelo D B DB D -----DB D D= dañino, B= benéfico y DB= que puede ser dañino o benéfico dependiendo de las condiciones en las que se presente. Nota. Fuente: Bautista, F. (1999). Introducción al estudio de la contaminación del suelo por metales pesados (p. 20). México: Universidad Autónoma de Yucatán. Los metales pesados en los suelos interactúan con las arcillas, los oxi- hidróxidos, la materia orgánica (polisacáridos, carbohidratos, aminoácidos, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos, etc.), carbonatos, sulfatos y demás, con los que se presenten procesos de adsorción, sustitución isomórfica, quelación, precipitación, oxidación, reducción, entre otros, que dependiendo de las propiedades particulares del suelo, pueden ser benéficos, dañinos o no presentar efecto. Cuando se menciona el término metal pesado, algunas personas lo interpretan como elemento tóxico, lo cual es incorrecto, pues no todos los metales pesados son tóxicos ni todos los elementos tóxicos son metales pesados. El termino metal pesado será utilizado para los metales que tienen una densidad mayor o igual a 6 g/cm3.Otros autores utilizan como índice un valor de densidad de 5 g/cm3 (Bautista, 1999). Algunos de estos son: plata (Ag),cadmio (Cd), cromo (Cr), cobalto (Co), cobre (Cu), Hierro (Fe), mercurio (Hg), plomo (Pb), níquel (Ni), etc. Este término es empleado también para los 45 Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 elementos que no son metales pero son tóxicos, como el arsénico. La toxicidad de los elementos depende en gran medida de las dosis o cantidades de las que se traten. Otros metales como el platino (Pt), uranio (U), wolframio (W) y oro (Au), que son de los más pesados no han sido reportados como esenciales ni como contaminantes. Las fuentes de metales pesados se pueden clasificar en naturales y antrópicas, las primeras a su vez pueden ser clasificadas por su origen, ya sean productos del intemperismo o por emisiones volcánicas. Las fuentes antrópicas (Tabla 2) las podemos clasificar en puntuales (fijas) y no puntuales (móviles). Dentro de las primeras tenemos a las industrias. Dentro de las segundas están los lodos residuales, fertilizantes, cenizas y humos (Bautista, 1999). TABLA 2. FUENTES ANTRÓPICAS DE METALES PESADOS. Fuente Metales pesados Lodos residuales Riego Fundidoras Plaguicidas Fertilizantes Minas Abonos Carbonatos Combustión de carbón Cd, Pb, Cr, As, Zn, Co, Ba, Be, Ce, Cu, Mn, Co, Hg, Mo, Ni, Sr, V y Zr Cd, Pb, Se Pb, Cd, Sb, Hg. Pb, Hg, Cu, V y Zn Cd, Pb, Ce, Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Sn, Sr, Zn. Pb, Cd, As, Hg Se, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, Zr y Zn Ce, Cr, Cu, Mo, Ni, Pb, Sr, Zn y Zr Pb, Se Nota. Fuente: Bautista, F. (1999). Introducción al estudio de la contaminación del suelo por metales pesados (p. 35). México: Universidad Autónoma de Yucatán. De manera general los elementos se pueden clasificar en metales y no metales, a su vez los metales se separan en transicionales, alcalinos y alcalinotérreos. A menudo, se encuentran términos como: Metal vestigio: se refiere a los elementos metálicos que se encuentran en la solución del suelo en concentraciones menores de 1 mol/m3, o a los elementos que tienen concentraciones menores a 100 mg/kg de la fase sólida del suelo. También se les llama así a los metales de la clase “B” de la tabla periódica. Los metales vestigio no son necesariamente peligrosos, algunos de ellos son esenciales para vegetales y animales. Elementos esenciales: son aquellos que se requieren para la vida de las plantas, sin ellos no se completa el ciclo vital. Se tiene que considerar que no todos los elementos esenciales para las plantas lo son también para otros organismos y que hay elementos esenciales para otros organismos pero no lo son para las plantas. Por ejemplo, el Br es considerado esencial en algunas algas; el Co es esencial en animales y no en plantas, los mismo sucede con el Cr. Elementos traza: en química se utiliza este término, para nombrar a los elementos radiactivos utilizados para conocer la ruta que algún elemento sigue determinados procesos, por ejemplo 15N o 14C que no son metales. Interacción de los metales pesados con el ambiente La naturaleza diversa de los compuestos que se originan en la actividad industrial, ganadera y la proveniente de residuos urbanos, son ecológicamente imprevisibles. De hecho, si los compuestos son solubles se incorporan a las plantas y a los animales que los ingieren. Por otro lado, si los compuestos no son solubles permanecen en el suelo retenidos sin poder ser procesados eficazmente por las redes tróficas, salvo en ciertas condiciones de acidez del terreno. Cuando la contaminación es efectiva y los mecanismos naturales de depuración quedan saturados, se produce una paulatina desaparición de las especies animales y vegetales, y en casos extremos a la transformación de un suelo totalmente estéril (Ruda, 2004). La forma habitual de presentación de los metales en el suelo es en forma catiónica, tendiendo a hidrolizarse rápidamente en las soluciones del suelo. La acumulación de metales se centra en la interfase entre una fase sólida y una fase acuosa al adsorberse éstos sobre la superficie sólida del suelo en forma de complejos neutros, catiónicos y aniónicos. Las arcillas y la materia orgánica, debido a que presentan cargas superficiales negativas, son los 46 Hernández Martínez y Domínguez Sánchez COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS componentes del suelo retenedores excelencia de metales pesados. por La química de los metales pesados en el suelo es compleja. La distribución de los metales añadidos a los suelos se puede resumir de la siguiente manera. Los metales que se incorporan en el suelo, como los que ya están, podrán distribuirse en la fase sólida o en la fase líquida del mismo. Los metales disponibles a las plantas y los susceptibles a la lixiviación están presentes siempre en la solución del suelo o sea en su fase líquida, ya sea como iones metálicos libres, como complejos y/o como quelatos. Cuando estos son adsorbidos por las plantas o lixiviados a las capas inferiores, la solución del suelo se requiebra restituyendo nuevamente estos metales de su fase sólida. De modo que se establece un equilibrio constante entre ambas fases del suelo. Por otra parte los metales en la solución del suelo pueden sufrir procesos de precipitación (carbonatos, hidróxidos, fosfatos, etc.) y/o adsorción (arcillas, materia orgánica) es decir pasar a la fase sólida y quedan inmovilizados. La mayor o menor incorporación de los metales a las plantas dependerá de todos estos procesos mencionados anteriormente, los cuales a su vez dependen del pH del suelo. Cuanto más bajo sea éste, mayor será la concentración de metales en solución y por consiguiente estarán más disponibles para las plantas. La movilidad de los metales pesados está determinada decisivamente por el pH del suelo, a pH ácido aumenta la movilidad del aluminio, zinc, manganeso, cobre, hierro y cobalto y a pH básico la del molibdeno y del selenio. En general, en los suelos con elevada capacidad de intercambio catiónico (ricos en materia orgánica y con altos contenidos de arcilla), ser asegura una cierta inmovilización de los metales pesados por quedar estos retenidos por adsorción al complejo coloidal del suelo. OBJETIVO GENERAL Describir el comportamiento de los metales pesados al depositarlos en distintos tipos de lechos porosos. OBJETIVOS PARTICULARES Caracterizar los tres diferentes medios porosos (Clasificación S.U.C.S, Sistema Unificado de Clasificación de Suelos) seleccionados. Calcular la conductividad hidráulica de los metales pesados en solución acuosa en diferentes medios porosos. Identificar las diferentes variables que afectan la infiltración de los metales pesados a través de lechos porosos. METODOLOGIA 1) Como primer actividad se debe de investigar la composición y las características generales del suelo, que es el medio poroso, de estudio, apoyándose de fuentes de información (libros, artículos científicos, tesis, proyectos de titulación, entre otros). 2) Investigar los mecanismos de transporte y los tipos de procesos biológicos, físicos y químicos de las sustancias químicas a través del medio poroso. 3) Posteriormente se tienen que investigar y analizar los antecedentes que existen respecto al tema de investigación (Comportamiento de los metales pesados en distintos tipos de lechos porosos). 4) Investigar la normatividad nacional existente en materia de contaminación de suelos. 5) Una vez concluida la investigación teórica, se procede a la selección de los tres tipos de medios porosos que se utilizarán en este proyecto. 6) Después se deben de elegir los tres metales pesados que se utilizarán así como la concentración de la solución que se preparará dependiendo del tipo de metales. 7) Caracterización de tres diferentes tipos de medios porosos: clasificación del suelo, pH y concentración de metales 47 Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 pesados antes de iniciar la parte experimental. 8) Una vez caracterizados los tres tipos de medios porosos, realizar las pruebas de permeabilidad (conductividad hidráulica) con agua, sin la adición de metales pesados. En esta parte experimental, se utilizan diferentes valores de carga hidráulica y de compactación del suelo, con la finalidad de observar el comportamiento del agua, a través de los medios porosos. 9) Concluidas las pruebas de permeabilidad con agua, se deben realizar las pruebas de permeabilidad con los tres tipos de metales pesados (soluciones de concentración conocida), se utilizan diferentes valores de carga hidráulica y de compactación del suelo, con la finalidad de observar el comportamiento de los metales pesados, a través de los medios porosos. 10) Medir la concentración de los metales pesados en la parte inferior de las columnas de infiltración (concentración final), después de un período de tiempo establecido. Este paso se debe de realizar con cada uno de los experimentos individuales que se realicen. 11) Recopilación de los resultados obtenidos en el desarrollo experimental del proyecto. 12) Consultar la bibliografía para describir el comportamiento de los metales pesados, observados durante el desarrollo experimental. 13) Identificar las diferentes variables que afectan la permeabilidad de los metales pesados a través de los medios porosos. 14) Elaboración de la discusión y conclusión de los resultados experimentales obtenidos. DESARROLLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS CLASIFICACIÓN DE SUELOS (TABLA No. 4) Se tomaron tres muestras suelo en diferentes si sitios y se realizaron las siguientes determinaciones: Determinación del porcentaje de finos por lavado La determinación del porcentaje de finos presentes en la muestra de suelo por lavado, para lo cual se realizó el análisis granulométrico (Granulometría). Límite Líquido y límite plástico Posteriormente se procedió a calcular el Límite Líquido de cada una de las muestrasde suelo, esta determinación, se realizó el Límites de Consistencia (Clasificación de suelos), utilizando el método Unificado de Clasificación de Suelos (S.U.C.S). Índice Plástico (IP)= Límite Líquido (LL)Límite Plástico (LP) Posteriormente a la clasificación de las tres muestras de los sitios de estudio, se determinó la velocidad de infiltración de agua a través de estas muestras de suelo, utilizando el equipo de infiltración de suelos. Después de calcular la velocidad de infiltración en las tres muestras de suelo, se preparó una solución de metales pesados en 6L de agua, con la siguiente concentración final: TABLA No 3. CONCENTRACIÓN DE LA SOLUCIÓN DE METALES PESADOS UTILIZADA EN LA DETERMINACIÓN DE LA INFILTRACIÓN DE METALES PESADOS EN LOS TRES MEDIOS POROSOS SELECCIONADOS. Metal pesado Sal utilizada Formula Química Concentració n del metal (ppm) Plomo (Pb) Acetato de plomo trihidratado Pb(CH3CO O)2·3H2O 91.37 K2Cr2O7 59.05 Cromo (hexavalen te) Dicromato de potasio Como última etapa del desarrollo experimental, se agregaron 1.5 L de la solución inicial de 6 L de esta solución preparada con plomo y cromo 48 Hernández Martínez y Domínguez Sánchez COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS (hexavalente), a cada una de las 3 columnas del equipo de infiltración, en la cuales, cada una de estas, contiene a una muestra de suelo especifica. columnas de infiltración, para la determinación de plomo y cadmio en las muestras se utilizó el espectrofotómetro de absorción atómica, de acuerdo a la NMX- AA-132-SCFI-2006, MUESTREO DE SUELOS PARA LA IDENTIFICACIÓN Y LA CUANTIFICACIÓN DE METALES Y METALOIDES, Y MANEJO DE LA MUESTRA.. Para la determinación de cromo hexavalente se utilizó el método colorimétrico, de acuerdo a la NMX-AA044-SFI-2001. Después de la adición de la solución de metales pesados, se dejó que la solución se infiltrará en cada una de las muestras en un periodo de tiempo de dos semanas, posteriormente se recolecto la solución de metales pesados que se obtuvo en los recipientes de plástico ubicados debajo de cada columna, resultado del la infiltración de la solución inicial de metales pesados estas muestras fueron almacenadas en recipientes de vidrio de 350 mL. RESULTADOS Los resultados obtenidos se concentrados en las siguientes tablas 1) Para determinar la concentración de los metales pesados en la solución resultado de la infiltración de cada una de las muestran TABLA No. 4. CLASIFICACIÓN DEL SUELO Y VELOCIDAD DE INFILTRACIÓN pH Velocidad promedio de No. Muestra Procedencia Clasificación infiltración (mm/h) Arcilla inorgánica de Zona Norte “Indios 8.41 alta plasticidad con Verdes”, Gustavo A. 1 8.15 gran cantidad de Madero, Distrito finos o partículas Federal finas (arcilla densa). Ex- refinería 18 de 8.8 Arcilla inorgánica de 2 Marzo, Azcapotzalco, 8.1 alta plasticidad. Distrito Federal 8.96 Arcilla inorgánica de Banco de materiales baja plasticidad o 3 “La Carbonera” 30.8 arcilla ligera arenosa Cuernavaca, Morelos con grava. TABLA NO. 5 CONCENTRACIÓN DE INFILTRACIÓN EN LAS TRES MUESTRAS Velocidad promedio de infiltración No. Muestra (mm/h) 1 8.15 2 8.1 3 30.8 METALES ANTES Y DESPUÉS Cr 6+ (mg/L) Pb (mg/L) inicial final DE inicial final 2.07368421 59.05 0.0257 91.37 2.17894737 59.05 0.0495 91.37 2.38947368 59.05 0.0513 91.37 49 LA Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 DISCUSIÓN En la tabla 2, se observan los diferentes valores de velocidad de infiltración promedio encontrados para cada muestra de suelo, para la muestra 1, se obtuvo una velocidad de infiltración de 8.15 mm/h, para la muestra 2, una velocidad de infiltración de 8.1 mm/h y finalmente para la muestra 3, una velocidad promedio de 30.8 mm/h, por lo tanto, la muestra 3, tiene la velocidad de infiltración más alta en comparación con las velocidades de infiltración de las muestras 1 y 2, mientras que la velocidad de infiltración de la muestra 2, es la velocidad más baja respecto a las otras dos velocidades de las muestras 1 y 3. La velocidad de infiltración de la muestra 3, es de 30 mm/h ya que esta muestra se clasifica como una arcilla inorgánica de baja plasticidad o arcilla ligera arenosa con grava) ya que esta muestra contiene un 17.40% de grava, un 57.41% de arena y un 25.19% de finos (incluyendo limos y arcillas), este porcentaje de grava y de arena en conjunto representan más del 74.81 % de partícula gruesas, lo que causa, que estas tengan una espacio considerable entre ellas y permitan el paso libre de agua, en general, tanto arena como grava son consideradas como partículas gruesas en comparación con los limos y arcillas, las cuales se clasifican como partículas finas. Los suelos con predominio del contenido de arena suelen tener una capacidad de retención de agua baja y una permeabilidad alta; en general, tiene una buena aireación y drenan bien (Eweis, 1999). Respecto a la velocidad de infiltración de la muestra 1 y 2, éstas resultan ser muy similares con una velocidad promedio de infiltración de 8.15 y 8.1 mm/h respectivamente. La velocidad de la muestra 1, es de 8.15 mm/h porque, se clasifica como arcilla inorgánica de alta plasticidad con gran cantidad de finos o partículas finas debido a que tiene un 82.53% de partículas finas y un 17.47% de partículas gruesas, dominando la cantidad de partículas finas, las cuales son las partículas de limos y arcillas, recordando que los suelos con altos contenidos de limos suelen tener problemas de formación de costras, lo cual resulta en escorrentía superficial además suelen ser cohesivos y tener una capacidad de retención del agua muy alta y una baja permeabilidad, lo que supone velocidades de infiltración y aireación bajas (Eweis, 1999) como se observa cuando se compara la velocidad de infiltración de la muestra 1 (8.15 mm/h) con la velocidad de infiltración de la muestra 3 (30.8 mm/h) la cual contiene mayor cantidad de partículas gruesas. La velocidad de infiltración de la muestra 2, es la menor de todas, debido a que se clasifica como arcilla inorgánica de alta compresibilidad (arcilla densa), y esta muestra se compone de un 84.70% de partículas finas y 15.30% de partículas gruesas, si se compara con el porcentaje de partículas finas de la muestra 2 (82.53%) se observa que este valor es menor al porcentaje de finos de la muestra 3 (84.70%), entonces esta mayor cantidad de partículas fina presentes en la muestra 3 (limos y arcillas) ocasiona que disminuya la velocidad de infiltración (8.1 mm/h) sin embargo al contener limos y arcillas la capacidad de retención de agua es alta y la permeabilidad muy baja, ya que estas partículas, al tener un menor tamaño, en comparación con las partículas de arena, están mejor empaquetadas, ya que en un mismo volumen de suelo, se encuentran mayor cantidad de partículas de limo y arcilla, muy bien acomodadas, si en este mismo volumen, se encontrarán, partículas de arena. Ahora analizando los datos de las concentraciones de la solución de metales pesados preparada con sales de plomo, cadmio y cromo la cual se añadió a cada una de las muestras, se obtuvieron, los siguientes resultados., se observa que la mayor concentración de plomo se encontró en la solución obtenida después del proceso de infiltración de la muestra 3, con una concentración de 2.38 mg/L de plomo, esto se puede explicar porque las sales de metales pesados de plomo, cadmio y mercurio, son muy solubles en agua, entonces al ser muy solubles en agua, tendrán una mayor afinidad hacia la fase acuosa en comparación con la fase líquida por lo tanto se transportara una mayor cantidad de plomo en la fase acuosa a la misma velocidad de infiltración del agua en esta muestra que es de 30 mm/h, la velocidad de infiltración más alta en comparación con las velocidades de la muestra1 y 2, sin embargo, la concentración inicial de la solución que se agregó a la muestra 3 es de 91.37 mg/L de plomo y la concentración final es de 2.38 mg/L, demostrando que si existe una interacción entre las partículas del suelo y los átomos de plomo. Además, en esta muestra 3, hay que recordar que el 57.41% de esta muestra son arenas, y generalmente las arenas silíceas (arenas más comunes) tienen pH ácidos, los que favorecería la lixiviación del plomo ya que a intervalos de pH ácidos en el suelo (pH 50 COMPORTAMIENTO DE LOS METALES PESADOS <5.5) se facilita la lixiviación de este metal. Sin embargo, si existen iones fosfato o carbonato, en esta muestra de suelo, este metal se podría inmovilizar. Las muestras 1 y 2, tienen mayor cantidad de partículas finas en comparación con la muestra 3, 82.53 % y 84.70% respectivamente, lo cual podría dificultar el paso de los átomos de plomo a través de este tipo de suelos, este comportamiento se puede explicar consultando estudios anteriores, en los cuales, se demuestra que las arcillas tienen una alta capacidad de adsorción del plomo, con un valor de Kd, promedio de 4500 cm3/g (Martínez, 1996), en el caso de plomo, debido a la capacidad amortiguadora del suelo para modificar el pH de la solución (6-7.5), la adsorción se debe principalmente a la precipitación des este metal. Entonces, el plomo se adsorbe en mayor proporción en la muestra 1, ya que esta muestra se clasifica como arcilla inorgánica de alta plasticidad con gran cantidad de finos o partículas finas (arcilla densa), ya que se obtuvo una concentración de plomo en la solución obtenida después de la infiltración, de 2.073 mg/L, que representa la concentración de plomo más baja que se obtuvo en comparación con los otros valores de la soluciones obtenidas después de la infiltración en las muestras 2 y 3 (2.17 mg/L y 2.38 mg/L de plomo), como se observa en la tabla 30. También se menciona que otro factor que afecta el transporte de plomo a través de esta muestra de suelo es la carga iónica que contienen las arcillas. Las arcillas están cargadas negativamente, por lo que suelos con mayores concentraciones de arcillas exhiben capacidades de intercambio catiónico mayores, entonces se espera, que el plomo se retenga en los suelos de la muestra 1 y 2, ya que estos contienen mayores cantidades de partículas finas (82.53 % y 84.70% respectivamente) dentro de las cuales se encuentran las arcillas. Respecto al comportamiento del cromo hexavalente, se tiene que la solución obtenida después de la infiltración a través de la muestra de suelo 1, es de 0.0257 mg/L de cromo hexavalente, y la solución obtenida después de la infiltración a través de la muestra 2, es de 0.0495 mg/L de cromo hexavalente, recordando que la concentración de cromo hexavalente inicial de la solución agregada es de 59.05 mg/L de cromo hexavalente (Tabla 29), si se compara con el valor de la solución obtenida después de Hernández Martínez y Domínguez Sánchez la infiltración en la muestra 3 de 0.0513 mg/L de cromo hexavalente, se observa que esta última concentración es mayor, esta diferencia se observa ya que las muestras 1 y 2, contienen un alto contenido de partículas finas (82.53 % y 84.70% respectivamente) lo que representa una mayor adsorción del cromo hexavalente sobre la adsorción de las superficie de las arcillas cargadas negativamente (el cromo hexavalente tiene una carga positiva), las cuales se encuentran en mayor proporción en comparación con la muestra 3, la cual se constituye principalmente de partículas de arena, estas partículas tienen una menor actividad superficial, debido a su gran volumen, en comparación con las arcillas y limos (las arcillas tienen la mayor actividad superficial de todas las partículas de suelo). CONCLUSIONES En este trabajo se determinó que la velocidad de infiltración es mayor cuando la muestra de suelo tiene un mayor porcentaje de partículas gruesas (gravas y arenas) en comparación con el porcentaje de partículas finas, mientras que se tienen menores velocidades de infiltración cuando la muestra de suelo tiene un mayor porcentaje de partículas finas y un menor porcentaje de partículas gruesas. También se determinó que el plomo en su forma soluble (sales de plomo) es muy afín al agua, por lo que en suelos donde la velocidad de infiltración es muy grande, este se transportará con facilidad, sin embargo, otros factores que alteran el transporte del plomo en el suelo es el pH y el porcentaje de arcillas (partículas finas) que tiene la muestra de suelo, en suelos ácidos, como los suelos con altos contenidos de arenas, el plomo es lixiviado con gran facilidad, sin embargo, la presencia de arcillas, ocasiona que este metal se adsorba sobre la superficie de estas partículas, ya que, las arcillas se encuentra cargadas negativamente además de tener una alta actividad superficial, entonces en suelos con altos contenidos de arcillas, el plomo es retenido fácilmente. Respecto al cromo hexavalente, se presenta el mismo fenómeno, que ocurre con el plomo, la presencia de arcillas, ocasiona que este metal se adsorba sobre la superficie de estas partículas, ya que, las arcillas se encuentra cargadas negativamente y el cromo hexavalente, al igual que el plomo, están cargados positivamente, ya que estos son cationes, además las arcillas 51 Revista Sistemas Ambientales, Vol. 5, No. 1, 2012, p. 41 - 52 tienen una alta actividad superficial, entonces en suelos con altos contenidos de arcillas, el cromo hexavalente es retenido fácilmente. Finalmente, el comportamiento del plomo y el cromo, depende de varios factores, como la cantidad de arcillas presentes en el suelo, el pH de este, la cantidad de arenas y partículas gruesas, así como de la velocidad de infiltración del agua a través de estos, principalmente. BIBLIOGRAFÍA 1. Bautista, F. (1999). Introducción al estudio de la contaminación del suelo por metales pesados. Universidad Autónoma de Yucatán, México. pp 22-35. 2. Eweis, J. (1999). Principios de biorrecuperación. Ed. Mc Graw Hill, España. pp 20-58. 3. Hermida, J. (2000). Fundamentos de ingeniería de procesos agroalimentarios. Ed. Mundi Prensa Libros, España. pp 193. 4. Melgarejo, P. Tratado de fruticultura para zonas áridas y semiáridas. Ed. Mundi Prensa Libros, España. pp 109. 5. Matus, I, (2009). Sistema Unificado de clasificación de suelos. Facultad Tecnológica de la Construcción Nicaragua, Nicaragua. pp. 3 6. Polanco, A. (2009). Manual de prácticas de Laboratorio de Mecánica de Suelos I. Ed. Universidad Autónoma de Chihuahua, Facultad de Ingeniería, México. pp 22. 7. Polanco, A. (2009). Manual de prácticas de Laboratorio de Mecánica de Suelos II. Ed. Universidad Autónoma de Chihuahua, Facultad de Ingeniería, México. pp 19. 8. Ruda, E. (2004). Contaminación y salud del suelo. Ed. UNL, Argentina. pp 9-14. 9. Sociedad española de ciencias forestales. (2005). Diccionario forestal. Ed. Mundi Prensa Libros, España. pp 600,855. 52