Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados.

Presentación del tema: "Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados."— Transcripción de la presentación:

1 Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

2 Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

3 Motivos  Una compañía de abastecimiento quiere inyectar agua de un río en un acuífero para  Almacenar agua  Mejorar la calidad del agua  Se ha llevado a cabo un experimento a Langerak (NL) para estudiar la utilidad y viabilidad  Se ha hecho un modelo de transporte reactivo para interpretar los resultados del experimento

4 Situación geográfica

5 Sección vertical

6 Descripción del experimento  Acuífero  Arenoso  Pequeñas cantidades de pirita y materia orgánica  Agua reductora (hay CH 4 )  Recarga  Durante  un año  Agua oxidada (O 2 y NO 3 ), la concentración de NO 3 cambia  Cl (trazador conservador) sólo en el primer mes

7 Datos experimentales  Acuífero (antes del experimento)  CEC, Contenido en pirita (FeS 2 ), calcita, materia orgánica, granulometría  Agua subterránea en los sondeos de observación durante todo el experimento (  curvas de llegada)  Composición química estándar (pH, Temp., O 2, NO 3, NH 4, SO 4, HCO 3, CH 4, Cl, Ca, Mg, Na, K, Fe, Mn, …)  Además, hay mucha información hidrogeóloga (zona de abastecimiento)

8 Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

9 Modelo de flujo  Tres modelos 1D para cada capa  Distribución de caudal por capa: QQ D1D1 D2D2 D3D3

10 Malla 'Realidad' Modelo Hay un dipolo con velocidades más altas a principio y final que en el medio. Elementos 1D con más superficie da menos velocidad

11 Selección de reacciones químicas  Mediante  Reacciones probables  Programa de especiación (EQ3)  Análisis de sensibilidad (= jugar con el modelo)

12 Reacciones obvias/probables  Oxidación de pirita  FeS 2 + 3.75O 2 +0.5H 2 O  Fe 3+ + 2SO 4 2- + H +  FeS 2 + 3NO 3 - + 2H +  Fe 3+ + 2SO 4 2- +1.5N 2 +H 2 O  Oxidación de materia orgánica  CH 2 O + O 2  HCO 3 - + H +  CH 2 O + NO 3 -  HCO 3 - + 0.4N 2 + H + + 0.4H 2 O  Precipitación de ferrihidrita (Fe(OH) 3 )  Precipitación/disolución calcita (CaCO 3 )  Intercambio catiónico (XNa, XK, XNH 4, X 2 Ca, X 2 Mg, X 2 Fe, X 2 Mn)

13 Especiación Comp.InicialRecarga Log  Temp12 MineralInicialRecarga Eh-0.31 (CH 4 )0.72 (O 2 )Pirita0.00-258 pH7.297.79Calcita0.120.39 TIC 8.29  10 -3 5.11  10 -3 Ferrihidrita-6.76-0.43 Tot Ca 1.74  10 -3 1.50  10 -3 Siderita0.41-12.7 Tot Cl 2.10  10 -4 9.67  10 -4 Rhodocrosita-0.30-1.46 Tot Fe 7.40  10 -5 5.37  10 -7 Tot K 1.93  10 -4 1.67  10 -4 Tot Mg 5.68  10 -4 4.54  10 -4 Tot Mn 5.97  10 -6 2.15  10 -7 Tot Na 1.92  10 -4 2.00  10 -3 Tot N 5.42  10 -5 (NH 4 )2.40  10 -4 (NO 3 ) Tot S 2.04  10 -8 (pirita)7.96  10 -5 (SO 4 ) También incluimos siderita (FeCO 3 ) y rodocrosita (MnCO 3 )

14 Selección de especies acuosas  Seleccionar las especies de un componente cuyas concentraciones más altas suman > 99% de la concentración acuosa total en agua inicial o de contorno, p.e.:  Inicial. Del total de S ( 2.04  10 -8 mol kg -1 )  68.6% HS -, 31.4% H 2 S(aq), 0.0% S -2, 0.0 SO 4 -2, …..  Recarga. Del total de S ( 7.96  10 -5 mol kg -1 )  85.8% SO 4 -2, 8.8% CaSO 4, 5.4% MgSO 4, 0.0% MnSO 4, ….  A incluir: HS -, H 2 S(aq), SO 4 -2, CaSO 4, MgSO 4

15 Leyes cinéticas Pirita por O 2 (Nicholson, 1994) Pirita por NO 3 - Materia orgánica por O 2 (van Cappellen and Gaillard, 1996) Materia orgánica por NO 3 - (van Cappellen and Gaillard, 1996) Calcita (Busenberg and Plummer, 1982) Siderita (id. calcita) Rodocrosita (id. calcita)

16 Superficies reactivas  Suponiendo minerales en granos esféricos con radio único r min  Sabiendo el radio inicial (= 0.16 mm) y suponiéndolo igual para todos los minerales se puede calcular la superficie inicial Volumen de una esfera Superficie de una esfera Número de esferas por volumen de roca

17 Sensibilidad k y σ de pirita  Tasa oxidación por O 2  Superficie reactiva inicial (σ 0 ) suponemos en función del contenido inicial de mineral

18 Sensibilidad de oxidación de CH 4  CH 4 + 2O 2  CO 2 + 2H 2 O  ¿Rápido (equilibrio) o lento (cinética) o no ocurre (CH 4 conservativo)?

19 Modelo geoquímico final  Especies acuosas  e -, H +, Ca 2+, Cl -, Fe 2+, HCO 3 -, K +, Mg 2+, Mn 2+, Na +, NH 4 +, NO 3 -, SO 4 2-, CH 4  CaCO 3 (aq), CaHCO 3 +, CaSO 4 (aq), CO 2 (aq), CO 3 2-, Fe 3+, FeCO 3 (aq), FeHCO 3 +, Fe(OH) 2 +, Fe(OH) 3 (aq), Fe(OH) 4, MgHCO 3 +, MgSO 4 (aq), H 2 S(aq), HS -, OH -, O 2 (aq), MnCO 3 (aq), MnHCO 3 +, MnO 4 -, MnSO 4 (aq)  Especies de intercambio catiónico:  X 2 -Ca, X 2 -Fe, X-K, X 2 -Mg, X 2 -Mn, X-Na, X-NH 4  Minerales en equilibrio  Fe(OH) 3  Otras especias sólidas  Pirita (FeS 2 ), materia orgánica (CH 2 O), calcita (CaCO 3 ), siderita (FeCO 3 ), rhodocrosita (MnCO 3 )  FeS 2 y CH 2 O se oxida por O 2 y NO 3 -

20 Calibración  Principio: Todo es incierto, pero algunas cosas son más ciertas que otras  Se ajusta los resultados del modelo a los experimentales (curvas de llegada) cambiando parámetros:  Parámetros de transporte conservativo  Dispersividad  Ancho máximo del sistema (B max )  Parámetros geoquímicos  CIC (Capacidad de Intercambio Catiónico)  Contenido inicial de los minerales (  superficies reactivas)  Constantes cinéticas  Constantes de intercambio catiónico  Se intenta que los parámetros estimados no difiera demasiado de los medidos

21 Inyección de agua oxidante en un acuífero reductor  Introducción  Modelo conceptual y enfoque de modelizar  Resultados

22 Parámetros estimados ParámetroMedidoEstimado Sup.MedioInf.Sup.MedioInf. Dispersividad (m)---111 Ancha max. del sistema (m)---170 CIC (eq kg -1 peso seco)4.0∙10 -2 1.5∙10 -2 9.3∙10 -3 7.0∙10 -3 1.2∙10 -2 Contenido Inicial (mol kg -1 peso seco) Pirita9.8∙10 -3 3.7∙10 -3 2.1∙10 -3 2.3∙10 -3 9.1∙10 -4 6.8∙10 -3 Mat. orgánica3.0∙10 -1 1.2∙10 -1 8.3∙10 -2 1.11.0∙10 -1 2.2∙10 -1 Siderita---1.9∙10 -4 Rodocrosita---1.8∙10 -6

23 Constantes ConstanteLiteraturaEstimación  pyr,o (mol 0.61 m -1.83 s -1 ) 6.5∙10 -9 (1) 2.0∙10 -8  om,o (s -1 ) -1.8∙10 -9  pyr,n (m s -1 ) -1.0∙10 -7  om,n (s -1 ) -4.6∙10 -9 K(Na/K)0.20 (2) 0.07 K(Na/Ca)0.40 (2) 0.20 K(Na/Mg)0.50 (2) 0.23 K(Na/NH 4 )0.25 (2) 0.09 1 Nicholson (1994) 2 Appelo (1993)

24 Curvas de llegada, conservativo

25 Curvas de llegado, redox

26 Intercambio catiónico

27 Curvas de llegada, Fe y Mn

28 Sólidos

29 Película

30 Conclusiones  Procesos detectados  O 2 y NO 3 - oxidan pirita y, en menor medida, materia orgánica  CH 4 apenas reacciona  Disolución de calcita, siderita y rodocrosita  Precipitación de ferrihidrita  Intercambio catiónico  Modelo es útil para detectar procesos  Usa medidas para condicionar el modelo, pero ten en cuenta las incertidumbres