Aplicación de materiales arcillosos de la cuenca Neuquina como barreras hidráulicas y geoquímicas de rellenos sanitarios

MUSSO, TELMA BELÉN; PETTINARI, GISELA; PAROLO, MARÍA EUGENIA; MESQUÍN, LUIS; VALLÉS, JORGE

Córdoba

Congreso; XIX Congreso Geológico Argentino; 2014

Asociación Geológica Argentina

Los materiales arcillosos son ampliamente utilizados como barreras para aislar residuos de rellenos sanitarios con el fin de prevenir la contaminación del agua subterránea y del suelo de los lixiviados que contienen sustancias contaminantes. Para este fin, dichos materiales deben combinar una serie de propiedades tanto desde un punto de vista hidro-mecánico como geoquímico (baja conductividad hidráulica (< 1 x 10-07 cm/s), capacidad de hinchamiento en medios acuosos y capacidad de retener contaminantes). Durante años, la comunidad científica ha reconocido el hecho de que las arcillas esmectíticas son las que mejor exhiben estas propiedades. En la cuenca Neuquina, existen numerosos afloramientos de arcilitas y fangolitas esmectíticas que podrían ser utilizadas para este fin. El objetivo de este estudio fue analizar una bentonita sódica comercial de la F. Allen (CATAE) y una fangolita calcárea de la F. Roca (NTOL) para determinar sus aptitudes como barreras hidráulicas y geoquímicas de lixiviados de residuos sólidos urbanos (RSU). Adicionalmente, se tratan de establecer las relaciones entre sus propiedades microscópicas (mineralogía, composición química) y macroscópicas (hinchamiento, conductividad hidráulica y capacidad de adsorción de metales pesados). Las muestras fueron previamente caracterizadas desde un punto de vista físico, químico y mineralógico (Musso et al., 2010; Musso et al., 2013). La bentonita CATAE está constituida principalmente por montmorillonita (90%), mientras que un I/S (70%) tipo R0 (70% Sm) y calcita (10%) componen en su mayoría a la fangolita NTOL. Se realizaron ensayos de conductividad hidráulica a carga variable (ASTM D5856-95) de mezclas arcilla-arena, utilizando una arena media, bien seleccionada y cuarzosa (SP, USCS) como agente estructurante. Las mezclas fueron permeadas con tres fluidos diferentes: agua destilada, una solución de Cu(II) (10 mg/L) y un lixiviado real de RSU. Se utilizaron permeámetros de pared rígida de 10 cm de alto y 4,3 cm de diámetro. Las muestras fueron compactadas en las celdas a un contenido de humedad óptima y una densidad de compactación correspondientes al punto máximo de la curva Proctor (ASTM D698). Todas las mediciones de conductividad hidráulica se llevaron a cabo por duplicado. Por otro lado, se realizaron ensayos de adsorción batch de metales pesados a partir de soluciones monometálicas de Cu(II) y Zn(II) de concentración variable (1-220 mg/L) y a valores de pH y fuerza iónica constantes (pH 5.5 y fuerza iónica controlada con solución de NaCl 0,08 M), condiciones experimentales similares a las encontradas en un lixiviado real de RSU (Francisca y Glatstein, 2010). Se obtuvieron las isotermas de adsorción a 25ºC para Cu(II) y para Zn (II) sobre los materiales arcillosos ensayados. Los modelos de Langmuir y Freundlich fueron utilizados para calcular la máxima capacidad de adsorción de cada metal sobre las arcillas, así como la afinidad de los mismos por estos sólidos. La conductividad hidráulica de mezclas arcilla-arena en función del contenido de arcilla en la mezcla se muestra en la Figura 1 a y b. Los valores representados corresponden a la media geométrica de los duplicados. Para ambos materiales, la conductividad hidráulica disminuye a medida que el porcentaje de arcilla aumenta, lo que es esperado debido a que la hidratación de un contenido creciente de esmectita en la mezcla produce expansión y rellena los poros que conducen el flujo en la arena. La conductividad hidráulica a diferentes líquidos permeantes disminuye en el orden: lixiviado > solución de Cu(II) > agua destilada, evidenciando una correlación negativa con el índice de hinchamiento a estos fluidos. Se observa que para cumplir con el requisito legal, el porcentaje de arcilla que se utiliza en ensayos con agua destilada debe duplicarse cuando el fluido es un lixiviado real de RSU. El reemplazo de iones Na+ de la intercapa de las esmectitas, por cationes de mayor carga y/o el incremento de la fuerza iónica disminuye el espesor de la doble capa difusa, promoviendo la floculación de las partículas y aumentando el espacio disponible para el flujo (Schmitz, 2006). De esta forma, el lixiviado de RSU, caracterizado por una alta concentración iónica, es el que produce una mayor floculación de las partículas de esmectita y consecuentemente el menor hinchamiento y mayor conductividad hidráulica comparado con los demás fluidos analizados. Bajo estas condiciones, el porcentaje de bentonita CATAE mínimo que debería utilizarse en una mezcla con este tipo de arena es de 12%, mientras que para la fangolita NTOL, este porcentaje asciende a algo más del doble (30%). Esta diferencia de porcentajes responde a las características texturales y mineralógicas de los materiales arcillosos. La fangolita NTOL posee un hinchamiento mucho menor que la bentonita CATAE debido a la presencia de calcita, por lo que en mezclas con arena se necesita un mayor porcentaje de este material independientemente del fluido permeante. Los parámetros del ajuste de los datos experimentales a las isotermas de Freundlich y Langmuir muestran que la adsorción de Cu(II) y Zn(II) posee una mayor correlación con el modelo de Langmuir. Tanto la bentonita como la fangolita mostraron mayor capacidad de adsorción de Zn(II) que Cu(II) (Figura 2 a y b). La máxima capacidad de adsorción (Qm) la presentó el material que está constituido por el porcentaje más alto de minerales expansibles y la menor cantidad de fases minerales secundarias (bentonita CATAE). La presencia de carbonatos puede, o bien modular la capacidad de retención debido a que pueden promover interacciones competitivas por los metales pesados cuando están disueltos, o bien pueden aumentar la retención ya que pueden inducir la precipitación de metales como carbonatos (Sánchez-Jiménez et al., 2012). En este estudio, en el rango de concentraciones de las isotermas de adsorción y al pH analizado, el carbonato se encontraría en solución, por lo tanto la capacidad de adsorción máxima para NTOL fue menor. Los porcentajes de adsorción calculados para 0,031 g de arcilla, a partir de 25 mL de una solución con 10 mg/L de Cu(II) o Zn(II), fueron: CATAE: 50% para Cu(II) y 33% para Zn(II), NTOL: 88% para Cu(II) y 48% para Zn(II). La presencia de calcita posee una importante influencia en el comportamiento hidráulico y de adsorción de la fangolita NTOL, por lo que debería ser un factor a tener en cuenta en sedimentitas que se utilicen para este fin. Los valores de adsorción y la conductividad hidráulica de la bentonita sódica comercial y la fangolita calcárea en mezclas con arena, utilizando porcentajes adecuados a sus características mineralógicas, muestran una muy buena aptitud de estos materiales como barreras hidráulicas y geoquímicas. Referencias Francisca, F.M. y Glatstein, D.A. 2010. Long term hydraulic conductivity of compacted soils exposed to landfill leachate. Applied Clay Science 49(3): 187-193. Musso, T.B., Roehl, K., Pettinari, G. y Valles, J. 2010. Assesment of smectite-rich claystones from northpatagonia for their use as liner materials in landfills. Applied Clay Science 48(3): 438-445. Musso, T.B., Francisca, F., Parolo, M.E. y Roehl, K. 2013. Potential use of calcareous mudstones in low hydraulic conductivity earthen barriers for environmental applications. Environmental Technology 34(17): 2465-2476. Schmitz, R.M., 2006. Can the diffuse double layer theory describe changes in hydraulic conductivity of compacted clay?. Geotechnical and Geological Engineering 24: 1835-1844.