técnicas isotópicas en estudios de hidrología y trazadores del agua
DESCRIPTION
Exposición del Sr. Carlos Sebastián Calvo, Director de Servicios del Instituto Peruano de Energía Nuclear (IPEN), respecto a las "Técnicas isotópicas y de trazadores artificiales en estudios de hidrología", realizada en la Audiencia Pública Descentralizada en Ica, el 24 de octubre de 2014.TRANSCRIPT
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 1 de 57
Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y
Trazadores del Agua
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Ingº Carlos Sebastián Calvo
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 2 de 57
ELEMENTOS E ISÓTOPOS
Tabla Periódica Carta de Nucleideos
Media-vida 1 – 10 dias
10-100 dias
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 3 de 57
LÍMITE ANUAL DE DOSIS PARA LA POBLACIÓN EN GENERAL
1mSv/año
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 4 de 57
CONCEPTO DE TRAZADOR
Un trazador consiste en una sustancia o medible que se incorpora a un sistema y del que se espera proporcionará información acerca del comportamiento de dicho sistema. Con el fin de lograr este objetivo, tiene que establecerse (o suponerse) una relación entre el trazador y el sistema involucrado.
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 5 de 57
Los trazadores constituyen una valiosa herramienta que permite obtener un mayor conocimiento de la dinámica de masas de aguas superficiales, subterráneas y atmosféricas, o de fluidos en general, conocimiento que se obtiene mediante el monitoreo de estos trazadores, que existen en el sistema hidrogeológico o se inserten en dicho sistema.
TRAZADORES EN HIDROLOGIA
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 6 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
EXPERIENCIAS CON TRAZADORES ARTIFICIALES
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 7 de 57
REQUISITOS DE UN BUEN TRAZADOR ARTIFICIAL
Debe comportarse como el material en estudio, en la fase que se
desea investigar.
Debe poseer una propiedad que lo distinga del material en estudio,
de tal forma que pueda ser detectado, en presencia de otras
sustancias.
No debe modificar en forma significativa la densidad, viscosidad, u
otras características propias del medio en estudio.
Los cambios en su concentración no deben afectar el
comportamiento del medio en estudio.
No debe permanecer en el sistema más allá del tiempo necesario.
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 8 de 57
TIPOS DE TRAZADORES DEL AGUA
Trazadores naturales
Trazadores artificiales
EJEMPLO DE TRAZADORES NATURALES
Iones disueltos en el agua
Cl‾, NO3-, Na+, elementos traza, etc.
Isótopos ambientales
T, 14C, D, 18O, 34S, 13C, 15N, etc.
TRAZADORES DEL AGUA
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 9 de 57
TIPOS DE TRAZADORES
Trazadores químicos iónicos
Colorantes
Elementos activables por irradiación con neutrones
Radioisotopos
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 10 de 57
VENTAJAS
Buen trazador para el agua
Débil retención en el terreno
DESVENTAJA
Su presencia natural en el agua
Solo puede usarse para concentraciones naturales menores de 50 ppm
POSIBILIDAD DE MARCADO
Volumen de agua inferior a 103 m3
TRAZADORES QUIMICOS IONICOS MAS
UTILIZADOS: ION CLORURO
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 11 de 57
LOS MAS IMPORTANTES SON:
Dicromato sódico (Cr2O7Na2.2H2O)
Productos fluorescentes.- Emiten fluorescencia al ser excitados por la luz visible (absorción selectiva de un intervalo determinado de longitud de onda)
Fluoresceina ( C20H12O4)
Rodamina
Uranina ( C12H10O4Na2 ) y sus derivados
Eosina
Piranina, etc.
TRAZADORES: COLORANTES
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 12 de 57
VENTAJAS
Bajo precio
Elevada sensibilidad de medida
DESVENTAJAS
Riesgo de alteración por co2 , bacterias, luz, ión férrico, etc.
(mal comportamiento en aguas muy contaminadas)
Fuerte fijacion sobre arcillas en suspensión (no uso cuantitativo en aguas con sedimentos)
Elevada toxicidad
POSIBILIDAD DE MARCADO: HASTA 106 m3 DE AGUA
TRAZADORES FLUORESCENTES (Cont.)
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 13 de 57
Se conocen más de 1000 radioisótopos
Por sus características nucleares solo podrian utilizarse los siguientes:
3H(T), 24Na, 32P, 35S, 45Ca, 46Sc, 51Cr, 58Co, 60Co, 59Fe, 82Br, 85Kr, 86Rb, 89Sr, 103Ru, 110MAg, 131I, 140Ba-La, 132Ir y 198Au.
No se ha investigado lo suficiente sobre las posibilidades de todos estos radioisótopos como trazadores del agua: comportamiento en diferentes sistemas hídricos, influencia de la forma química, etc.
Algunos tienen que ser descartados por razones de precio y disponibilidad
TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES
OBTENIDOS EN UN REACTOR NUCLEAR
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 14 de 57
SELECCIÓN DE UN TRAZADOR RADIACTIVO
Factores a tener en cuenta:
Periodo de semidesintegración.
Actividad específica.
Tipo de radiación.
Energía de la radiación.
Formas físicas y químicas disponibles.
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 15 de 57
ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL HIDROGENO
H1 H2
H3
1P
1N
1P
2N 1P
3N
Protio Deuterio Tritio
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 16 de 57
ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL OXIGENO
O16 O17
O18
8P
8N
8P
9N 8P
10N
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 17 de 57
ALGUNOS ISOTOPOS ARTIFICIALES
H3 (Tritio)
I131
Tc99
Au198
Co60
Cs137
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 18 de 57
EFECTO DE LA ALTITUD EN LA CONCENTRACION
ISOTOPICA
En aguas de lluvia, la concentración isotópica del H2 y
O18 disminuyen con la altitud a la que se produce la
lluvia
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 19 de 57
CARACTERIZACION ISOTOPICA DE MASAS DE AGUA
Aguas de mar
Aguas de lagos
Aguas de ríos
Aguas de manantiales
Aguas de lluvia de diversas altitudes
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 20 de 57
acuífero
condensación
Evaporación de océano Evaporación de lagos, ríos etc.
Condensación y precipitación
Evaporación del suelo
transpiración de la vegetación
océano
infiltración
escorrentía
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CICLO HIDROLOGICO
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 21 de 57
Infiltración y
recarga Napa freática
Flujo de agua
subterránea
AGUAS SUBTERRANEAS.-ACUÍFERO LIBRE
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 22 de 57
EDAD DEL AGUA
Tiempo que una molécula de agua permanece en un
acuífero o en un lago, sin contacto con aguas atmosféricas
La edad de las aguas de lluvia es cero
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 23 de 57
Vida limitada ct = c0 exp (-λt)
Posibilidad de medida in situ ( con excepcion del Tritio )
Elevada sensibilidad de medida
Actividad especifica ( mCi / ml ), muy elevada
(marcado de grandes volumenes de agua con una pequeña masa de trazador)
Medida selectiva (sin interferencias)
Posibilidad de modificar la forma química
En el caso del Tritio: marcado isotópico.
TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES VENTAJAS DE LOS TRAZADORES RADIACTIVOS
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 24 de 57
Se utiliza como agua tritiada ( THO )
Periodo de semidesintegracion = 12,43 años
VENTAJAS
Unico trazador radiactivo isotópico del agua
( incorporado en la molécula )
Comportamiento ideal incluso con aguas subterráneas
Posibilidad de marcar grandes volumenes de agua (>107 m3)
Baja radiotoxicidad
Bajo precio
Actividad específica muy elevada: 0,5 Ci/ ml
TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 25 de 57
DESVENTAJAS
Presencia en el agua de Tritio termonuclear
Imposibilidad de medida “ in situ “
A veces, intercambio con agua de constitucion de arcilla o de yeso o con hidrógeno de materia orgánica
A veces, vida excesivamente larga
APROPIADO PARA:
Ensayos de larga duracion donde estan implicados grandes volúmenes de agua
TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO (Cont.)
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 26 de 57
El trazador ni siquiera es detectable
Vida limitada del trazador
Pequeña extensión de zona afectada
Posibilidad de controlar el uso del agua
Buena conducta del trazador. Pueden ser medidos a concentraciones inferiores a las máximas permitidas para agua potable (posibilidad de realizar las experiencias sin riesgo)
Se trata de experiencias de corta duración
Riesgos limitados a fase inicial de la experiencia
Gran dilucion del trazador
Los ensayos no se repiten casi nunca en el mismo lugar
CARACTERISTICAS LUEGO DE LAS EXPERIENCIAS CON TRAZADORES DEL AGUA
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 27 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
RADIOTRAZADORES UTILIZADOS EN EL IPEN
En el Centro Nuclear RACSO ha sido posible producir importantes radioisótopos que han sido utilizados como trazadores. Entre los principales radioisótopos que han sido utilizados a manera de trazador en diversas determinaciones industriales, de tratamiento y abastecimiento de agua potable, energéticas y ambientales se destacan:
I-131, el Tc-99m, el La-140 ,Au-198, moléculas marcadas, etc.
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 28 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
ALGUNAS APLICACIONES DE LOS
RADIOTRAZADORES EN EL IPEN
MEDICIÓN DE CAUDALES
a. Método de Allen o del Tiempo de Tránsito
b. Método de dilución Isotópica
c. Método de Integración
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 29 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Determinación de flujos volumétricos mediante intección instantánea de radiotrazador
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 30 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Determinación de flujos volumétricos mediante inyección continua de radiotrazador
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 31 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Sistema multisonda de adquisición de datos utilizado
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 32 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
PREPARANDO EL USO DE TRAZADORES ARTIFICIALES PARA AFOROS
EN AGUAS SUPERFICIALES
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 33 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
APLICACIONES DE TRAZADORES RADIOACTIVOS ARTIFICIALES Y
FLUORESCENTES (I-131, Au-198, Rodamina y Uranina)
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 34 de 57
Las direcciones de este flujo fueron determinadas utilizando
el método de adsorción isotópica de un trazador radiactivo
en una malla metálica (en este caso el Au-198 en solución
ácida).
se irradia una pequeña hojuela de oro coloidal para obtener
el Oro – 198 que es un radioisótopo emisor gamma. El Oro
metálico es atacado por una pequeña cantidad de agua regia
hasta conseguir su disolución total. Luego se diluye el
material en un volumen de algunos litros de agua, a fin de
obtener una solución acuosa de oro radiactivo.
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CASO: DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES Y DIRECCIONES DE FLUJO
EN AGUAS SUBTERRÁNEAS
ALGUNOS CASOS DE ESTUDIO CON TRAZADORES
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 35 de 57
La colocación de la malla metálica dentro de los pozos, se
fija en una orientación predeterminada. Luego de inyectar el
trazador a lo largo de la columna de agua y después de un
tiempo, las mallas se retiraran y se mide la radiación que
emite la malla metálica.
La metodología considera que el flujo de las aguas
subterráneas arrastra al trazador en el sentido del flujo y
consecuentemente la concentración del trazador es mayor en
la zona de la malla donde el encuentro con la dirección del
flujo es frontal. La variación de la radiación a lo largo de la
circunferencia de la malla permite determinar la dirección del
flujo de aguas subterráneas.
Instituto Peruano de Energía Nuclear
DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS
SUBTERRÁNEAS (Cont.)
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 36 de 57
Pozo.- Vista en corte para determinar velocidades y direcciones de flujo
de aguas subterráneas
NF
NIVEL SUPERFICIE
Malla metálica
TRAZADOR
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 37 de 57
POZO - VISTA EN PLANTA
PARED DEL POZO
MALLA METALICA
AREA OCUPADA POR EL
TRAZADOR
(Al momento de la inyección
t = 0)
DIRECCION
DE FLUJO
DEL AGUA
SUBTERRANEA
AREA OCUPADA POR TRAZADOR
( Después de transcurrido el tiempo t )
SECTOR DE LA MALLA IMPREGNADA
CON MAYOR CANTIDAD DE TRAZADOR
Instituto Peruano de Energía Nuclear
DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS
SUBTERRÁNEAS
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 38 de 57
ZONA DE CAPTURA
FLUJO
SUBTERRANEO
PERÍMETRO INTERNO
VELOCIDAD Y DIRECCION DE FLUJO EN POZO UNICO DE AGUAS SUBTERRANEAS
Control del uso y ocupación del suelo en relación al pozo
DIVISOR DE
DRENAJE
PERÍMETRO INMEDIATO
POZO
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 39 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
TRABAJOS EN POZO UNICO PARA ESTUDIOS EN AGUAS
SUBTERRÁNEAS.-MUESTREO PARA DATACION POR CARBONO 14
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 40 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CASO: DETERMINACION DE ORIGEN DE FILTRACIONES
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 41 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CASO: EVALUACION DE POTENCIALES GEOTERMICOS
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 42 de 57
CASO: EVALUACIONES EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 43 de 57
1 2 4 3 5 6 7 8 9 10 11 12
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CASO: EVALUACION DE BATERIA DE DESARENADORES EN PLANTAS DE
TRATAMIENTO DE AGUA
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 44 de 57
0
50
100
150
200
250
300
0 500 1000 1500 2000Time (s)
E(t
)
Tank N°4
Tank N°5
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Evaluación de desarenadores en plantas de tratamiento de agua (Curvas de
respuesta de los desarenadores 4 y 5)
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 45 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
FLOCULADORES HIDRÁULICOS EVALUADOS CON TRAZADORES
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 46 de 57
N°2
N°4
N°3
N°1
Inlet: Water with a suspension of flocs
Outlet: Clear water Outlet: Clear water
CASO: EVALUACION DE BATERIA DE FLOCULADORES HIDRAULICOS EN
PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 47 de 57
N° 6
N° 5
N° 4 N° 3
N° 2 N° 1
Instituto Peruano de Energía Nuclear
CASO: EVALUACION DE CLARIFICADOR EN PLANTA DE TRATAMIENTO DE
AGUA
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 48 de 57
E(t)
0.E+00
1.E-04
2.E-04
3.E-04
4.E-04
5.E-04
0 2000 4000 6000 8000 10000
Time (s)
Outlet N°1
Outlet N°2
Outlet N°3
Outlet N°4
Outlet N°5
Outlet N°6
Instituto Peruano de Energía Nuclear
RTD de las curvas obtenidas en las diferentes salidas del clarificador
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 49 de 57
0.E+00
1.E-05
2.E-05
3.E-05
4.E-05
5.E-05
0 20000 40000 60000 80000
Time (s)
E(t
)
Experiment
Model
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Comparación entre la RTD experimental y la simulación
obtenida con el modelo representado
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 50 de 57
1
2
3
4
5
6
15m 10m 101m 15m
8m
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Evaluación de laguna de oxidación con radiotrazadores
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 51 de 57
Tiempo de Residencia en Laguna de Oxidacion
UNITRAR
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
tiempo, horas
cps
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 52 de 57
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Distancia, m
Laguna de Oxidación UNITRAR - Isorradas de I-131 a 2 hr
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Dist
ancia
, m
100
300
500
700
900
1100
1300
1500
1700
1900
2100
2300
2500
2700
2900
3100
3300
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 53 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
Inyección de trazador para mediciones de declinación bacteriana
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 54 de 57
Toma de registros de contaje
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 55 de 57
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 56 de 57
INSTITUTO PERUANO DE ENERGIA NUCLEAR
PUERTO MALABRIGO - CHICAMA - TRUJILLO
670000
670500
671000
671500
672000
672500
673000
673500
9149500
9150000
9150500
9151000
9151500
673500
673000
672500
672000
671500
671000
670500
670000
9151000
9150500
9150000
9149500
CHATA
PUNTO DE INYECCION
DE IODO 131
9151500
Caso: Mapeo de la descarga de aguas residuales industriales
Instituto Peruano de Energía Nuclear
IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
IPEN, Octubre de 2014
Diapositiva 57 de 57
Gracias www.ipen.gob.pe
Telf. 4885050 anexo 243
Instituto Peruano de Energía Nuclear