Hidroquímica E Hidrogeoquímica 382f53

Hidroquímica e Hidrogeoquímica

La Hidroquímica es el estudio de la química del agua. La Hidrogeoquímica es el estudio de la química del agua relacionado a las zonas saturada y no saturada de las formaciones geológicas

Objetivos de la hidroquimica El objetivo de su estudio es conocer los principios básicos aplicados al agua subterránea y la valoración de un análisis químico. Esto la convierten en la herramienta de los estudios hidrogeológicos en general y de hidrología ambiental. Estudios hidrogeológicos: Ayuda a conocer la edad del agua, una pluma de contaminación, para hacer análisis químicos y definir el uso del agua: potable o no potable.

La naturaleza del agua La gran capacidad de disolución del agua y su elevada reactividad hacen que el agua natural contenga gran cantidad de sustancias disueltas, que entran a formar parte de la composicion de muchas sustancias y atacan a muchas otras directamente (hidrolisis) o a traves de las sustancias que lleva disueltas (oxidacion, …).

Ionica: iones simples como Na+,

Formas en las que se presentan las sustancias disueltas

Ca2+, Fe2+ (cationes) y Cl-, SO42(aniones). Menos frecuentes son los iones complejos como metales pesados.

Molecular: con el dióxido de carbono o el carbonato cálcico., en equilibrio con especies iónicas.

Geles y coloides: son importantes los ácidos y aniones derivados de la sílice

Gases La disolución puede ser de:

Líquidos

Sustancias coloidales Y geles

Sólidos

Disolución de gases: el agua contiene gases por simple disolución (O2, N2, etc) o por reacciones químicas (CO2, NH3, etc). El coeficiente de absorción de gases del agua depende de la temperatura y las sales disueltas que tenga esta. Disolución de líquidos: hay líquidos miscibles en el agua (salmueras, efluentes clorurados, etc) y líquidos inmiscibles o con baja solubilidad (hidrocarburos y sus derivados, etc) Disolución de sólidos: depende de la solubilidad de cada sustancia, Los procesos de disolución están reegulados por la ley de acción de masas, alcanzándose la saturación cuando se llega al producto de solubilidad (Ks: saturación del agua en sales) Sustancias coloidales y geles: las arcillas coloidales se forman si el agua contiene alúmina y sílice disueltas que se combinan con otros iones.. Los geles tienen una mayor estructura y ambos pueden adsorber otros iones y moléculas en su superficie.

Expresion de las concentraciones Las unidades empleadas son mg/L que equivalen a ppm (partes por millón). También se utilizan moles/L y equivalentes/L. mg/L, g/L, ppm, meq/L

Moles= gramos/peso molecular Equivalentes= moles x valencia

Clasificacion de las aguas subterraneas:

j Por su origen:

 Juveniles: que provienen del interior de la tierra sin haber estado antes en el ciclo hidrológico Metamórficas: desprendidas durante el metamorfismo de las rocas

  Magmáticas y Volcánicas:

se desprenden de las lavas y del enfriamiento

del magma

 Salmueras: tienen mayor salinidad que el agua de mar, y son el producto de la evaporación del agua de mar o de aguas de lagos continentales actuales o antiguos.

Clasificacion de las aguas subterraneas:

n Por el tiempo de residencia en el acuífero:

 Vadosas: aguas del ciclo hidrológico actual  Marinas: aguas alojadas en sedimentos marinos recientes  Fósiles: aguas entrampadas en las formaciones geológicas por 

miles de años en los sedimentos. Son salmueras Congénitas: aguas atrapadas en el momento de la formación

del sedimento que la contiene y que es expulsada lentamente por los procesos de consolidación y mitificación.

Tecnicas de estudio Permiten analizar, comparar, clasificar y estimar un origen de las aguas subterráneas en base al resultado de los análisis químicos de las muestras de agua recolectadas..

Los métodos de estudio son: Diagramas: resaltan la composición química de un agua para poder compararla con las otras aguas. Hay diagramas: columnares, circulares, poligonales y radiantes, triangulares, bidimensionales e hidrogramas hidroquímicos. Mapas; isoconcentración, diagramas de Stiff y relaciones iónicas en mapas.

Diagramas columnares de Collins

Están compuestos por dos columnas adosadas en donde a la izquierda se apilan los cationes y a la derecha los aniones. Ambas columnas deben ser teóricamente iguales. Se adaptan a mapas hidrogeoquímicos y solo permite un análisis por diagrama.

Diagramas circulares

Se traza un círculo y se lo divide según los % de los componentes.. Si se expresa los iones en meq, la mitad del círculo es para los aniones y la otra mitad para los cationes.

Diagramas de stiff Se reflejan Ca, Mg, Na y K, como cationes, y HCO3, SO4, Cl y NO3, como aniones, siempre en este orden. Son tres o cuatro lineas horizontales cortadas por una vertical que indica la concentracion 0. Se expresan en % de meq/l o usando una escala en meq/l. Se unen los extremos dando un poligono. Para aguas muy concentradas o muy diluidas, el diagrama es muy alargado, y es conveniente reducir o ampliar la escala, indicandolo con una trama diferente del resto de los diagramas. Son muy usados en mapas hidrogeoquimicos.

Diagramas DE COLUMNAS LOGARITMICAS DE sCHOELLER

Las columnas son escalas logaritmicas, todas del mismo modulo. Se emplean concentraciones absolutas en meq/l, teniendo todas las columnas las potencias de 10 en la misma horizontal. Para facilitar la representacion, se aisla a la izquierda una columna con esta graduacion, y las otras se expresan en ppm. Se emplean escalas logaritmicas del mismo modulo, pero colocadas de manera que el 1 de la escala de meq/l coincida con el peso equivalente del ion correspondiente.

Graficos bidimensionales de dispersion Se utilizan las partes positivas de los ejes de coordenadas. Tienen interes en estudios de analisis repetidos en un mismo punto, y en estudios de analisis de aguas semejantes de una misma zona. Sirven para resaltar relaciones ionicas. Se obtienen nubes de puntos a los que se puede ajustar una recta. Si las variaciones son importantes (normalmente en aguas superficiales), la nube de puntos es alargada y son mas faciles de ajustar. Si se tienen analisis de las aguas de un acuifero, puede representarse en abscisas la conductividad, y en ordenadas el contenido en cloruros; si los puntos tienden a una recta o curva sencilla, se tiene un metodo de obtener el contenido en cloruros a partir de la conductividad. El metodo puede dar buenos resultados para aguas de rio, pues las variaciones de concentracion a lo largo de un cauce pueden ser notables; Para aguas subterraneas, en la mayoria de las ocasiones, solo se obtiene una nebulosa de puntos concentrados en un area del plano, y ello se debe a las escasa variaciones temporales y espaciales de las caracteristicas de esa agua y no a la inexistencia de relacion.

Hidrogramas hidroquimicos

Muestran la variacion de una cierta caracteristica en funcion del tiempo. Pueden dibujarse varios parametros juntos para comparar y correlacionar. Para aguas de rios, conviene fijar el caudal, y en los pozos incluir el nivel piezometrico.

Diagramas triangulares

Ideales para representar tres componentes. Cada vertice representa el 100 % del componente (meq/l). En cada triangulo pueden representarse tres aniones, o tres cationes, o una mezcla de ambos. Suele tratarse de dos diagramas separados para aniones y cationes. Se pueden representar muchos analisis sin confusion. Durov: Se representa el radio proporcional a otras magnitudes, y el valor en meq/l de parametros como la conductividad, el residuo seco Piper-Hill-Langellier: Se trata de un diagrama triangular compuesto, constituido por dos triangulos equilateros en los que se representa, respectivamente, la composicion anionica y cationica del agua de que se trate, y un campo central romboidal en que se representa la composicion del agua deducida a partir de aniones y cationes. Es necesario reducir las concentraciones a %, y solo se pueden reunir en cada triangulo tres aniones y/o tres cationes; a cada vertice le corresponde el 100 % de un anion o cation. En este tipo de diagramas no se representan concentraciones absolutas.

Durov

Piper

Clasificacion del agua con el diagrama de Piper

Aguas sulfatadas y/o cloruradas cálcicas y/o magnésicas Aguas cloruradas y/o sulfatadas

Aguas bicarbonatadas sódicas Aguas bicarbonatadas cálcicas y/o magnésicas

Mapas Se construyen colocando sobre un plazo de la zona a estudiar, cifras (concentraciones ionicas, residuo seco, conductividad, …), simbolos o figuras (diagramas de Collins, Staff, …) que representen la composicion quimica del agua en cada punto de muestreo. Del analisis de estos mapas, suele deducirse la existencia de uno o varios acuiferos, ciertas condiciones geologicas, zonas de recarga. Si se representan puntos de agua de un mismo nivel acuifero y el numero de puntos es suficiente, pueden trazarse isolineas; suelen ser muy representativas las lineas de igual conductividad o de igual contenido en cloruros o sulfatos; las isolineas de contenido en nitratos, pueden indicar zonas contaminadas.

Ejemplo de un mapa de isoconcentración

iones

Composición

Fundamentales

Del

Agua Subterránea

iones Menores

iones trazas u Oligoelementos

Iones fundamentales

Bicarbonatos (CO3H-)

Magnesio (Mg++)

Cloruros El cloro es el halógeno más difundido, es muy soluble en agua, muy estable en disolución, difícil de precipitar, no se oxida ni reduce en aguas naturales y usualmente se presenta como Cl- en aguas naturales y asociado a Na+ en aguas marinas. Procedencia ede la meteorización de rocas ígneas, del lavado de rocas de origen marino, de evaporitas, de procesos de contaminación puntual (abonos, etc) o de la concentración de agua de lluvia (importante en las proximidades del océano)

Sulfatos A 25 °C y 1 atm, las formas estables del azufre, son SO42-, HSO4-, S, HS-, H2S y S2-, aunque generalmente aparece en estado de maxima oxidacion (SO42 ); en medios reductores, con abundante materia organica, puede sufrir reduccion bacteriana de SO42- a HS-. El ion SO42- es moderadamente soluble a muy soluble; es muy dificilmente precipitable. Procedencia e de la disolucion del yeso y de la anhidrita, del lavado de terrenos formados en ambientes marinos o en condiciones muy aridas, y de la oxidacion de sulfuros (rocas igneas y rocas sedimentarias).

Carbonatos y Bicarbonatos Tanto el CO32- como el CO3H- proceden, en parte, de la disolucion del CO2 atmosférico (gas) en agua de lluvia y de la incorporación del CO2 del suelo al agua de infiltración. También, de la disolución de calizas y dolomías potenciada por el aporte de CO2 y ácidos orgánicos e inorgánicos. Además de la hidrólisis de silicatos (el CO2 disuelto en agua, al aumentar el pH da lugar a iones CO3 2- y CO3H-). Los carbonatos y bicarbonatos comunican alcalinidad al agua. No son oxidables ni reducibles en aguas naturales.

Sodio (Na+) Es el alcalino mas abundante. Suele ir asociado al ión Cl-. Es un buen indicador de aguas blandas. Dada su alta solubilidad, tiene tendencia a permanecer en solución y no precipitar. Su forma predominante es el Na+. A altas concentraciones forma complejos como NaCO3-, NaHCO3, NaSO4Proviene de rocas ígneas (componente mayoritario), de la meteorización de silicatos, relacionado con rocas sedimentarias de origen marino y con depósitos evaporíticos, en rocas detríticas (como constituyente de clastos inalterados o como cemento), aporte de agua marina en regiones costeras, reciclaje de riegos, contaminación urbana

Calcio (Ca++) Suele ser el catión principal por su amplia difusión en rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas. Proviene de rocas ígneas (constituyente esencial en feldespatos, piroxenos y anfiboles), de rocas sedimentarias (carbonatos, sulfatos o cemento intergranular en rocas detríticas), y en menor cantidad pueden provenir de la fluorita, del apatito, de la montmorillonita, y a menudo, aparece adsorbido en las superficies de minerales en rocas y suelos. Es moderadamente soluble a muy soluble. Precipita fácilmente como CaCo3; Junto al Mg 2+ contribuye a la dureza del agua. Su química esta asociada a la de los iones CO3H- y CO2.

Magnesio (Mg++) Similar al calcio pero mas soluble y mas difícil de precipitar. Su forma predominante es Mg2+; Puede formar complejos como MgOH+, MgSO4 o HCO3Mg+. Junto al calcio contribuye a la dureza del agua. Procedencia e de minerales ferromagnesianos en rocas ígneas (olivinos, piroxenos, anfiboles, micas negras, …) y de minerales de alteración (clorita, montmorillonita, serpentina, …).

Iones menores Normalmente entre 0,1 y 10 mg/L: Componentes nitrogenados: El NH3 proviene de la fijacion quimica

„A

del N2 atmosferico, de la putrefaccion de proteinas de origen animal o vegetal por acción bacteriana, o de la reducción de nitritos. El NO2 proviene de la oxidación del NH3 o NH4+ por acción bacteriana, o de la reducción del NO3-. Potasio:El potasio tiene una solubilidad muy alta, es

„b

difícilmente precipitable, y muy abundante en la corteza, pero escaso en el agua al ser fijado por las arcillas. Procede de rocas ígneas (en feldespatos, biotitas y moscovitas), de procesos de hidrólisis de silicatos, de depósitos de evaporitas, de actividades agrícolas (uso intensivo de fertilizantes), o por actividades industriales.

Iones menores

C Fluoruros: Contribuye a la alcalinidad del agua, pues se hidroliza fácilmente. Baja solubilidad. Concentraciones entre 0.01 y 10 ppm. Proviene de rocas sedimentarias e ígneas. Con proporciones superiores a 1 ppm provoca manchas en el esmalte dental, y con cantidades inferiores, provoca caries y afecta a los huesos.

D Hierro: Procede de la descomposición meteórica de la magnetita, pirita, biotita, piroxenos, anfiboles y granates. La mayor parte del hierro disuelto, esta en forma ionizada; en aguas superficiales puede formar complejos; a pH menor de 3 se da en forma de Fe3+, con pH superior de 3 puede formar iones complejos, y con Eh bajo, se da en forma de Fe2+.

Iones menores Otros entre 0,0001 y 0,1 mg/L:

E Bromuros: Comportamiento similar al cloruro (menor capacidad: 1 ppm de Br- por 300 ppm de Cl-). Nocivo en grandes cantidades.

F Ioduros: Menor proporción que el Cl- y el Br Asimilado por

plantas y animales marinos; poca cantidad en el agua del mar. La descomposición por combustión de la materia orgánica, libera I- que pasa al suelo. Aparece en salmueras y yacimientos.

G Boro: Fundamental para el crecimiento de las plantas. Nocivo en grandes cantidades.

Iones menores

H Manganeso: Similar al hierro, aunque en cantidades

I

inferiores. Generalmente, aparece como Mn2+, que se oxida fácilmente a MnO2. Normalmente se dan valores inferiores a 0.2 ppm (a veces hasta 1 ppm). En el manganeso en el agua, desarrolla bacterias y forma manchas de oxido. Es importante para el desarrollo de las plantas. Aluminio: Es muy abundante pero poco móvil. Es difícil de poner en solución, y queda retenido fácilmente por las arcillas. Con valores de pH entre 5 y 9, se da menor de 1 ppm; en pH acido, se puede dar una concentración de hasta 1000 ppm.

Iones trazas u oligoelementos Aparecen en el agua en cantidades inferiores a 0.01 mg/l. Elementos como Hg, Cd, Cs, Bi o Ag, presentan valores entre 0.0001 y 0.001 ppm; Elementos como el Ra, presenta concentraciones menores a 10-10 ppm; Elementos como el Au, el Be o el Pt, presentan concentraciones inferiores a 10-5 ppm.

Caracteristicas fisico-quimicas del agua

Total de sólidos Disueltos (TSD)

Conductividad eléctrica CE Alcalinidad

Dureza

Temperatura

Demanda química de oxígeno (DQO) Demanda biológica de oxígeno (DBO)

pH

Total de sólidos Disueltos (TSD)

Se llama residuo seco al peso de los materiales que resultan de evaporar un litro de agua a 110° C (desaparecen volátiles) El total de sólidos disueltos es el peso de todas las sustancias disueltas en agua, sean o no volátiles.

Conductividad eléctrica CE

Aguas dulces: bicarbonatos y calcio Aguas saladas: Cl y Na

Es la capacidad del agua de conducir la corriente eléctrica y está en relación con la cantidad de iones disueltos que posee el agua. A mayor CE, mayores iones disueltos, mayor salinidad del agua.

Temperatura En Bahía Blanca la capa freática tiene 14°C. En profundidad aumenta según el gradiente geotérmico (1°C cada 33 metros de profundidad), aunque los gradientes anómalos indican aguas termales o hipertermales.

pH El agua subterránea tiene entre 6,5 y 8 de pH. Si es < a 6 es un agua que disuelve a la caliza´, típica de rocas volcánicas. Si el pH es mayor a 8, el agua es incrustante y tiende a precipitar carbonatos, características de aguas polucionadas.

Alcalinidad Es la capacidad que tiene el agua de neutralizar ácidos. Se mide en ppm de CO3Ca (calcita) o met/L. La alcalinidad se debe a los iones de CO3H- (bicarbonatos con pH 4,5-8,3), iones de CO32- (carbonatos a pH> 8,3) y en menor proporción OH-, silicatos, fosfatos, boratos, fluoruros, etc. Las aguas subterráneas tienen alcalinidades entre 100 y 400 ppm de calcita.

Dureza

La dureza es la capacidad que tiene el agua de producir incrustaciones. Está dada por la cantidad de alcalinotérreos disueltos, ppalmente Ca y Mg.

Aguas blandas<50ppm CO3Ca, Aguas duras>50ppm CO3Ca

Demanda química de Es la capacidad del agua de consumir oxígeno (DQO) oxidantes en procesos químicos. Unidades ppm O2 consumido. Se oxida el Fe, Ma, NH4+, m.o, etc. Si hay valores superiores a 10 ppm pueden indicar contaminación con materia orgánica (m.o)

Demanda biológica Cantidad de oxígeno en ppm necesaria para oxidar toda la materia orgánica contenida en de oxígeno (DBO) el agua mediante procesos biológicos aerobios en un lapso de 5 días. Valores superiores a 1 ppm indican contaminación biológica o abundancia de materia orgánica.

Mecanismo de ataque químico

a los minerales

Disolución Cuando una sal se disocia en iones. Ej: ClNa Cl- + Na+

Hidratación Consiste en la incorporación de una molécula de agua a la estructura de los cristales formando minerales de fórmula bien definida. Ej: anhidrita a yeso al incorporar 2 moléculas de agua al sulfato de calcio.

Hidrólisis Es la reaccion química entre el agua y el mineral en donde los iones protones (H+) y oxhidrilos(OH-) del agua actúan como reactivos químicos.

Red-Ox Óxido-Reducción participa en la solubilización de ciertas sustancias al producirse cambio de valencia.Ej: en la oxidación, el ion ferroso (Fe++) incorpora agua y se convierte en hidróxido. En la reducción se incorporan H+ y libera agua.

Cambios de pH Procesos biológicos Las bacterias y otros organismos vivos, liberan ácidos o consumen oxígeno dando lugar a procesos de cambio de pH o de óxido-reducción. Las bacterias sulfo-reductoras reducen los sulfatos al consumir O2 liberando el anión S2- y dando acidez al medio (bajo pH)

Tienen que ver con la alcalinidad y acidez del agua.

Procesos de sorción Actúa el intercambio iónico. Las arcillas son en general las que intercambian, aunque también lo hacen los ácidos húmicos, m.o, etc. Estas liberan Ca, Mg y Na reteniendo el K+. Las arcillas de origen marino liberan Na y retienen Ca y Mg generando un agua más blanda o con menos contenido de Ca y Mg.

Indice de desequilibrio entre cloruros y alcalinos (icb) Este índice permite cuantificar el intercambio catiónico. Se determina asi:

i.c.b= rCl – r (Na + K) rCl en donde r= concentración en meg/L.

Si hay ablandamiento, es decir, aporte de Na y merma de Ca y Mg, el índice tiende a disminuir y se hace negativo.

Concentraciones y precipitaciones Cuanto mayor tiempo de o tenga el agua con el sedimento, su poder de disolución de sales aumenta, hasta que el agua se satura en alguna de sus sales (alcanzando el producto de solubilidad Ks), se sobresatura y precipita alguna sal. Al aumentar la salinidad en el agua, aumenta la fuerza iónica de la solución y aumentando a su vez su capacidad de disolución. En síntesis podemos decir que: > salinidad > fuerza iónica > disolución La posibilidad que se produzcan procesos de disolución, intercambio iónico, etc aumenta cuando la porosidad de las rocas y la superficie son mayores. El orden de precipitación de sales es: primero los carbonatos de Ca y Mg, y luego los sulfatos de calcio.

Equilibrio de los carbonatos: es una serie de reacciones químicas que se producen en el agua en donde intervienen especies iónicas del carbono disueltas en el agua donde los cambios de la temperatura en el agua y de la presión del CO2 producen la precipitación o disolución de carbonatos principalmente carbonato de calcio.

En la próxima presentación los siguientes temas:  Toma de muestras  Radioquímica  Mineralización del agua subterránea  Procesos y mecanismos que afectan el agua subterránea

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“Como el ciervo brama por las corrientes de las aguas, asi clama por ti, oh Dios, el alma mia” Salmos 42.1 Sin Cristo, el alma humana esta vacía e insatisfecha, nada la sacia