Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y Trazadores del Agua

Instituto Peruano de Energía Nuclear

Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y Trazadores del Agua

Ingº Carlos Sebastián Calvo

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 1 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

ELEMENTOS E ISÓTOPOS Tabla Periódica

Carta de Nucleideos

Media-vida 1 – 10 dias 10-100 dias

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 2 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

LÍMITE ANUAL DE DOSIS PARA LA POBLACIÓN EN GENERAL

1mSv/año

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 3 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

CONCEPTO DE TRAZADOR Un trazador consiste en una sustancia o medible que se incorpora a un sistema y del que se espera proporcionar谩 informaci贸n acerca del comportamiento de dicho sistema. Con el fin de lograr este objetivo, tiene que establecerse (o suponerse) una relaci贸n entre el trazador y el sistema involucrado.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 4 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES EN HIDROLOGIA 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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 5 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear EXPERIENCIAS CON TRAZADORES ARTIFICIALES

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 6 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 7 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES DEL AGUA 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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 8 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TIPOS DE TRAZADORES  Trazadores químicos iónicos  Colorantes  Elementos activables por irradiación

con

neutrones

 Radioisotopos

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 9 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES QUIMICOS IONICOS MAS UTILIZADOS: ION CLORURO 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 IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 10 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES: COLORANTES 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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 11 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES FLUORESCENTES (Cont.)

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 IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 12 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES OBTENIDOS EN UN REACTOR NUCLEAR  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 IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 13 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 14 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL HIDROGENO Protio

Deuterio

Tritio

1P 2N

1P 1N

H1

H2

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

1P 3N

H3

Diapositiva 15 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL OXIGENO

8P 8N

O16

8P 9N

O17

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

8P 10N

O18

Diapositiva 16 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

ALGUNOS ISOTOPOS ARTIFICIALES H3 (Tritio) I131 Tc99 Au198 Co60 Cs137

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 17 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

EFECTO DE LA ALTITUD EN LA CONCENTRACION ISOTOPICA

En aguas de lluvia, la concentraci贸n isot贸pica del H2 y O18 disminuyen con la altitud a la que se produce la lluvia

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 18 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

CARACTERIZACION ISOTOPICA DE MASAS DE AGUA

Aguas de mar Aguas de lagos Aguas de ríos Aguas de manantiales Aguas de lluvia de diversas altitudes

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 19 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

CICLO HIDROLOGICO condensación Condensación y precipitación Evaporación de océano

transpiración de la vegetación

Evaporación de lagos, ríos etc.

Evaporación del suelo

infiltración

escorrentía océano

acuífero IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 20 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear Infiltración y recarga

Napa freática

Flujo de agua subterránea

AGUAS SUBTERRANEAS.-ACUÍFERO LIBRE IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 21 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

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

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 22 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES VENTAJAS DE LOS TRAZADORES RADIACTIVOS  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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 23 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO 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 IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 24 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

TRAZADORES RADIACTIVOS ARTIFICIALES: TRITIO (Cont.)

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 volúmenes de agua

duracion

donde

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

estan

implicados

grandes

Diapositiva 25 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

CARACTERISTICAS LUEGO DE LAS EXPERIENCIAS CON TRAZADORES DEL AGUA

    

   

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 IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 26 de 57 IPEN, Octubre de 2014

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

Diapositiva 27 de 57 IPEN, Octubre de 2014

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

Diapositiva 28 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

Determinación de flujos volumétricos mediante intección instantánea de radiotrazador

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 29 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

Determinaci贸n de flujos volum茅tricos mediante inyecci贸n continua de radiotrazador

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 30 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

Sistema multisonda de adquisici贸n de datos utilizado

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 31 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear PREPARANDO EL USO DE TRAZADORES ARTIFICIALES PARA AFOROS EN AGUAS SUPERFICIALES

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 32 de 57 IPEN, Octubre de 2014

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

Diapositiva 33 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

ALGUNOS CASOS DE ESTUDIO CON TRAZADORES CASO: DETERMINACIÓN DE VELOCIDADES Y DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS SUBTERRÁNEAS

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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 34 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear

DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS SUBTERRÁNEAS (Cont.)

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.

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 35 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear Pozo.- Vista en corte para determinar velocidades y direcciones de flujo de aguas subterráneas NIVEL SUPERFICIE

NF

TRAZADOR

Malla metálica

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 36 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear DETERMINACIÓN DE DIRECCIONES DE FLUJO EN AGUAS SUBTERRÁNEAS

POZO - VISTA EN PLANTA PARED DEL POZO

AREA OCUPADA POR TRAZADOR ( Después de transcurrido el tiempo t )

MALLA METALICA

AREA OCUPADA POR EL TRAZADOR (Al momento de la inyección t = 0) DIRECCION DE FLUJO DEL AGUA SUBTERRANEA

SECTOR DE LA MALLA IMPREGNADA CON MAYOR CANTIDAD DE TRAZADOR

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 37 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear VELOCIDAD Y DIRECCION DE FLUJO EN POZO UNICO DE AGUAS SUBTERRANEAS Control del uso y ocupación del suelo en relación al pozo ZONA DE CAPTURA POZO DIVISOR DE DRENAJE

FLUJO SUBTERRANEO





PERÍMETRO INTERNO PERÍMETRO INMEDIATO IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 38 de 57 IPEN, Octubre de 2014

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

Diapositiva 39 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear CASO: DETERMINACION DE ORIGEN DE FILTRACIONES

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 40 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear CASO: EVALUACION DE POTENCIALES GEOTERMICOS

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 41 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear CASO: EVALUACIONES EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 42 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear CASO: EVALUACION DE BATERIA DE DESARENADORES EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA

1

2

3

4

5

6

7

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

8

9

10

11

12

Diapositiva 43 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear Evaluación de desarenadores en plantas de tratamiento de agua (Curvas de respuesta de los desarenadores 4 y 5) 300

250

T ank N°4 T ank N°5

E(t)

200 150 100 50 0 0

500

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

1000

1500 2000 T ime (s) Diapositiva 44 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear FLOCULADORES HIDRÁULICOS EVALUADOS CON TRAZADORES

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 45 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear CASO: EVALUACION DE BATERIA DE FLOCULADORES HIDRAULICOS EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA

Outlet: Clear water

Outlet: Clear water

N°1 N°4

N°2

N°3

Inlet: Water with a suspension of flocs IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 46 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear CASO: EVALUACION DE CLARIFICADOR EN PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUA N° 1

N° 2

N° 6 N° 5

N° 3

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

N° 4

Diapositiva 47 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energía Nuclear RTD de las curvas obtenidas en las diferentes salidas del clarificador 5.E-04

E(t) 4.E-04

Outlet N°1 Outlet N°2

3.E-04

Outlet N°3 Outlet N°4

2.E-04

Outlet N°5 1.E-04

Outlet N°6

0.E+00 0

2000

4000

6000

8000

10000

Time (s) IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 48 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

Comparaci贸n entre la RTD experimental y la simulaci贸n obtenida con el modelo representado 5.E-05 Experiment

4.E-05 E(t)

Model 3.E-05 2.E-05 1.E-05 0.E+00 0

20000

40000

60000

80000

T ime (s) IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 49 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear

Evaluaci贸n de laguna de oxidaci贸n con radiotrazadores 8m 6

4

1

2

5

15m

101m

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

3

10m

15m

Diapositiva 50 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

Tiempo de Residencia en Laguna de Oxidacion UNITRAR 350 300

cps

250 200 150 100 50 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

tie mpo, horas

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 51 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear Laguna de Oxidaci贸n UNITRAR - Isorradas de I-131 a 2 hr 50

45

40

3300 3100 2900

35

2700

Distancia, m

2500 30

2300 2100 1900

25

1700 1500 1300

20

1100 900

15

700 500 300

10

100 5

0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Distancia, m

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 52 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear Inyecci贸n de trazador para mediciones de declinaci贸n bacteriana

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 53 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear Toma de registros de contaje

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 54 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 55 de 57 IPEN, Octubre de 2014

673500

673000

672500

672000

671500

671000

670500

670000

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

9151500

9151500

9151000

9151000

9150500

9150500

9150000

9150000

CHATA

673000

673500

PUNTO DE INYECCION DE IODO 131

9149500

9149500

INSTITUTO PERUANO DE ENERGIA NUCLEAR

672500

672000

671500

671000

670500

670000

PUERTO MALABRIGO - CHICAMA - TRUJILLO

Caso: Mapeo de la descarga de aguas residuales industriales IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 56 de 57 IPEN, Octubre de 2014

Instituto Peruano de EnergĂ­a Nuclear

Gracias www.ipen.gob.pe Telf. 4885050 anexo 243

IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia

Diapositiva 57 de 57 IPEN, Octubre de 2014