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Técnicas Isotópicas en Estudios de Hidrología y Trazadores del Agua
Ingº Carlos Sebastián Calvo
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ELEMENTOS E ISÓTOPOS Tabla Periódica
Carta de Nucleideos
Media-vida 1 – 10 dias 10-100 dias
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LÍMITE ANUAL DE DOSIS PARA LA POBLACIÓN EN GENERAL
1mSv/año
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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.
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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.
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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.
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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
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TIPOS DE TRAZADORES Trazadores químicos iónicos Colorantes Elementos activables por irradiación
con
neutrones
Radioisotopos
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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
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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
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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
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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
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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.
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ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL HIDROGENO Protio
Deuterio
Tritio
1P 2N
1P 1N
H1
H2
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1P 3N
H3
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ISOTOPOS DEL AGUA: ISOTOPOS DEL OXIGENO
8P 8N
O16
8P 9N
O17
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8P 10N
O18
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ALGUNOS ISOTOPOS ARTIFICIALES H3 (Tritio) I131 Tc99 Au198 Co60 Cs137
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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
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CARACTERIZACION ISOTOPICA DE MASAS DE AGUA
Aguas de mar Aguas de lagos Aguas de ríos Aguas de manantiales Aguas de lluvia de diversas altitudes
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CICLO HIDROLOGICO condensación Condensación y precipitación Evaporación de océano
transpiración de la vegetación
Evaporación de lagos, ríos etc.
Evaporación del suelo
infiltración
escorrentía océano
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Napa freática
Flujo de agua subterránea
AGUAS SUBTERRANEAS.-ACUÍFERO LIBRE IPEN : Trabajando en las fronteras de la ciencia
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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
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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
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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
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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
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estan
implicados
grandes
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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
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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.
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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
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Determinación de flujos volumétricos mediante intección instantánea de radiotrazador
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Determinaci贸n de flujos volum茅tricos mediante inyecci贸n continua de radiotrazador
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Sistema multisonda de adquisici贸n de datos utilizado
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Instituto Peruano de Energía Nuclear PREPARANDO EL USO DE TRAZADORES ARTIFICIALES PARA AFOROS EN AGUAS SUPERFICIALES
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Instituto Peruano de Energía Nuclear APLICACIONES DE TRAZADORES RADIOACTIVOS ARTIFICIALES Y FLUORESCENTES (I-131, Au-198, Rodamina y Uranina)
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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
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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
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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
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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
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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
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Instituto Peruano de Energía Nuclear TRABAJOS EN POZO UNICO PARA ESTUDIOS EN AGUAS SUBTERRÁNEAS.-MUESTREO PARA DATACION POR CARBONO 14
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Instituto Peruano de EnergĂa Nuclear CASO: DETERMINACION DE ORIGEN DE FILTRACIONES
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Instituto Peruano de EnergĂa Nuclear CASO: EVALUACION DE POTENCIALES GEOTERMICOS
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Instituto Peruano de EnergĂa Nuclear CASO: EVALUACIONES EN LAS PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
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Instituto Peruano de Energía Nuclear CASO: EVALUACION DE BATERIA DE DESARENADORES EN PLANTAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
1
2
3
4
5
6
7
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8
9
10
11
12
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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
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1000
1500 2000 T ime (s) Diapositiva 44 de 57 IPEN, Octubre de 2014
Instituto Peruano de Energía Nuclear FLOCULADORES HIDRÁULICOS EVALUADOS CON TRAZADORES
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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
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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
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N° 4
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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
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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
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Evaluaci贸n de laguna de oxidaci贸n con radiotrazadores 8m 6
4
1
2
5
15m
101m
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3
10m
15m
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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
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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
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Instituto Peruano de Energ铆a Nuclear Inyecci贸n de trazador para mediciones de declinaci贸n bacteriana
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Instituto Peruano de EnergĂa Nuclear Toma de registros de contaje
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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
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Gracias www.ipen.gob.pe Telf. 4885050 anexo 243
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