ES2277547A1 - Procedimiento de confinamiento de contaminantes presentes en el medio acuatico y dispositivo para su realizacion. - Google Patents
Procedimiento de confinamiento de contaminantes presentes en el medio acuatico y dispositivo para su realizacion. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento de confinamiento de contaminantes presentes en el medio acuático y dispositivo para su realización. Consistente en cubrir un contaminante (1) mediante el vertido de un material confinante (7), de la siguiente manera; I) Medición in situ, o documentación, de las corrientes superficiales y profundas y consideración de eventos esporádicos tales como tormentas, que se producen en el área de emplazamiento del contaminante (1) a cubrir. II) Selección del tamaño mínimo de grano del material confinante (7). III)Determinación de la cantidad de material confinante(7). IV) Depósito sobre la fuente de contaminación del material confinante (7) constituido por al menos una capa continua de arcilla sepiolita (2), con un contenido en mineral de sepiolita entre el 25 y el 100%. Adicionalmente, puede depositarse una capa de un material granular (3), suponiendo hasta un 99 % en peso del material confinante (7). El dispositivo incorpora un tubo rígido (5) que puede prolongarse en un tubo flexible(10) dividido en secciones separadas por anillos metálicos (9) soportados por un cable de acero (8).
Description
Procedimiento de confinamiento de contaminantes
presentes en el medio acuático y dispositivo para su
realización.
La presente invención se enmarca dentro del
campo técnico de productos, sistemas y métodos para el aislamiento o
confinamiento de residuos y contaminantes de cualquier tipo
presentes en medios acuáticos, y mas concretamente al depósito de un
material confinante, conteniendo sepiolita, para formar una barrera
para el confinamiento y aislamiento de buques naufragados con
material contaminante en sus bodegas o depósitos, o bien bidones de
residuos presentes en el mar, independientemente de su profundidad.
Asimismo, es de utilidad para el confinamiento de contaminantes
dispersos en sedimentos o lodos, ya sean radionucleidos, metales
pesados, derivados del petróleo o contaminantes orgánicos,
existentes en medios acuáticos naturales y artificiales de agua
dulce, salobre o salada.
El aislamiento y confinamiento de residuos es
una necesidad importante en la moderna sociedad industrial. La
utilización de arcillas para el confinamiento de residuos
radiactivos en el campo próximo es un área de investigación
ampliamente desarrollada en el entorno del Almacenamiento Geológico
Profundo (ENRESA, 1995). En este caso el empleo de bentonita ha sido
objeto de reiterado estudio por diferentes grupos de investigación.
Sin embargo, el alto precio de dicha arcilla la convierte en poco
práctica para aplicaciones donde se requieran grandes cantidades de
material, además dependiendo de su composición mineralógica, algunas
especies no son estables en agua salada.
La sepiolita es un mineral natural (silicato de
magnesio hidratado), cuya fórmula química se corresponde con:
Mg_{8}Si_{12}O_{30}(OH)_{4}(OH_{2})_{4}
8H_{2}O. Entre otras propiedades se caracteriza por poseer una
elevada capacidad de absorción/adsorción, debida a su elevada
superficie específica (superior a la superficie específica que
presentan otras arcillas) pero con estabilidad de volumen, lo que le
permite su aplicación en aplicaciones en contacto con agua en las
que mantendrá estable su estructura y características. Se emplea a
escala industrial, en medios terrestres, en la absorción de
contaminantes tanto líquidos como sólidos o gaseosos, tal como ha
sido descrito en los documentos EP 0717928, ES 8603358, ES 2005754,
y WO 95/19326. Absorbe eficazmente contaminantes tales como metales
pesados (Li et al., 2003; Kara et al., 2003, Andrade
et al., 2005), contaminantes presentes en derivados del
petróleo (Lázaro et al., 2000) y radionucleidos (Dultz et
al., 2005).
Este arcilla se comercializa en agregados de
casi cualquier tamaño de grano, lo que permite seleccionar el tipo
de grano más adecuado a la aplicación deseada.
En el tratamiento de contaminantes dispersos en
medio acuoso poco profundo (mares, lagos o embalses), los sedimentos
contaminados pueden producir efectos tóxicos en la vida acuática
tales como cáncer en peces expuestos a hidrocarburos policíclicos
aromáticos (PAH) o en sus predadores, entre ellos el hombre. En la
actualidad en este tipo de medios acuáticos someros se emplea la
metodología de "capping". Esta consiste en el recubrimiento de
los sedimentos contaminados por una fina capa de arena, del orden de
20 cm, e incluso el empleo de geotextiles o films biodegradables,
tal como se describe en el documento JP2004092244. Este método ha
sido y es aplicado por países como Estados Unidos y Japón y cuenta
con protocolos y procedimientos establecidos (Palermo et al.,
1998). El método de capping con arena cuenta con la ventaja de un
bajo precio, pero tiene un grave inconveniente, la nula absorción de
los contaminantes en caso de lixiviación de los mismos, lo cual le
convierte en un recubrimiento que requiere mantenimiento y
observación regular de su estado (Palermo et al., 1998).
En el documento US 5115751 A se describe un
método y el dispositivo necesario para disponer residuos en medios
acuáticos. El documento US 6290637 describe un procedimiento basado
en un mineral que contiene fosfato para el aislamiento de
contaminantes. Por su parte el documento US 5502268 describe empleo
de un material poroso como cubierta continua; pero indica la
necesidad de utilización de un reagente de sellado de poros.
En ninguno de los documentos citados se utiliza
arcilla sepiolita como material confinante.
Por otro lado, en cuanto a buques naufragados en
los fondos marinos con cargas contaminantes peligrosas, hay dos
bases de datos llamadas AMIO (Atlántico) y WWII SPREP (Guerra del
Pacifico), que proporcionan el inventario geográfico de pecios. Sólo
la II Guerra Mundial produjo 7.807 naufragios, de los cuales 861
fueron cargueros y petroleros. Hay 3.000 pecios en el Atlántico
Norte, debido a la Batalla del Atlántico y 305 pecios en el
Mediterráneo (de ellos, 19 petroleros) debido a la guerra.
Estos pecios representan un peligro potencial
debido a diversas causas (Monfils, 2005); llevan 60 años expuestos a
condiciones de deterioro bajo el mar; el casco fue deteriorado
inicialmente por explosiones, presentan el casco deformado por las
grandes presiones, están sufriendo diferentes esfuerzos sobre el
casco debido a la evolución de los sedimentos que se depositan sobre
ellos, han sufrido previsiblemente oxidación y reacciones
electroquímicas en el casco, el óxido de hierro ocupa más volumen
que el hierro, expandiendo el metal y añadiendo esfuerzos que pueden
hacer reventar válvulas y otros elementos contenedores del petróleo
almacenado, muchos de estos pecios contienen, no petróleo, pero sí
munición, minas, explosivos, cargas de profundidad, y agentes
químicos (como fósforo y gas mostaza), a menudo hundidos después de
la guerra como solución definitiva para gestionarlos. Muchos de
estos elementos aparecen en las redes de pesca de cuando en
cuando.
Numerosos pecios de petroleros con su
contaminante carga se encuentran diseminados por el fondo oceánico,
entre ellos el petrolero Prestige, y otros muchos buques se hundirán
en los próximos años con cargas potencialmente contaminantes. Puesto
que la experiencia demuestra que no es posible la extracción total
de la carga cuando se trata de derivados del petróleo (Marcos et
al., 2004), no existe, hasta la fecha, una solución óptima. La
extracción del petróleo, además de tener un elevado coste, deja en
el pecio del petrolero entre un 10 y un 40% de la carga contaminante
inicial del barco (Cedre, 2002). El recubrimiento con hormigón,
utilizando cementos especiales, tan solo permite solventar el
problema durante unos 50 años hasta que el hormigón se agrieta. Este
fue el caso del petrolero Pallas, hundido en aguas alemanas, que
tras la extracción de todo el petróleo posible fue confinado con un
hormigón especial resistente a la corrosión que produce el agua
salada. La problemática ha llevado a que numerosos gobiernos, en
tiempos recientes, hayan decidido no hacer nada con el pecio, tal
como ha ocurrido en el caso del Nadhodka (Japón) y simplemente se
espera a que se descargue poco a poco la carga contaminante. El
problema de esta clase de decisiones es que el riesgo de que la
contaminación llegue a las costas se mantiene durante muchos años y
esto lo que hace es derivar el problema a las generaciones futuras
(con un máximo de riesgo a los entre 25 y 50 años después del
hundimiento).
Otras soluciones aplicadas a pecios de
petroleros hundidos como la bio-remediación son
métodos que pueden servir en la regeneración de playas, pero son
inútiles en su aplicación a petróleos que se encuentran formando
capas gruesas, ya que la actividad de estas bacterias depende de la
cantidad de oxigeno disuelto y de la temperatura para realizar su
labor biodegradante, por lo que sólo degradan la capa superficial de
petróleo. Por ello, las bajas temperaturas presentes en los fondos
marinos las hacen poco activas.
Además, las bacterias una vez realizado su
trabajo, constituyen por si mismas un nuevo residuo todavía no muy
estudiado y al que no se le ha dado una solución definitiva.
Otros buques, submarinos nucleares, se han
hundido como consecuencia de accidentes o daños importantes en su
estructura. En la actualidad hay seis submarinos nucleares que yacen
en el fondo del océano. Dos de procedencia americana (USS Thresher y
USS Scorpion) hundidos por accidente y cuatro de procedencia
soviética (K-8, K-219,
K-278 Komsomolets y K-27), tres
hundidos por accidente y el Komsomolets hundido como práctica de
gestión decidida por el gobierno soviético, que se encuentra en el
mar de Kara (Sivintsev and Chernajaev, 1998). El reactor de un
submarino nuclear representa aproximadamente un 7% de su volumen
total y en el reactor se encuentra el 95% de la contaminación
radiactiva del submarino en forma de residuos líquidos y sólidos.
Cuando se extrae, en operaciones de desmantelamiento en tierra, el
combustible gastado del reactor, cada tonelada del combustible
contiene entre 950 y 980 kg de ^{238}U, entre 5,5 y 9.6 kg de
plutonio y pequeñas cantidades de isótopos emisores alfa (neptunio,
americio, curio y otros elementos transuránidos). En el caso del
submarino Komsomolets, se hundió con una actividad total de 19.54
PBq (Sivintsev and Chernajaev, 1998). El reflotado de estos buques
submarinos es imposible en la actualidad, por lo que la
radiactividad que contienen permanece en el fondo del mar y se
liberará cuando se produzca la corrosión del casco.
Otros contaminantes presentes en el fondo marino
son los derivados del "dumping" de residuos radiactivos. La
disposición de bidones con contenido en radiactividad (dumping) se
ha realizado en las fosas marinas desde los anos cincuenta hasta el
año 1975 en que entró en vigor el protocolo de Londres. Debido a
vertidos anteriores a la entrada en vigor de dicho Protocolo, en el
Atlántico noroeste (IAEA, 1999), se concentran en la actualidad 15
emplazamientos que contendrían una actividad total de 42,32 PBq. Los
bultos diseñados para disposición en el fondo marino no se diseñaron
para el almacenamiento de los residuos a largo plazo. Por ejemplo,
los residuos envasados por agencias británicas se disponían en
bidones metálicos (con este método se han vertido 74.000 toneladas
de residuos en el océano Atlántico). La estrategia seguida, en aquel
tiempo, era esencialmente dispersiva, no orientada al confinamiento;
los bultos se diseñaban y producían para soportar el impacto y la
presión existente a profundidades que debían alcanzar al menos 4.000
m. El Protocolo de Londres reconoce que el vertido de residuos es
responsable de provocar peligros a la salud, dañar a los organismos
marinos e interferir con otros usos legítimos del mar, por lo que
prohibió dicha práctica de gestión.
Dados estos antecedentes, entre 30 y 60 años
después, la corrosión sufrida por los bidones debe ser importante y
probablemente se estén liberando radionucleidos al océano. Esto se
confirma en estudios científicos realizados por otros autores
(Povinec et al., 2000) que detectan niveles de radiactividad
de ^{14}C y ^{129}I anormalmente altos en aguas atlánticas, y
^{239+240}Pu en sedimentos del mar de Kara (Oughton et al.,
2004), en ambos casos en las cercanías de lugares de disposición de
residuos.
En resumen, existen sistemas de gestión de
contaminantes para aguas poco profundas, que requieren mucho
mantenimiento y son poco eficaces en la retención de metales
pesados. Y, no existe una solución definitiva para gestionar
contaminantes presentes en aguas profundas. Por tanto es necesario
contar con un sistema de confinamiento económicamente viable y
definitivo, para no derivar los problemas generados por la
contaminación a las generaciones futuras. Ambos tipos de problemas
se solucionan con nuestra invención.
El sistema de confinamiento de la invención se
caracteriza por contener al menos una capa de arcilla con un
contenido en mineral de sepiolita variable entre el 25 y el 100%, y
preferiblemente superior al 40%. Dicha arcilla sepiolita representa
del 1 al 100% del volumen total de material confinante y puede ser
la arcilla sepiolita natural o arcilla sepiolita modificada por
tratamientos diversos, tales como tratamientos térmicos, de ataque
ácido, etc.
El citado sistema se construye depositando una o
varias capas preferiblemente continuas de sepiolita y puede
completarse con otras capas de arena, grava, otras arcillas u otros
materiales granulares o utilizar sólo sepiolita, que formarían en su
conjunto el material confinante. Describiremos uno o más métodos de
depósito dependiendo de las características del objetivo a cubrir
(foco de contaminación) y del entorno en que dicho objetivo
se
encuentra.
encuentra.
El aislamiento como práctica final de gestión de
focos de contaminación (pecios y submarinos nucleares hundidos,
bidones de residuos o contaminantes dispersos) presentes en medios
acuáticos a distintas profundidades no es un problema resuelto en la
actualidad. En el caso concreto de contaminantes dispersos en
sedimentos en aguas someras, existe una solución parcial consistente
en el recubrimiento con arenas, ya que la arena representa una
barrera física a la diseminación, pero no puede actuar como barrera
total debido a su alta permeabilidad (los contaminantes migran a
través de ella), requiriendo además de vigilancia constante. Los
buques hundidos y bidones de residuos no se gestionan adecuadamente
para obtener una solución definitiva no contaminante, por motivos
técnicos, tales como; la profundidad y el estado en que se
encuentran que impide el reflotado, la ineficacia de la extracción
del petróleo y de la bio-remediación en el caso de
petroleros hundidos, o el agrietamiento de hormigones (dispuestos
sobre buques hundidos) que se produce tras la exposición de éstos a
la corrosión del agua marina.
Todo esto hace necesario un nuevo planteamiento
para la gestión de estos focos de contaminación. En la presente
invención se define un sistema de confinamiento que solventa estos
problemas, dado que nuestro sistema de confinamiento se puede
utilizar para aislar focos de contaminación situados tanto en aguas
superficiales como en aguas profundas. Mejora la técnica actual para
aguas superficiales porque la barrera que forma nuestro confinante
depositado sobre un buque hundido no se agrieta con el paso del
tiempo y evita la progresión de la corrosión del casco aislándolo
eficazmente del medio circundante. En el caso de contaminantes
dispersos en sedimentos, nuestro confinante, de baja permeabilidad,
retiene los contaminantes dentro de su estructura. En el caso de
aguas profundas, es capaz de alcanzar el objetivo a la profundidad a
que éste se encuentre y es mucho más económico que la extracción
parcial de la carga contaminante o el reflotado del buque o
bidón.
El referido sistema de confinamiento, objeto de
esta patente, se basa en el depósito de al menos una capa
preferiblemente continua de sepiolita de tamaño de grano adecuado a
la aplicación que se va a realizar. Este sistema de confinamiento se
puede complementar con el depósito de otros materiales granulares
(otras arcillas, arenas, gravas, mezclas de material granular, etc)
con el fin de abaratar costes económicos. Los materiales utilizados
(sepiolita y/o mezclas de ésta con otros materiales) los
denominaremos "material confinante". La ventaja del sistema de
confinamiento consiste en aislar físicamente el foco de
contaminación u objetivo del agua circundante y evitar además los
procesos de oxidación/corrosión, debido a que la sepiolita
depositada sufre un proceso de consolidación que expulsa los gases y
el agua existentes en contacto con el foco de contaminación. Se han
obtenido coeficientes de consolidación de la sepiolita en ensayos de
laboratorio de 2,9\cdot10^{-9} m^{2}/s.
A partir de la experimentación realizada y de
los datos obtenidos de la bibliografía se obtienen las
características de la actuación de la sepiolita (confinante) como
barrera a la migración de contaminantes a corto, medio y largo
plazo. Estas son:
- \bullet
- Estabilidad química en aguas dulces o saladas, sencilla de moler industrialmente en tamaños y formas muy variadas.
- \bullet
- Ausencia de disgregación en el proceso de depósito.
- \bullet
- Formación de pendientes de depósito estables, en agua dulce y salada, con valores angulares entre 18 y 40º, dependientes del tamaño de grano empleado (0.5 a 6 mm de diámetro).
- \bullet
- Resistencia a la erosión de la cubierta de sepiolita que forma parte del sistema de confinamiento en el medio acuático, determinada por el tamaño de grano utilizado.
- \bullet
- Consolidación con el paso del tiempo, lo que hace que se reduzca su permeabilidad natural hasta valores muy bajos, efecto que impide la difusión de los contaminantes hasta el medio acuático; mientras esté consolidándose existirá un flujo neto de salida de gases y agua hacia fuera del casco o bidón lo que impide la progresión de la corrosión en el objetivo cubierto.
- \bullet
- Absorción eficaz, debido a su alta superficie específica, de contaminantes tales como metales pesados, derivados del petróleo y radionucleidos.
El método de depósito del material confinante
sobre el objetivo a cubrir (foco de contaminación) diferirá
dependiendo de la profundidad a que se encuentre dicho objetivo y
de la necesidad o deseo de utilizar otros materiales granulares
formando parte del confinante para construir el sistema de
confinamiento. El objetivo a cubrir puede ser pecios o submarinos
hundidos, bidones de residuos, contaminantes dispersos presentes en
sedimentos, o cualquier otra forma de contaminación presente en el
medio acuático.
Un posible procedimiento a seguir para construir
el sistema de confinamiento es el siguiente:
- (i)
- Medición in situ o documentación de las corrientes superficiales y profundas y consideración de eventos esporádicos tales como tormentas, que se producen en el área de emplazamiento del objetivo a cubrir.
- (ii)
- Selección del tamaño mínimo de grano del material confinante, que será dependiente de la velocidad de las corrientes superficiales y profundas existentes en el área de emplazamiento del objetivo a cubrir. En cada caso, habrá que estudiar si el objetivo a cubrir está en zona de ondas internas y cuál es el orden de magnitud del esfuerzo en ese fondo, antes de deducir el tamaño de grano adecuado. Un valor de referencia para el esfuerzo en un fondo típico con una corriente de algunos cm s^{-1} es de 0,001 N m^{-2}. Estos datos se obtienen para una arcilla sepiolita de densidad 2,6 veces la del agua.
- El esfuerzo provocado por las corrientes de agua en el fondo, aumenta si hay ondas internas hasta ser del orden de los 2 N m^{-2}. Por ello, en cada caso, habrá que estudiar si es zona de ondas internas y cual es el orden de magnitud del esfuerzo en ese fondo, antes de deducir el tamaño de grano adecuado que, en este último caso tendría que ser de unos 5 o 6 mm al menos.
- Más concretamente, el esfuerzo \tau (N m^{-2}) que una corriente produce en el fondo es una función de la velocidad de la corriente, de la cantidad de energía cinética turbulenta que inicialmente transporta y del tamaño y distribución de las rugosidades (o granos) del fondo. Es aconsejable medir el esfuerzo empíricamente pero, como referencia, en una corriente poco turbulenta como es lo habitual en un fondo marino, la velocidad de fricción v* es del orden de 3/100 v o menor, donde v es la velocidad de la corriente, en fondos poco rugosos, o del 10 al 15% de v en sustratos rugosos. En nuestro caso, donde la rugosidad vendrá determinada por la propia capa de sepiolita, el valor de v* estará previsiblemente más cerca del primer valor que de los últimos. Para calcular el esfuerzo \tau se empleará: \tau = \rho (v*)^{2}, donde \rho es la densidad del agua marina, y v* es la velocidad de fricción medida. Un valor de v típico para un fondo marino es de 2 cm s^{-1}.
- El valor de esfuerzo medido deberá ser comparado a continuación con el esfuerzo critico, o esfuerzo por encima del cual las partículas de sepiolita pueden ser levantadas de su posición de equilibrio sobre el lecho. Una herramienta estándar para el cálculo de los esfuerzos críticos conociendo el diámetro y densidad de las partículas son los diagramas de Shields y Rouse (Kennedy, 1995; Guo, 1997). La tabla 1 muestra los esfuerzos críticos obtenidos del diagrama de Shields y Rouse para partículas de sepiolita de distinto tamaño de grano. El esfuerzo critico de las partículas del tamaño seleccionado deberá ser siempre superior al esfuerzo medido, en condiciones reales, en el fondo a tratar.
- El tamaño de grano determina también la pendiente que formará el confinante en la frontera del objetivo a cubrir. La tabla 2 hace referencia a la selección del tamaño de grano para depósitos a grandes profundidades
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- Para realizar un depósito a grandes profundidades es necesario determinar la velocidad de depósito para el tamaño de grano elegido, que se puede calcular resolviendo la siguiente ecuación:
\vskip1.000000\baselineskip
(1)w^{2}
\frac{\rho_{w}A}{2} \left(\frac{24}{Re} + \frac{6}{1 + \sqrt{Re}} +
0.4\right) = \frac{4}{3} \pi \left(\frac{D}{2}\right)^{3} (\rho_{s}
-
\rho_{w})gf
\vskip1.000000\baselineskip
- donde w (m s^{-1}) es la velocidad de depósito, D (m) es el diámetro de partícula, \rhos y \rhow (kg m^{3}) son las densidades de partícula y del agua respectivamente, A (m) es el área de la partícula en su máximo diámetro, g es la aceleración de la gravedad (9,81 m s^{-2}), Re es el número de Reynolds: Re = w D \rho_{w}/\mu, donde \mu = 0,001 kg m^{-1} s^{-1} y f es el factor de corrección de forma que tiene en cuenta la forma no completamente esférica de la partícula.
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
- (iii)
- Determinación de la cantidad mínima de material confinante (arcilla sepiolita) requerido para la construcción de la primera capa del sistema de confinamiento dependiendo del volumen de contaminante, de la geometría del objetivo a cubrir, de la presencia o no de organismos bioturbadores, así como de que el espesor y peso garanticen la consolidación y contrarresten las posibles fuerzas de flotación y de las cantidades necesarias de otros materiales granulares en caso de requerirse como parte del confinante.
- (iv)
- Depósito del material confinante. Situando uno o varios barcos en superficie que cuentan con sistemas de posicionamiento GPS (Global Positioning System) con la sepiolita cargada. La posición del objetivo a cubrir se puede detectar con un sónar de alta resolución u otros procedimientos con la necesaria preci- sión.
- En el caso de un objetivo situado a profundidades superiores a 100 m aproximadamente se deben completar los pasos i, ii, iii, y iv descritos anteriormente. Posteriormente, el depósito de la capa requerida de sepiolita se realizará con la ayuda de un tubo rígido de longitud mínima necesaria para evitar la dispersión del material por las corrientes superficiales. Este tubo será alimentado con el material confinante mediante tornillo sin fin, sistema de banda o cualquier otro procedimiento que sirva para desplazar grandes cantidades de material.
- En el caso de confinamiento de sedimentos con contaminantes dispersos o lodos contaminados en aguas someras (profundidades inferiores a 100 m aproximadamente), se deben completar los pasos i, ii, iii, y descritos anteriormente. Posteriormente, el depósito del material confinante se puede realizar utilizando un tubo de la longitud necesaria y un difusor sumergido o bien depositar desde la superficie siguiendo las técnicas convencionales existentes de emplazamiento de cubiertas subacuáticas (capping). La longitud y diámetro del tubo estarán determinados por la cantidad de material confinante que sea necesario depositar. La alimentación del material confinante se realizará como la descrita en el caso anterior.
- Para construir el sistema de confinamiento sobre objetivos en los que se desee utilizar, además de arcilla sepiolita, otros materiales granulares como parte integrante del confinante, para abaratar costes, o bien evitar la disgregación y subsiguiente dispersión de la sepiolita debido a las corrientes marinas, se deben completar las etapas i, ii, iii, y iv descritas anteriormente. Es necesario determinar un tamaño mínimo de grano del material confinante que soporte el esfuerzo critico que se produce en el fondo (véase tabla 1). Además, es necesario emplear un tubo rígido para soslayar el efecto dispersivo de las corrientes superficiales al que irá unido un tubo preferiblemente flexible perforado de material adecuado, de tal modo que sea permeable al agua pero no a los materiales granulares que formarán parte del material confinante. Este tubo flexible estará dividido en secciones sostenidas, cada una de ellas, por anillos metálicos. La longitud de cada sección dependerá de la resistencia del material del tubo y de las cargas a que el tubo sea sometido por el flujo de material confinante. Uno o varios cables de acero, amarrados en la superficie, sostendrán los anillos metálicos, aguantando la carga total a que se ve sometido el tubo. Las figuras 6-A y 6-B nos ayudarán a elegir el tubo y a determinar la tasa de depósito del material confinante.
Este sistema de confinamiento, económico y
abordable permite la creación de un recubrimiento "dinámico"
que expulsa el agua, oxígeno y dióxido de carbono contenidos en
ella y aisla el casco del pecio o el bidón de agentes oxidantes.
Además penetra en la estructura del casco o bidón, en caso de
presentar o abrirse una nueva grieta y evita por tanto que cualquier
tipo de contaminante alcance la columna de agua. La presente
invención combina, por lo tanto un material confinante y un sistema
de confinamiento inocuos, de alta eficacia y adaptable a muchos
casos, de sencilla aplicación, económica, segura en sus efectos a
corto, medio y largo plazo, ecológica y medioambientalmente
aceptable.
La figura 1 muestra la disposición final que se
pretende conseguir con el sistema de confinamiento.
La figura 2 muestra una observación
experimental, realizada con agua de mar sintética, de la ausencia de
disgregación de las partículas de sepiolita en el proceso de
sedimentación. Sedimentación mas tamizado en agua salina (curva a)
frente a tamizado en seco (curva b).
La figura 3 muestra el desarrollo del
procedimiento de depósito del material confinante, utilizando un
sistema de monitorización.
La figura 4A muestra una simulación (escalas en
metros) de la trayectoria de las partículas del material confinante
durante un proceso de depósito en el Atlántico noroeste, para una
profundidad de liberación de 100 m.
La figura 4B muestra una simulación (escalas en
metros) de la trayectoria de las partículas del material confinante
durante un proceso de depósito en el Atlántico noroeste, para una
profundidad de liberación de 1.000 m.
La figura 4C muestra una simulación (escalas en
metros) de la trayectoria de las partículas del material confinante
durante un proceso de depósito en el Atlántico noroeste, para una
profundidad de liberación de 2.500 m.
La figura 4D muestra una simulación (escalas en
metros) de la trayectoria de las partículas del material confinante
durante un proceso de depósito en el Atlántico noroeste, para una
profundidad de liberación de 3.500 m.
La figura 5 muestra el desarrollo del
procedimiento de depósito del material confinante, utilizando un
sistema de tubos.
La figura 6A muestra el flujo de agua para tubo
de 1 m. de diámetro, para c) 1.000, d) 2.000, o e) 3.000 m de
profundidad de la columna de agua.
La figura 6B muestra el flujo de sepiolita para
tubo de 1 m. de diámetro, para c) 1.000, d) 2.000, o e) 3.000 m de
profundidad de la columna de agua.
En la figura 1 se muestra la disposición foral
que se desea conseguir, en la que el contaminante (1) resulta
recubierto de una capa de sepiolita (2) sobre la que se dispone una
capa adicional de material granular (3).
A continuación se expondrán diversos ejemplos de
realización, no limitativos de su alcance:
El ejemplo uno se refiere al empleo de nuestra
invención en el confinamiento del pecio del petrolero
"Prestige" (objetivo a cubrir), para evitar la liberación del
petróleo que permanece en sus tanques (foco de contaminación). La
idea se basa en emular el efecto del sedimento marino en la
naturaleza, que protege eficazmente los objetos que cubre.
La proa del pecio, que consideraremos de
dimensiones largo: 121 m, ancho: 34 m y altura total: 18 m, se
localiza en el océano Atlántico con coordenadas N 42º10', W 12º04' a
una profundidad de 3.545 m. La misma idea puede utilizarse para
pecios situados en aguas más someras.
Aplicación del procedimiento a seguir para
construir el sistema de confinamiento:
- (i)
- Estudio de las corrientes marinas existentes en la vertical de la zona de hundimiento, velocidades y direcciones:
- 0 - 100 m: Agua superficial, con velocidades de corriente variables dependientes de los vientos locales.
- Por debajo de 100 m de profundidad las corrientes son estacionalmente estables.
- 100 m - 600 m: North Atlantic Central Water (NACW), velocidad 10 a 20 cm s^{-1} con direcciones variables N y S.
- 600 m - 1.400 m: Mediterranean Water (MW), típicamente 3 cm s^{-1} en dirección N con velocidades máximas de 8 cm s^{-1} a 1.150 m de profundidad
- 1.400 m - 2.500 m: Labrador Sea Water (LSW), velocidad de 2 cm s^{-1} en dirección N.
- 2.500 m - fondo del océano: North Atlantic Deep Water (NADW), velocidad de 1 cm s^{-1} en dirección NE.
- (ii)
- Selección del tamaño de grano mínimo de la sepiolita (véase tabla 2). Se optará por una arcilla cuyo diámetro mínimo de grano sea de 5,5 mm, necesario para alcanzar la velocidad de sedimentación requerida. Este tamaño de grano hace que la sepiolita presente pendientes subacuaticas estables entre 35 y 38º (datos experimentales).
- (iii)
- Determinación de la cantidad necesaria de sepiolita. Un valor típico de cubierta estaría entre 1 y 3 m. La curva de consolidación obtenida en nuestros laboratorios indica que una vez depositada la arcilla los 2 cm de material confinante en contacto con el casco del pecio se consolidarán en un periodo de tiempo inferior a 6 años si se cubre el objetivo con una capa de sepiolita de 2,5 m de espesor. El volumen de sepiolita confinante necesario es por tanto: 200.000 toneladas.
- (iv)
- Depósito del material confinante. En la figura 3 podemos ver la forma de disposición del aparataje necesario. Para ello emplearemos un barco (4) de varias hélices capaz de mantener una posición fija en la superficie oceánica controlada mediante, por ejemplo, GPS y con la ayuda de un sistema de monitorización (6). La posición del contaminante (1) a cubrir se detecta mediante un sónar de profundidad de alta resolución. El material confinante constituido en principio por sepiolita (2) se depositará desde el barco (4) con la ayuda de un tubo rígido (5) de, como mínimo, 100 m de longitud, con el fin de evitar las corrientes superficiales y la fuerte turbulencia de la capa de mezcla oceánica, que suele alcanzar los 100 m de profundidad. El tubo tendría un diámetro interior de unos 100 cm y con ayuda del sónar y el conocimiento de las corrientes estacionales se podrá posicionar el material en la profundidad pertinente. Las figuras 4-A, 4-B, 4-C y 4-D han sido obtenidas mediante un modelo estocástico de dispersión que incorpora la ley empírica de Okubo (1971) para difusividad oceánica horizontal dependiente de la escala. La trayectoria notablemente rectilínea de las partículas en la figura 4-D obedece a la baja turbulencia existente a altas profundidades en la escala de metros e inferior. Ello es una consecuencia notable de la fuerte estratificación del agua oceánica profunda, que hace posible en principio el depósito del material mediante un tubo que no esté en contacto directo con el pecio sino a una distancia del orden del kilómetro.
El material, una vez depositado, se consolidará
encima del casco y expulsará el agua y los gases en las cercanías
del mismo, evitando la corrosión de su superficie. Mientras la
sepiolita este consolidándose existirá un flujo neto de salida de
gases y agua hacia fuera del casco.
Nuestra invención, así como su modelo de
utilidad para buques sumergidos, aporta una solución "in
situ" a bajo coste y se basa en el confinamiento y
aislamiento del casco por un material que inhibe su corrosión y por
tanto la salida del petróleo al medio ambiente marino.
Este se refiere al empleo de la invención en el
aislamiento de focos de contaminación (pecios, buques submarinos
nucleares o bidones de residuos) situados a gran profundidad
(superior a 1.000 m en este caso ejemplo) sobre el lecho marino que
precisan de la construcción del sistema de confinamiento con
material confinante formado por sepiolita y otros materiales
granulares, con el fin de abaratar costes económicos. Suponiendo las
coordenadas del objetivo a cubrir al igual que en el ejemplo 1,
océano Atlántico con coordenadas N 42º10', W 12º04' y el objetivo a
cubrir de dimensiones: largo 121 m, ancho: 34 m y altura total: 18
m,
- (i)
- Estudio de las corrientes marinas existentes en la vertical de la zona de hundimiento, velocidades y direcciones: Datos ofrecidos en el ejemplo 1.
- (ii)
- Selección del tamaño de grano mínimo de la sepiolita (véase tabla 2). En este caso el tamaño de grano se seleccionará dependiendo de la pendiente que sea necesario alcanzar para cubrir el objetivo.
- (iii)
- Determinación de la cantidad de sepiolita requerida para la construcción de la primera capa del sistema de confinamiento, considerando que no habrá pérdidas de material y de las cantidades necesarias de otros materiales granulares.
- Volumen de arcilla sepiolita necesario: 30.000 toneladas
- Volumen de arenas o gravas necesario: 170.000 toneladas
- (iv)
- Depósito del material confinante. En la figura 5 podemos ver la forma de disposición del aparataje necesario. Para ello emplearemos un barco (4) de varias hélices capaz de mantener una posición fija en la superficie oceánica controlada mediante, por ejemplo, GPS y la ayuda de medios de monitorización (6). La posición del contaminante (1) a cubrir se detecta mediante un sónar de profundidad de alta resolución. El material confinante (7), constituido por sepiolita (2) y otro material granular (3) se depositará desde el barco (4) con la ayuda de un tubo rígido (5) de, como mínimo, 100 m de longitud, con el fin de evitar las corrientes superficiales, al que irá unido un tubo flexible (10) perforado del mismo diámetro. Para verter el material confinante (7) de una forma precisa se utiliza un tubo que alcance el objetivo a cubrir. Este tubo ha de ser de un material adecuado, de tal modo que sea poroso al agua pero no al material granular. Este tubo está dividido en secciones sostenidas, cada una de ellas, por anillos metálicos (9). La longitud de cada sección depende de la resistencia del material del tubo y de las cargas a que el tubo sea sometido por el flujo de confinante. Un cable de acero (8), amarrado en la superficie, sostiene los anillos metálicos (9), aguantando la carga total a que se ve sometido el tubo. En el caso de depósito de la primera capa de sepiolita (2), en la superficie se vierte dicho material dentro del tubo rígido (5), la arcilla arrastra el agua de su interior produciéndose una corriente que está limitada únicamente por las fuerzas de rozamiento contra la pared interior del tubo. Esta corriente ha de ser suministrada en la superficie mediante aberturas que permitan la entrada de agua. Cuando la sepiolita (2) alcanza el tramo de tubo flexible la presión interna en el tubo es igual a la presión externa dado que el tubo es poroso. En estado estacionario el peso en agua de la sepiolita (2) dentro del tubo es equivalente a un gradiente de presión virtual que fuerza la corriente de agua. Este gradiente de presión esta relacionado con el flujo de agua según la ecuación (2):
(2)\Delta P =
d.f.L.V^{2}/(2D)
- Donde d es la densidad del agua, L es la longitud del tubo, V es la velocidad del agua, D es el diámetro del tubo y f es un factor debido a la fricción contra la pared interna del tubo. Para determinar f se ha utilizado la fórmula de Colebrook desarrollada para flujo turbulento:
1/\surd f =
-2. log((e/D)/3, 7 + 2, 51 /(Re \surd f)
)
- Donde e es la rugosidad de la pared y Re el número de Reynolds: Re = d.V.D/\mu, siendo \mu la viscosidad.
- La tracción sobre el cable de sostén es la suma de su propio peso y de la fuerza de arrastre de la corriente interna, fuerza que es igual al peso en agua de la sepiolita que soporta el tubo.
- Supongamos que el diámetro del tubo sea de 1 m, su rugosidad 1 mm, la viscosidad del agua marina de 1,7 cP, el cable de sostén es de acero de 32 mm con un peso de 4,3 kg m^{-1} y con una tensión máxima de 70 toneladas. En la figura 6-A se muestra el flujo de la corriente de agua y en la figura 6-B el flujo de sepiolita. En ambos casos se consideran tres depósitos, para objetivos situados a 1.000, 2.000 o 3.000 m de profundidad. El volumen de material confinante que se requiere será un factor importante en la determinación de cual es el tiempo necesario para la construcción del sistema de barrera confinante. Puede comprobarse que, con dicho cable, se pueden alcanzar ritmos de depósito de 10.000 toneladas por día a 3.000 m de profundidad y 20.000 toneladas por día a 2.000 m de profundidad
- Este tubo puede ser empleado para depositar las dos capas del material confinante requeridas. En este caso, para obtener la consolidación de la primera capa de sepiolita y el funcionamiento del sistema de confinamiento sobre el objetivo cubierto, será suficiente con una capa de 20 a 30 cm de este material; después se depositaría arena o grava para llegar hasta los 2 ó 3 m de espesor de la cobertura y así provocar la consolidación de la primera capa de sepiolita.
En la presente invención, nuestro sistema de
confinamiento exhibe un coste moderado unido a una fuerte inhibición
de la corrosión del casco o del bidón y al confinamiento del mismo,
evitando así la ulterior liberación de contaminación. Es al menos 10
veces más económico que la extracción de los buques sumergidos o
bidones de contaminantes de los fondos en que se encuentran.
Este ejemplo se refiere al empleo de la idea
para el aislamiento de contaminantes dispersos en sedimentos. Esto
seria aplicable para el confinamiento de los lodos contaminados que
se han producido por la inundación de los almacenamientos terrestres
de residuos tóxicos generados por las industrias de Nueva Orleáns,
debidos al efecto del huracán Katrina. Se pretende aislar sedimentos
contaminados de la columna de agua suprayacente. Las funciones
principales del emplazamiento de la cubierta considerarían la
estabilización física del sedimento contaminado para evitar la
re-suspensión, impedir la bioacumulación de
contaminación y la incorporación de contaminantes a la cadena
alimentaría y eliminar el flujo de contaminantes disueltos del agua
intersticial de los sedimentos contaminados a la columna de agua
suprayacente. En este caso la propuesta es el depósito controlado de
sepiolita sobre un fondo marino contaminado situado en la plataforma
continental del Golfo de México o un fondo lacustre como es el Lago
Pontchartrain, con profundidades comprendidas entre 40 y 100 m, con
una extensión superficial de recubrimiento de acuerdo al sedimento
contaminado (supongamos 0.6 km^{2} de superficie) que se desea
cubrir.
El método de depósito empleado es semejante al
expuesto en el ejemplo 1; sin embargo, en este caso se puede
utilizar un difusor sumergido, tal como se describe en las técnicas
convencionales de emplazamiento de cubiertas "capping" en
Palermo et al. (1998).
Además, al ser la sepiolita una arcilla granular
podría depositarse desde la superficie, sin impactar negativamente a
la salud de los operarios.
\newpage
- (i)
- Estudio de las corrientes marinas o lacustres existentes en el área que presenta los sedimentos y lodos contaminados, velocidades y direcciones: las corrientes máximas medidas en el área son de 60 cm s^{-1} con direcciones variables N a S.
- (ii)
- Selección del tamaño de grano mínimo de la sepiolita. En este caso, el factor limitante, para determinar el tamaño de grano de la sepiolita necesario, es la fuerza de las corrientes de agua en el emplazamiento (véase tabla 1), considerando que el sedimento contaminado presenta baja rugosidad. Como \tau = \rho v*^{2}, donde \rho es la densidad del agua marina, para v = 60 cm s^{-1}, tenemos:
- v* = 1,8 cm s^{-1} en un fondo poco rugoso, y \tau = 0,324 N m^{-2}, con lo que las partículas tendrían que tener un diámetro mínimo de 1 mm para resistir este esfuerzo sin resuspenderse ni sufrir procesos de erosión (véase tabla 1).
- (iii)
- Determinación de la cantidad de sepiolita requerida para la construcción de la primera capa del sistema de confinamiento, considerando que no habrá pérdidas de material. El espesor mínimo de la capa de sepiolita en contacto con los lodos contaminados estaría comprendido entre 2 y 4 cm. Suponiendo un espesor medio de cubierta de sepiolita de 25 cm, el volumen de arcilla sepiolita necesario serian: 240.000 toneladas. En caso de ser necesaria la utilización de otros materiales para evitar la bioturbación producida por los organismos marinos o lacustres, se podrían añadir otros 25 cm de espesor de materiales granulares (otras arcillas, sedimentos, arenas, gravas, etc.)
- (iv)
- Depósito del material confinante. Situación de uno o varios barcos en superficie que cuentan con sistemas de posicionamiento GPS (Global Positioning System) con la sepiolita cargada. La posición del objetivo a cubrir se puede detectar con un sónar de alta resolución u otros procedimientos con la necesaria precisión. El depósito se puede realizar utilizando un tubo de la longitud necesaria y un difusor sumergido o bien depositar desde la superficie siguiendo las técnicas convencionales existentes de emplazamiento de cubiertas subacuáticas (capping). La longitud y diámetro del tubo estarán determinados por la cantidad de material confinante que sea necesario depositar. La alimentación del material confinante se realizará como la descrita en el ejemplo 1.
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Claims (9)
1. Procedimiento de confinamiento de
contaminantes presentes en el medio acuático mediante el depósito
de un material confinante (7), caracterizado por comprender
las siguientes etapas;
- i)
- Medición in situ, o documentación, de las corrientes superficiales y profundas y consideración de eventos esporádicos tales como tormentas, que se producen en el área de emplazamiento del contaminante (1) a cubrir.
- ii)
- Selección del tamaño mínimo de grano del material confinante (7).
- iii)
- Determinación de la cantidad de material confinante (7).
- iv)
- Depósito sobre la fuente de contaminación del material confinante (7) constituido por al menos una capa continua de arcilla sepiolita (2), con un contenido en mineral de sepiolita entre el 25 y el 100%.
2. Procedimiento de confinamiento de
contaminantes presentes en el medio acuático de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque, adicionalmente, se
deposita al menos una capa de un material granular (3), suponiendo
hasta un 99% en peso del total del material confinante (7).
3. Procedimiento de confinamiento de
contaminantes presentes en el medio acuático de acuerdo con la
reivindicación 2, caracterizado porque el material granular
(3) es arena, grava, sedimentos, suelos, otras arcillas o mezclas de
distintos materiales granulares.
4. Dispositivo para realizar el procedimiento de
las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el depósito
del material confinante (7) sobre el contaminante (1) se realiza a
través de un tubo rígido (5) de diámetro entre 0,1 y 10 m. y
longitud total hasta 150 m., impulsado por un mecanismo de
alimentación.
5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
4 caracterizado porque el tubo rígido(5) presenta
perforaciones de diámetro tal que dejan pasar el agua pero no el
material confinante (7).
6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
4, caracterizado porque unido al extremo inferior del tubo
rígido(5) se dispone un tubo flexible (10) de diámetro entre
0,1 y 10 m.
7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
6 caracterizado porque el tubo flexible (10) presenta
perforaciones de diámetro tal que dejan pasar el agua pero no el
material confinante (7)
8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
4, caracterizado porque el mecanismo de alimentación es un
tomillo sin fin.
9. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación
4, caracterizado porque el mecanismo de alimentación es una
banda.
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