ES2277547B1 - Procedimiento de confinamiento de contaminantes presentes en el medio acuatico y dispositivo para su realizacion. - Google Patents

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.

Antecedentes de la invención

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.

Descripción de la 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.

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:

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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.

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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

TABLA 1 Selección del tamaño de grano del confinante dependiente de la resistencia a la erosión que deba ofrecer. Diámetro de grano (mm) a seleccionar en función del esfuerzo \tau (N/m^{2}) que se produce en el fondo

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1

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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:

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(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

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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.

TABLA 2 Velocidades de sedimentación obtenidas para sepiolita, en medio acuático dependientes del tamaño de grano del material granular y derivadas a partir de la ecuación (1)

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2

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(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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Modos de realización de la invención

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:

Ejemplo 1

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.

Ejemplo 2

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.

Ejemplo 3

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.

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(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.

Referencias citadas

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Claims (4)

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%, a través de un tubo rígido (5) que presenta perforaciones de diámetro tal que dejan pasar el agua pero no el material confinante (7), de diámetro entre 0,1 y 10 m. y longitud total hasta 150 m., impulsado por un tornillo sin fin o una banda corno mecanismo de alimentación.

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. Procedimiento de confinamiento de contaminantes presentes en el medio acuático de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque unido al extremo inferior del tubo rígido (5) se dispone un tubo flexible (10) de diámetro entre 0,1 y 10 m que presenta perforaciones de diámetro tal que dejan pasar el agua pero no el material confinante (7) y dividido en secciones sostenidas, cada una de ellas, por anillos metálicos.