estudio del comportamiento de una arena …
Post on 01-Aug-2022
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADA CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Ing. LUISA ELVIRA MARTÍNEZ ACOSTA
Tesis para optar al título de
Magíster en Ingeniería Civil
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGERNIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C., DICIEMBRE 2003
TESIS DE MAGÍSTER EN INGENIERIA CIVIL
ÁREA DE AMBIENTAL
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADA CON
METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Ing. LUISA ELVIRA MARTÍNEZ ACOSTA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
MAGÍSTER EN INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C., DICIEMBRE 2003
Bogotá D.C., Enero de 2004
Señor Ingeniero Mauricio Sánchez Director del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental Universidad de los Andes La Ciudad Apreciado Ingeniero:
Por medio de la presente tengo el agrado de poner en su consideración el
trabajo “ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA
CONTAMINADA CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE
HUMEDAD”, con el cual culmino mis estudios de Maestría en Ingeniería Civil,
en el Área de Ambiental.
Este proyecto fue asesorado por los Ingenieros Juan Pablo Ramos y Bernardo
Caicedo.
Agradeciendo la atención a la presente, me suscribo atentamente,
Ing. Luisa Elvira Martínez Acosta
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
1
TABLA DE CONTENIDO
LISTA DE TABLAS Y GRÁFICOS...................................................................... 3
INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 4
1. OBJETIVOS ................................................................................................. 6
1.1 OBJETIVO GENERAL............................................................................ 6
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................. 6
2. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 7
3. ANTECEDENTES ........................................................................................ 8
4. MARCO TEORICO..................................................................................... 10
4.1 METALES PESADOS ............................................................................. 11
4.1.1 Oligoelementos.................................................................................. 11
4.1.2 Metales pesados sin función biológica conocida ............................... 11
4.2 LA GEOELECTRICIDAD.................................................................... 12
4.2.1 La resistividad.................................................................................... 13
4.3 SENSOR ............................................................................................ 14
4.3.1 CIRCUITO INTEGRADO 555 ............................................................ 14
5. EXPERIMENTACIÓN................................................................................. 17
5.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO....................................................... 17
5.1.1 GRAVEDAD ESPECIFICA ................................................................ 17
5.1.2 ENSAYO DE COMPACTACION (PROCTOR ESTANDAR).............. 18
5.2 PREPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE COBRE............ 20
5.3 EXPERIMENTACION CON EL SENSOR ............................................. 21
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
2
6. CONCLUSIONES....................................................................................... 37
7. RECOMENDACIONES .............................................................................. 40
8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................... 42
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
3
LISTA DE TABLAS Y GRÁFICOS
Gráfico 1: Relación general entre la resistividad r y la litología*....................... 13
Tabla 1: Especificaciones del 555 .................................................................. 15
Grafica 2: Diagrama interno del integrado........................................................ 16
Tabla 2: Determinación de las densidades secas ........................................... 19
Gráfica 3: Determinación de la densidad seca y humedad óptima.................. 19
Gráfica 4: Frecuencia Vs Humedad Volumétrica con variación en el contenido
de cobre ..................................................................................................... 33
Gráfica 5: Resistividad del suelo Vs Humedad Volumétrica con la variación del
contenido de cobre..................................................................................... 34
Gráfica 6: Frecuencia Vs Concentración de cobre variando la Humedad
Volumétrica ................................................................................................ 35
Gráfica 7: Frecuencia Vs Concentración de cobre variando la Humedad
Volumétrica ................................................................................................ 35
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
4
INTRODUCCIÓN
El hombre en su continuo desarrollo y en sus actividades diarias genera una
gran cantidad de desechos líquidos y sólidos que necesitan ser manejados y
tratados de forma adecuada. Una práctica común para el manejo de los
residuos sólidos es disponerlos en los rellenos sanitarios. Como resultado de
esta disposición se generan los lixiviados, los cuales son una fuente potencial
importante en la contaminación de los suelos.
Las investigaciones de suelos contaminados por la actividad humana existen
desde los años 80. Desde entonces se han llevado a cabo estudios para
observar el comportamiento de suelos contaminados, dentro de los cuales se
tienen el estudio de la conductividad hidráulica de los fluidos dentro del suelo,
los cambios del ángulo de fricción en los suelos contaminados, modelos
matemáticos para simular el comportamiento de los fluidos dentro del suelo, la
migración de metales pesados en suelos, entre otros.
En el suelo hay presentes elementos minoritarios en concentraciones bajas, y
al percolarse el lixiviado presente en un relleno, éstas concentraciones de
contaminante aumentan. Los metales pesados son los más difíciles de
degradar y generan de gran contaminación. (5)
Actualmente, la contaminación de los suelos por metales pesados se ha
incrementado como consecuencia de las actividades humanas, entre las que
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
5
se encuentran la industria, la agricultura, los servicios y los desechos sólidos
municipales.
Por medio de este estudio se pretende construir las bases para entender la
relación arena-metal pesado, y poder así predecir la concentración de
elementos contaminantes en dicha arena.
Esta investigación pretende estudiar la variabilidad en la frecuencia de un suelo
al aplicarle diferentes concentraciones de contaminante. En este caso se
pretende utilizar un metal pesado, el cual se encuentra en la composición del
lixiviado presente en el relleno Doña Juana de la ciudad de Bogotá.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
6
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVO GENERAL
Estudiar el comportamiento de suelos contaminados con metales pesados,
utilizando sensores de humedad para medir cambios en la frecuencia y
resistividad del suelo como resultado de la contaminación.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
- Identificar las variaciones en la frecuencia del suelo (arena), dependiendo
de la concentración de contaminante.
- Observar si la frecuencia del suelo cambia por la cantidad de contaminante
acumulado dentro de los poros del suelo.
- Determinar la posibilidad de utilización del sensor para estimar la cantidad
de contaminante presente en un suelo.
- Analizar los cambios que se puedan dar dependiendo del grado de
saturación de la muestra en estudio.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
7
2. JUSTIFICACIÓN
Los metales pesados en suelos han sido objeto de estudio debido a los
impactos negativos que se derivan sobre el hombre y el medio ambiente como
resultado de la exposición a este tipo de contaminantes.
Los metales pesados producen una disminución en la productividad de los
suelos y contaminación en las aguas subterráneas o superficiales cercanas al
sitio contaminado. Éste es el caso que puede ocurrir en un relleno sanitario si
la impermeabilización falla y los metales pesados presentes en el lixiviado
pasan a las aguas subterráneas y suelos, alterando la composición natural de
éstos.
Por tal motivo se pretende estudiar el comportamiento de una arena
contaminada variando las concentraciones de contaminante (metal pesado)
mediante el uso de un sensor de humedad, con el objeto de determinar
concentraciones de contaminante en campo mediante el uso de un sensor de
humedad desarrollado para tal fin.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
8
3. ANTECEDENTES
Se han realizado pocos estudios que contemplen la utilización de un sensor
para establecer el comportamiento de la contaminación en un suelo.
En la investigación “Environmental geomechanics and transports processes”
(Culligan-Hensleyl, Savvidou, 1999), se contempló la construcción de
biosensores capaces de medir la resistividad en función de las concentración
del contaminante y humedad del suelo. En este estudio los sensores se
construyeron como un apoyo para la modelación en centrífuga de la infiltración
de un contaminante (constituido por agua y sal), en una arena.
Sin embargo, este estudio no contempla la concentración del contaminante,
siempre se usó la misma concentración en todo el estudio.
En Colombia, específicamente en Bogotá, se realizaron estudios buscando
predecir la cantidad de metales pesados que pueden ser movilizados bajo
diferentes circunstancias químicas y que pueden entrar en la cadena
alimenticia o lixiviarse hacia aguas subterráneas. Esta investigación incluye
estudios de la determinación de las concentraciones en suelos por medio de
muestras tomadas aleatoriamente (González, 1997). Sin embargo, no se
establece el uso de algún mecanismo que permita determinar el grado de
contaminación in situ del suelo.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
9
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
10
4. MARCO TEORICO
Los lixiviados, se pueden definir como líquidos que al percolarse por las capas
permeables de desechos sólidos van disolviendo total o parcialmente sus
componentes. Los lixiviados pueden presentar un movimiento horizontal, o sea
que se desplazarán a lo largo del terreno, contaminando así el suelo y
deteriorando la vegetación de zonas aledañas. También puede ocurrir un
movimiento vertical, que penetre el subsuelo y alcance los mantos freáticos y
acuíferos, lo que causa problemas de contaminación del agua subterránea
(Espinosa, González, 2001).
Los cambios incluidos por los lixiviados en las aguas subterráneas se deben a
su pH (9), la introducción de una gran cantidad de sales y ácidos grasos (lo que
se refleja en una alta conductividad), la disminución de oxígeno disuelto y el
alto contenido de metales pesados, como el cadmio, cromo, cobre, hierro,
plomo y zinc.
La generación de lixiviados ocurre principalmente por el agua lluvia infiltrada en
el terreno mientras se está disponiendo la basura. También se produce por la
compactación de la basura húmeda y por la descomposición biológica de las
basuras (Espinosa, González, et al. 2001)
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
11
En estudios realizados por la Universidad de los Andes en rellenos sanitarios
en Colombia se han encontrado metales pesados, tales como Manganeso,
Mercurio, Cromo, Cobre, Zinc, Níquel, entre otros.
4.1 METALES PESADOS
Se define como metal pesado aquel elemento con una densidad igual o mayor
a 5 g/cm3 cuando se encuentra en forma elemental, o con un número atómico
superior a 20 (se excluyen los metales alcalinos y alcalino-térreos)
Hay dos grupos de metales pesados: oligoelementos y metales pesados sin
función biológica conocida (García, Dononrroso, 2001)
4.1.1 Oligoelementos
Son los micronutrientes necesarios en pequeñas cantidades, o cantidades
trazas para completar el ciclo vital de plantas y animales. Si exceden cierto
umbral son tóxicos. En este grupo se encuentran el Arsénico (As), el Boro (B),
el Cobalto (Co), el Cromo (Cr), el Cobre (Cu), el Molibdeno (Mo), el Manganeso
(Mn), el Níquel (Ni), el Selenio (Se) y Zinc el (Zn) (García, Dononrroso et al.
2001)
4.1.2 Metales pesados sin función biológica conocida
Su presencia en determinadas cantidades en los seres vivos están asociados
a disfunciones en el organismo. Son altamente tóxicos y se bioacumulan en
los seres vivos. Dentro de este grupo se tienen el Cadmio (Cd), el Mercurio
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
12
(Hg), el Plomo (Pb), el Cobre (Cu), el Níquel (Ni), el Antimonio (Sb) y el
Bismuto (Bi), (García, Dononrroso et al. 2001)
La presencia de los metales pesados en suelos debería ser únicamente
función de la composición del material original y de los procesos que se dan en
el suelo. Sin embargo, la actividad humana incrementa el contenido de estos
metales en cantidades considerables, siendo esta, sin duda, la causa más
frecuente de altas concentraciones tóxicas. Esto sucede debido a la
contaminación de origen antropogénico, resultante de vertidos industriales, de
actividades mineras, de la aplicación de plaguicidas o también del tráfico
vehicular.
La disposición de los residuos domésticos, industriales y hospitalarios en los
rellenos sanitarios son una fuente importante de contaminación por metales
pesados.
4.2 LA GEOELECTRICIDAD
La investigación geofísica es utilizada en la ingeniería civil para determinar la
conformación y características de suelos y rocas por medio de la aplicación de
conceptos eléctricos.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
13
4.2.1 La resistividad
En ocasiones también llamada resistencia específica, puede definirse como la
propiedad de los cuerpos a oponerse al avance de la corriente eléctrica. La
unidad de medida es el ohmio por metro.
Los materiales geológicos tienen resistividades que varían entre 10-2 y 105
ohm. En el gráfico 1 se puede observar la variación mencionada anteriormente,
donde podemos encontrar la menor resistividad en menas sulfúricas y la
máxima en arenas y gravas (Sarriá, 1996).
Gráfico 1: Relación general entre la resistividad r y la litología*
Fuente: Sarria, 1996
La resistividad del agua depende del grado de saturación, de la salinidad, de la
movilidad electroquímica, y en nuestro caso también dependerá de la
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
14
capacidad conductiva que posea el metal pesado adicionado al suelo (Cobre).
La cantidad de agua presente en un suelo depende de la porosidad del mismo
y puede suponerse que su resistividad depende del grado de saturación.
4.3 SENSOR
El sensor seleccionado inicialmente para llevar a cabo las lecturas fue un
sensor de humedad marca cekit con los siguientes componentes: un circuito
integrado 555, una resistencia de 1000 Ω, una resistencia de 6800 Ω, un
condensador de 10 µF/16V, un condensador cerámico de 0.01 µF/50V y una
resistencia de 220 Ω. Posteriormente se le realizaron los siguientes cambios
para un mejor desempeño: se cambió la resistencia de 6800 Ω por una de 1000
Ω, el condensador de 10 µF/16V por un condensador de 104 ηF/16V.
Los sensores de humedad permiten medir la humedad relativa dentro de una
gama aproximada del 10% al 90%. El principio del sensor se basa en la
capacidad que tiene el mismo de absorber la humedad que hay en su
alrededor.
4.3.1 CIRCUITO INTEGRADO 555
El circuito integrado 555 es uno de los mas populares y versátiles. Éste incluye
23 transistores, 2 organizadores y 16 resistores en un chip de silicona,
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
15
instalados en 8 pines en un mini paquete de dos líneas. El circuito integrado
555 posee dos principales modos de operación:
Modo monoestable: en este modo el 555 funciona con aplicaciones que
incluyen temporizadores, detectores de pulso, interruptores automáticos,
interruptores de voz, entre otros.
Modo estable: el 555 puede operar como un oscilador. Incluye un led y una
lampara de flash, generador de pulso, cierres lógicos, generadores de tonos,
alarmas de seguridad, entre otros.
Tabla 1: Especificaciones del 555
ESPECIFICACIONES
Suministro de voltaje (Vcc) 4.5 a 15 V
Suministro de corriente (Vcc = + 5V) 3 a 6 mA
Suministro de corriente (Vcc = + 15V) 10 a 15 mA
Corte de corriente (máx.) 200 mA
Disipación de energía 600 mw
Temperatura de operación 0 a 70 grados C
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
16
Grafica 2: Diagrama interno del integrado
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
17
5. EXPERIMENTACIÓN
5.1 CARACTERISTICAS DEL SUELO
El suelo utilizado para la elaboración de la presente investigación es una arena
tomada de una cantera de la Ciudad de Bogotá. La muestra fue secada al aire
libre para llevar a cabo los ensayos y realizar pruebas con el sensor de
humedad. A la arena se le determinó la Gravedad Específica y el Ensayo de
Compactación (Proctor estándar)
Los ensayos se realizaron como se detalla a continuación:
5.1.1 GRAVEDAD ESPECIFICA
El ensayo de gravedad específica se realizó para poder determinar la cantidad
de suelo que se debía adicionar al momento de realizar los ensayos de
laboratorio, y así evitar que variaran las condiciones del mismo.
El procedimiento llevado a cabo fue:
- Se pesaron 30,04 g de arena seca.
- Se pesó el picnómetro seco.
- Se agregó la arena en el picnómetro y se adicionó agua.
- Se dejó saturando el suelo por 12 horas aproximadamente.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
18
- Se calentó el picnómetro con el agua y la arena al baño de maría hasta que
saliera todo el aire del agua y del suelo.
- Se pesó el picnómetro a 20°C, aforado a 100 ml. De una tabla se obtiene
el peso a 20°C del picnómetro mas agua.
- Se calculó la gravedad específica.
El valor resultante de la gravedad específica fue 2,6887
5.1.2 ENSAYO DE COMPACTACION (PROCTOR ESTANDAR)
Este ensayo se realizó para que el grado de compactación de la muestra
durante la realización de las pruebas cambiara lo menos posible, ya que un
cambio muy grande proporcionaría errores en las lecturas tomadas por el
sensor.
- Se tomó una muestra inicial para determinar el contenido de humedad
antes de llevar a cabo el ensayo.
- Se tomaron 10 Kg de arena secada al aire y se mezcló con la cantidad de
agua necesaria para hacer el incremento de humedad basado en el peso
seco. Se comienza con una humedad gravimétrica del 2% y se fue
incrementando en 2% hasta el 18%.
- Se pesó el molde de compactación.
- Se compactó el cilindro del suelo con 25 golpes por capa.
- Se pesó el molde lleno de suelo húmedo.
- Se tomaron dos muestras para determinar el contenido de humedad.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
19
- Se repitió el procedimiento hasta que se obtuvieron dos valores de peso de
material compactado ligeramente menor que un determinado valor pico.
- Al día siguiente se pesaron las muestras de contenido de humedad
secadas al horno.
- Se determinaron las densidades secas, usando la fórmula de Arango, 1997:
1001 wHum
Seco +=
γγ
Tabla 2: Determinación de las densidades secas
Con la tabla 2, se construyó una gráfica de donde se obtuvo la humedad
óptima y la densidad máxima seca.
Gráfica 3: Determinación de la densidad seca y humedad óptima
Contenido de humedad deseado 2 4 6 8 10 12 14 16Contenido de humedad 2,36 4,18 5,95 8,14 9,97 12,75 14,1 16,12Peso suelo + molde 5428 5493 5530 5562 5605 5660 5700 5710Peso molde 3981 3981 3981 3981 3981 3981 3981 3981Peso suelo seco en molde 1447 1512 1549 1581 1624 1679 1719 1729Densidad húmeda (g/cm3) 1,551 1,621 1,660 1,695 1,741 1,800 1,842 1,853Densidad seca (g/cm3) 1,515 1,556 1,567 1,567 1,583 1,596 1,615 1,596
Determinación de la Densidad seca
Humedad Vs Densidad seca
1,50
1,521,541,56
1,58
1,601,62
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Humedad (%)
Den
sida
d se
ca (g
/cm
3)
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
20
De la gráfica 3 se obtiene una densidad seca máxima de 1,615 y una humedad
óptima del 14%.
5.2 PREPARACIÓN DE LAS CONCENTRACIONES DE COBRE
Las soluciones de cobre se prepararon con base en los resultados obtenidos
de analizar la composición de los lixiviados en algunos rellenos sanitarios de
Colombia (datos históricos del laboratorio de Ingeniería Ambiental de la
Universidad de los Andes).
Las soluciones con las que se trabajaron fueron preparadas a partir de un
patrón de 1000 ppm de sulfato de cobre. Con este patrón se realizaron
soluciones de 0.1ppm, 0.3ppm, 0.5ppm y 1.0ppm. Para hacer estas soluciones
se debieron preparar patrones intermedios de 10ppm y 100ppm.
Para determinar el volumen necesario para llevar a cabo la preparación de las
soluciones, se utilizó la siguiente ecuación:
CVCV 2211=
donde, V1 = Volumen inicial
C1 = Concentración inicial
V2 = Volumen final
C2 = Concentración final
Con el volumen final como incógnita y las demás variables conocidas, se
determina la cantidad de patrón a adicionar.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
21
El proceso realizado para la preparación de las soluciones es el siguiente:
- Con una pipeta volumétrica se tomó el volumen requerido del patrón y se
vertió en un balón volumétrico de 500 ml
- Se aforó el balón volumétrico con agua desionizada
5.3 EXPERIMENTACION CON EL SENSOR
Para llevar a cabo la experimentación se tuvo en cuenta el grado de
compactación que debían tener las muestras. Este aspecto es importante por
la influencia que tiene la compactación en las lecturas que arroja el sensor.
Usando los valores de densidad seca y volumen del molde se determinó el
peso en gramos de arena con la que se debe trabajar. El volumen del molde
se determinó midiendo sus dimensiones, las cuales fueron,
h = 14 cm
f = 8 cm
Con estas dimensiones se obtiene un volumen del molde de 703,3 cm3. Sin
embargo, éste no es el volumen útil del molde, se le debe restar el volumen
ocupado por el sensor de humedad, el cual tiene las siguientes dimensiones:
h = 7 cm
f = 2,5 cm
Restando el volumen del sensor (34,4 cm3), se tiene un volumen útil de 669
cm3 aproximadamente. Con este volumen se establece la cantidad de arena
que se debe pesar para llevar a cabo las pruebas con las diferentes
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
22
concentraciones de contaminante y diferentes grados de humedad. También
se varió la humedad volumétrica del suelo.
El equipo para la realización de esta prueba consistió en:
- Un molde de polipropileno en forma cilíndrica que en la parte inferior tiene
una base en acero removible.
- Cinco anillos de acero colocados dependiendo de la capa de arena que se
esté adicionando, es decir, si se agrega la primera capa de arena, se
coloca un anillo, y así sucesivamente hasta la quinta capa.
- Un pistón en acero que es utilizado para la compactación de la muestra. La
muestra se compacta haciendo fuerza con una versa tester sobre el pistón.
El procedimiento seguido para la toma de lecturas de la frecuencia se describe
a continuación:
- Se pesó la cantidad de arena que se debía utlilizar en el experimento de tal
forma que siempre se utilice la misma cantidad y no vaya a haber
alteraciones en la densidad del material.
- Se adicionó la cantidad de agua (ó metal pesado) necesaria para obtener la
humedad volumétrica que se estaba trabajando. Se mezcló el material
(arena) con el agua hasta obtener una homogenización de ambos para
evitar errores en la lectura por líquido atrapado en ciertas partes del
material.
- Se dividió el peso del suelo en cinco partes iguales para ir agregándolo al
molde por capas. Para cada capa se hizo una compactación con la
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
23
máquina versa tester. Para la compactación se adicionó la primera parte al
molde, de las cinco en las que se dividió el suelo, luego se colocó un anillo
y se compactó, y así sucesivamente. Después de colocada y compactada
la segunda capa, se coloca el sensor sobre la segunda capa y se sigue el
procedimiento con las tres capas restantes. Esto se hace con el objeto de
evitar cambios en la compactación del material y de simular las condiciones
bajo las cuales se hace la compactación en terreno, es decir, por capas.
- Finalizado el anterior paso, el sensor se conectó a una fuente de poder y a
un osciloscopio, con éste último se realizó la lectura de la frecuencia del
suelo.
- Se repitió el procedimiento con el mismo suelo adicionándole agua hasta
obtener la saturación. Las humedades estudiadas fueron 5%, 10%, 20%
30% y 40%. Con el 40% se obtiene la saturación de la arena.
A la muestra inicialmente se le adicionó agua desionizada, y posteriormente se
hizo la prueba con las soluciones de cobre preparadas para tal fin.
A continuación se presentan los datos de los resultados obtenidos para cada
caso, en donde se detalla además de la frecuencia obtenida, la resistividad del
suelo y las gráficas donde se observa el comportamiento de las lecturas de
frecuencia tomadas:
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
24
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 160,1 ppm de Cobre
Densidad humeda del suelo 1,887Densidad seca del suelo 1,67
Humedad Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
5,00 485,00 984010,00 595,00 774420,00 819,00 521630,00 1230,00 297240,00 2110,00 1107
Descirpción del sueloConcentración
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Resisttividad del suelo contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
1000 3000 5000 7000 9000
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Hum
edad
Vol
umét
rica
Frecuencia contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
480 980 1480 1980
Frecuencia (Hertz)
Hum
edad
Vol
umét
rica
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
25
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 160,3 ppm de Cobre
Densidad humeda del suelo 1,895Densidad seca del suelo 1,679
Humedad Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
5,00 480,00 995810,00 590,00 782215,00 780,00 555120,00 885,00 471525,00 1480,00 221630,00 1760,00 162540,00 2345,00 845
Descirpción del sueloConcentración
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Resistividad del suelo contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
800 1800 2800 3800 4800 5800 6800 7800 8800 9800
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Hum
edad
Vol
umét
rica
Frecuencia contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
480 980 1480 1980 2480
Frecuencia (Hertz)
Hum
edad
Vol
umét
rica
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
26
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 160,5 ppm de Cobre
Densidad humeda del suelo 1,883Densidad seca del suelo 1,673
Humedad Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
5,00 423,00 11502,3610,00 581,00 7966,4415,00 695,00 6413,6720,00 905,00 4577,3530,00 1877,00 1430,2140,00 2518,00 684,27
Descirpción del sueloConcentración
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Resistividad del suelo contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
600 2600 4600 6600 8600 10600
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Hum
edad
Vol
umét
rica
Frecuencia contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
400 650 900 1150 1400 1650 1900
Frecuencia (Hertz)
Hum
edad
Vol
umét
rica
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
27
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 161,0 ppm de Cobre
Densidad humeda 1,886Densidad seca del 1,67
Humedad Frecuencia (Hertz) Resistiv idad del suelo
5,00 384,00 1282310,00 625,00 730015,00 704,00 631320,00 961,00 422325,00 1540,00 207130,00 1950,00 132140,00 2740,00 507
Descirpción del sueConcentración
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Resistividad del suelo contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
500 2500 4500 6500 8500 10500 12500
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Hum
edad
Vol
umét
rica
Frecuencia contra Humedad Volumétrica
0
10
20
30
40
50
380 630 880 1130 1380 1630 1880 2130 2380 2630
Frecuencia (Hertz)
Hum
edad
vol
umét
rica
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
28
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 165% de Humedad
Densidad humeda del suelo 1,727Densidad seca del suelo 1,675
Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
0,10 485,00 98400,30 480,00 99580,50 423,00 115021,00 384,00 12822,9
Descirpción del sueloConcentración
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
9000 9500 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
29
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 1610% de Humedad
Densidad humeda del suelo 1,807Densidad seca del suelo 1,706
Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
0,10 595,00 77440,30 590,00 78220,50 581,00 79661,00 625,00 7300,0
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Descirpción del sueloConcentración
Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
7000 7250 7500 7750 8000
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
Frecuencia contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
580 630
Frecuencia (Hertz)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
30
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 1620% de Humedad
Densidad humeda del suelo 1,881Densidad seca del suelo 1,672
Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
0,10 819,00 52160,30 885,00 47150,50 905,00 45771,00 961,00 4223,2
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Descirpción del sueloConcentración
Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
4000 4250 4500 4750 5000
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
Frecuencia contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
800 825 850 875 900 925 950
Frecuencia (Hertz)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
31
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 1630% de Humedad
Densidad humeda del suelo 1,974Densidad seca del suelo 1,663
Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
0,10 1230,00 29720,30 1780,00 15900,50 1877,00 14301,00 1950,00 1320,5
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Descirpción del sueloConcentración
Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1200 1450 1700 1950 2200 2450 2700 2950
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
Frecuencia contra Humedad Volumétrica
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1200 1400 1600 1800 2000
Frecuencia (Hertz)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
32
Tesis: ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE UNA ARENA CONTAMINADAUSANDO UN SENSOR DE HUMEDAD
Arena pasa tamiz No 1640% de Humedad
Densidad humeda del suelo 2,058Densidad seca del suelo 1,647
Contenido de Cobre (ppm) Frecuencia (Hertz) Resistividad del suelo
0,10 2110,00 11070,30 2345,00 8450,50 2518,00 6841,00 2740,00 507,3
Con R1 = 1 K, R2 = 1 K C = 104 nanofaradios
Descirpción del sueloConcentración
Resistividad del suelo contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
500 600 700 800 900 1000 1100 1200
Resistividad del Suelo (Ohmios)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
Frecuencia contra Concentración de Cobre
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
2000 2250 2500 2750 3000
Frecuencia (Hertz)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
33
Los resultados obtenidos con el sensor permiten concluir que la frecuencia
aumenta en la medida que aumenta la humedad volumétrica. Para realizar un
análisis de los resultados obtenidos se realizó una comparación de los datos,
colocando todas las gráficas anteriores en las gráficas 4, 5, 6 y 7.
Gráfica 4: Frecuencia Vs Humedad Volumétrica con variación en el contenido
de cobre
En la gráfica 4 se observa el aumento de la frecuencia en la medida que
aumenta la concentración de cobre. Esto se debe a la facilidad de reacción
que tiene el sensor frente a los metales. Además, se observa que a mayor
concentración de líquido en los poros del suelo (mayor porcentaje de humedad
volumétrica), hay un aumento en las lecturas de frecuencia del sensor.
Frecuencia Vs Humedad Volumétrica variando la Concentración de Cobre
0
5
10
15
20
25
30
35
40
350 850 1350 1850 2350 2850
Frecuencia (Hertz)
Hum
edad
Vol
umét
rica
0,1 ppm
0,3 ppm
0,5 ppm
1 ppm
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
34
Gráfica 5: Resistividad del suelo Vs Humedad Volumétrica con la variación del
contenido de cobre
Como se dijo anteriormente, la resistividad de un suelo depende del grado de
saturación del suelo. En nuestro caso, se observa el aumento de la resistividad
con la disminución de la humedad volumétrica (Ver gráfico 5). También se
observa que el comportamiento del material (arena) se estima entre 500
ohmnios y 8000 ohmnios (ver gráfico 1). Sin embargo, por la presencia del
cobre el rango de la resistividad del suelo aumenta para las concentraciones de
cobre estudiadas, observándose que la resisitividad del suelo varía entre 500 y
12500 ohmnios.
Resistividad del Suelo Vs Humedad Volumétricavariando la Concentración de Cobre
0
5
10
15
20
25
30
35
40
500 2500 4500 6500 8500 10500 12500
Resistividad del suelo(Ohmios)
Hum
edad
Vol
umét
rica
0,1 ppm0,3 ppm0,5 ppm1 ppm
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
35
Gráfica 6: Frecuencia Vs Concentración de cobre variando la Humedad
Volumétrica
Gráfica 7: Frecuencia Vs Concentración de cobre variando la Humedad
Volumétrica
Frecuencia Vs Concentración de Cobrevariando la Humedad Volumétrica
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
350 850 1350 1850 2350 2850
Frecuencia (Hertz)
Con
cent
raci
ón d
e C
obre
5%
10%
20%
30%
40%
Resistividad del Suelos Vs Concentración de Cobrevariando la Humedad Volumétrica
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
400 2400 4400 6400 8400 10400 12400
Resistividad del suelo(Ohmios)
Cpn
cent
raci
ón d
e C
obre 5%
10%20%30%40%
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
36
En la gráfica 6 se observa el aumento de la frecuencia en la medida que
aumenta la concentración de cobre. Esto se debe a la facilidad de reacción
que tiene el sensor frente a los metales. Además, se observa que a mayor
concentración de líquido en los poros del suelo (mayor porcentaje de humedad
volumétrica), hay un aumento en las lecturas de frecuencia del sensor.
En la gráfica 7 se muestra el comportamiento de la resistividad en el suelo
cuando se varían la humedad volumétrica y la concentración de cobre. En esta
figura se ve claramente que los rangos de resistividad del suelo son mejores
para las humedades volumétricas superiores. Además, el rango de resistividad
en cada una de las humedades no sobrepasa los 1000 a 1500 ohmnios.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
37
6. CONCLUSIONES
- El manejo y montaje del sensor es sencillo. Sólo se debe tener en cuenta
el sellamiento del sensor, debido a que este sello se daña con facilidad en
la presencia de grandes cantidades de agua. Es decir, cuando se trabaja
con humedades volumétricas altas, cercanas al grado de saturación del
suelo.
- Dependiendo del metal pesado que se vaya a estudiar, se debe realizar
una calibración del sensor para obtener los cambios que se necesiten
realizar (cambiar las resistencias y condensadores para poder obtener
mejores resultados y disminuir los errores que se puedan presentar).
- En las gráficas comparativas se observa que la frecuencia aumenta en la
medida que aumentan las concentraciones de cobre y la resistividad del
suelo disminuye cuando éstas ultimas aumentan.
- La frecuencia es una variable que se mantiene con valores cercanos bajo
diferentes concentraciones de cobre cuando la humedad volumétrica es
menor al 20%. Esto muestra el poco servicio que puede ofrecer el sensor a
humedades inferiores al 28%.
- Se obtienen mejores resultados de frecuencia y resistividad del suelo
cuando el grado de saturación aumenta, especialmente cuando la humedad
volumétrica supera el 28%.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
38
- De la anterior conclusión se deduce que la confiabilidad de los resultados
es mayor cuanto mayor sea el grado de saturación.
- Es importante mantener el grado de compactación del suelo de acuerdo a
la humedad volumétrica con que se esté trabajando, pues las variaciones
en el grado de compactación hacen aumentar o disminuir las lecturas de
frecuencia proporcionalmente al mismo.
- Se puede concluir que los sensores de humedad podrían ser de útil ayuda
para la determinación de concentraciones de un metal pesado que
contamine un suelo, debido a los cambios en la resistividad que sufre el
suelo, siempre que se trabajen humedades superiores al 28%.
- El sensor de humedad construido en este experimento se puede utilizar en
otros suelos, siempre que la concentración de contaminante que tenga el
mismo no sean muy altas, debido a que para concentraciones muy altas de
contaminante se tendrían que hacer modificaciones al sensor en
condensadores y resistencias.
- Para llevar a cabo esta práctica en campo se tendría que estimar el grado
de compactación del terreno, utilizando un ensayo de densidad en terreno,
y realizar calibraciones con el sensor en el laboratorio utilizando la misma
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
39
densidad encontrada en campo. También se debe encontrar un método
para realizar el posicionamiento del sensor.
- Cuando se intentó tomar energía de una batería para operar el sensor, se
presentaban errores en la lectura. Por tal motivo se hace necesario el uso
de la energía eléctrica, lo cual dificultaría llevar a cabo este procedimiento
en campo.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
40
7. RECOMENDACIONES
- Realizar ensayos que caractericen el suelo antes de llevar a cabo un
proceso experimental como el del presente trabajo
- Es posible llevar a cabo experimentos como éste, pero con otros tipos de
suelo o diferentes metales pesados que permitan desarrollar ábacos para
determinar las cantidades de contaminantes presentes en los suelos con el
uso de sensores de humedad. Sin embargo, es importante tener en cuenta
que se debe trabajar con humedades volumétricas superiores al 28%.
- Se deben realizar ensayos para verificar el comportamiento del sensor
cuando se infiltra un contaminante en un suelo, es decir, estudiar el tiempo
que puede demorar un contaminante en llegar a una profundidad
determinada con el uso del sensor.
- Para la realización de ensayos en campo se debe plantear la posibilidad de
utilizar un sensor que pueda trabajar sin necesidad de energía eléctrica, ya
que en campo puede ocurrir que no exista disponibilidad de la misma.
- Se deben realizar ensayos con la centrífuga que permitan estudiar la
infiltración de contaminante en función del tiempo en años, para poder
desarrollar un modelo que permita predecir la filtración del mismo al simular
un rompimiento en la membrana de protección de un relleno.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTYOS DE UNA ARENA CONTAMINADA
C CON METALES PESADOS USANDO UN SENSOR DE HUMEDAD MIC 2003-II-12
42
8. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
ARANGO, Antonio. Manual de laboratorio de mecánica de suelos. 1997.
ANTONIADIS and MCKINLEY. Leaching test in a laboratory centrifuge on zinc
migration London clay.
CULLIGAN-HENSLEY and SAVVIDOU. Environmental geomechanics and
transport processes. 1999.
ESPINOSA SILVA, Augusto, GONZALEZ GARCIA, Álvaro. “La acumulación de
basuras como material geotécnico”, Artículo de la revista No 14 de la
Universidad de los Andes, Noviembre de 2001, Bogotá, Colombia.
GARCIA, Inés, DONONRROSO, Carlos. Contaminación por metales pesados.
2001.
GONZALEZ, Luz. “Estudio de la contaminación de suelos en la sábana de
Bogotá por metales pesados”. Tesis Uniandes. 1997.
SARRIÁ MOLINA, Alberto. “Métodos geofísicos con aplicaciones a la
ingeniería civil”. Ediciones Uniandes. Mayo 1996. 371p.
top related