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Mecanismos de transporte de contaminantes orgánicos

Mecanismos de transporte de contaminantes orgánicos. Pilar Fernández. Atmósfera Océanos. Superficie terrestre. Destino de los contaminantes en el medio ambiente. Transporte Ajustes de equilibrios multifase. Procesos de transporte en el medio ambiente.

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Mecanismos de transporte de contaminantes orgánicos

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Presentation Transcript

  1. Mecanismos de transporte de contaminantes orgánicos Pilar Fernández

  2. Atmósfera Océanos Superficie terrestre Destino de los contaminantes en el medio ambiente • Transporte • Ajustes de equilibrios multifase

  3. Procesos de transporte en el medio ambiente • Transporte en la tecnosfera desde el lugar de producción al de uso • Transporte en la atmósfera (troposfera 0-10 km, estratosfera 10-50 km) • Transporte en la hidrosfera (agua superficial, lagos, mareas, océanos) • Transporte en la litosfera (suelos y aguas profundas) • Transporte en la biosfera (migración de animales, cadenas alimenticias, incorporación en huevos y leche, incorporación al feto)

  4. Escalas en relación al transporte de contaminantes

  5.            SUELO ORGANISMOS SUPERFICIE TERRESTRE SEDIMENTO Transporte de contaminantes. Distribución multifases ATMOSFERA Gas AGUA Disuelto Coloides

  6. Distribución y transporte de contaminantes • Estabilidad química • Tiempo de vida  = (velocidad de eliminación) –1  Total = química + física • Propiedades físicas y químicas • Presión de vapor • Solubilidad en agua • Coeficiente de partición octanol-agua Kow • Factor de bioconcentración BCF • Coeficiente de adsorción en sedimentos o suelos Koc • Constante de la ley de Henry H

  7. Propiedades físico-químicas • Presión de vapor • Presión parcial de un compuesto en fase gas en equilibrio con el sólido o líquido puro. Gobierna la distribución entre el líquido o sólido y la fase gas. • Solubilidad en agua • Coeficiente de partición octanol-agua (Kow) • Constante de equilibrio de un sistema de dos fases agua y octanol. • Lipofilia = hidrofobia Polaridad

  8. Propiedades físico-químicas • Factor de bioconcentración • Relación entre la concentración del contaminante en un organismo y en su dieta. En general para organismos acuáticos BCF = Corg/Cagua. • Coeficiente de adsorción en suelos y sedimentos Koc • Distribución entre los sólidos del suelo y la fase líquida. Koc =( µg/ g Corg)/ (µg/ml) • Constante de Henry (H) • Coeficiente de partición entre la concentración del compuesto en el aire y en el agua en contacto y equilibrio con el. Regula la volatilización de los compuestos del agua. H = Cgas/Cagua

  9. Distribución de los contaminantes en función de las constantes

  10. Procesos de transporte en el medio ambiente • Transporte en la tecnosfera desde el lugar de producción al de uso • Transporte en la atmósfera (troposfera 0-10 km, estratosfera 10-50 km)

  11. Desorción Sorción           Deposición seca   Deposición húmeda ORGANISMOS TSP, total suspended particles, mg de partículas en suspensión Procesos de transporte en la atmósfera Distribución gas-partícula ATMÓSFERA Gas SUELO AGUA

  12. Distribución gas-partícula • Diámetro de las partículas en la atmósfera presenta una distribución bimodal con dos máximos • Diámetro de 1.0 µm • Diámetro 10 µm • Partículas de diámetro  1.0 µm, comportamiento similar a gas. Deposición seca despreciable • Contaminantes orgánicos asociados a las partículas de menor tamaño

  13. Teorías de la partición Gas-Partícula Adsorción: Absorción: (Pankow, 1987) (Pankow & Bidleman, 1991) (Fenizio et al. 1997 Harner & Bidleman, 1998)

  14. T1 Volumen de gas adsorbido To Langmuir P/P0 (presión parcial) Teorías de la partición Gas-Partícula Adsorción: (Pankow, 1987) Ns, concentración de puntos de adsorción en la superficie. as, área específica de las partículas T, temperatura Q1, entalpía de desorción Qv, entalpía de vaporización. R, constante de gases poL, la presión de vapor del compuesto Cp, concentración en las partículas Cg, concentración en la fase gas TSP, concentración de partículas µg/m3

  15. ln Kp ln PoL Adsorción gas-partícula • A una temperatura dada y una composición de partículas similar, la ecuación de Pankow se escribiría Ln Kp = m ln PoL + constante Para una misma familia de compuestos m= -1

  16. Teorías de la partición Gas-Partícula Absorción: • fOM, fracción de materia orgánica en las partículas. • MWOM, peso molecular medio de la materia orgánica • OM, coeficiente de actividad del compuesto en la materia orgánica • OCT, coeficiente de actividad en octanol MWOCT, peso molecular del octanol OCT, densidad del octanol (Pankow & Bidleman, 1991) KOA = Kow x RT/H (Fenizio et al. 1997 Harner & Bidleman, 1998)

  17. Partición gas-partícula Partición gas-partícula PCBs y PCNs

  18. Baltimore Chesapeake Bay Atlantic Ocean PAH. Baltimore y la Bahía de Chesapeake Dachs y Eisenreich, ES&T, 2000

  19. (Seinfeld & Pandis, 1998) Partición gas-partícula PAH Influencia del carbón elemental Esquema de la microestructura de una partícula de carbonilla

  20. Influencia de las partículas de carbonilla en la distribución gas-partícula de PAH Chesapeake Bay atmosphere

  21. Asumiendo: Adsorción sobre carbón elemental Modelo de partición gas-partícula para PAH Coeficiente de partición soot-aire (KSA)

  22. Predicción de la partición gas-partícula Fenantreno

  23. Gas-particle partitioning Measured vs. Predicted

  24. PAH. Distribución gas-partícula

  25. DEPOSICIÓN SECA Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósfera • Adsorción en partículas “grandes” (2-20 µm) que se depositan por gravedad • Adsorción en pequeñas partículas que actúan como núcleos para la condensación de agua (gotas de lluvia) • Adsorción en partículas que colisionan con las gotas de lluvia y son arrastradas • Disolución de las moléculas gaseosas en las gotas de lluvia • Difusión o intercambio entre la atmósfera y el agua (mares, lagos, etc.) • Por paso a la estratosfera DEPOSICIÓN HÚMEDA

  26. Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósfera • Adsorción en partículas “grandes” (2-20 µm) que se depositan por gravedad • Flujo de deposición seca (µg/m2año) = vdx Cpart • Donde vd velocidad de deposición 0.02-0.5 cm/seg, para partículas de 0.01 a 1 µm

  27. Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósfera • Adsorción en pequeñas partículas que actúan como núcleos para la condensación de agua (gotas de lluvia) • Adsorción en partículas que colisionan con las gotas de lluvia y son arrastradas • Disolución de las moléculas gaseosas en las gotas de lluvia Flujo deposición húmeda (µg/m2año) = Q x Cpart x IR + IRCgas/H Q : coeficiente de extracción Cpart : concentración en la fase particulada Cgas : concentración en la fase gas IR : precipitación anual H: constante de Henry

  28. Coeficiente de extracción Q Relación entre el volumen de aire extraído (libre de partículas) y el volumen de gotas de lluvia Distribución del tamaño de partículas Naturaleza o tipo de precipitación Para contaminantes orgánicos 20.000-200.000

  29. Mezcla Turbulenta Aire Turbulento 1 mm Capa límite del aire Difusión Transferencia de fase Interfase Aire-Agua Capa límite del agua Difusión 0.1 mm Mezcla Turbulenta Agua Turbulenta Difusión o intercambio entre la atmósfera y el agua (mares, lagos, océanos)

  30. FLUJO AIRE – AGUA (FA-W). Modelo de doble capa (Liss y Slater) CAire Aire Caire, Int. Cagua, Int. Agua CAgua (Nelson et al. Environ. Sci. Technol. 31, 912-919, 1998)

  31. Coeficiente de transferencia de masa • Diferente para cada compuesto, aumenta con H • Parámetro importante la velocidad del viento U (Schwarzenbachet al. Environmental Organic Chemistry, John Wiley & Sons, New York 1993)

  32. Deposición atmosférica Seca 32 kg/a Húmeda 125 kg/a 440 kg/a 680 kg/a Ríos 110 kg/a Ríos 60 kg/a ??? 143 kg/a Columna de agua 10.000 kg Sedimentación 110 kg/a Sedimentos 4.900 kg (Hornbuckle et al. Environ. Sci. Technol. 28, 1491-1501, 1994) (Hornbuckle et al. Environ. Sci. Technol. 29, 869-877, 1995) Balance de masas de PCBs en el Lago Superior Intercambio aire-agua

  33. CG CHICAGO (Green et al. Environ. Sci. Technol. 34, edición web, 2000) (Zhang et al. Environ. Sci. Technol. 33, 2129-2137, 1999) FLUJOS AIRE-AGUA DE PCBs EN ZONAS COSTERAS Chicago y Lago Michigan

  34. FLUJOS AIRE-AGUA Distribución global de los contaminantes orgánicos

  35. Relative importance of air-water exchange for PAHs (Gigliotti et al. 2001, Environ. Toxicol. Chem)

  36. Clorofluorocarbonos Procesos de eliminación de contaminantes de la atmósfera • Paso a la estratosfera • Compuestos muy volátiles (Pv alta) • Constante de Henry alta, no tienden a depositarse. • Persistentes, no se degradan en la atmósfera

  37. Procesos de transporte en el medio ambiente • Transporte en la tecnosfera desde el lugar de producción al de uso • Transporte en la atmósfera (troposfera 0-10 km, estratosfera 10-50 km) • Transporte en la hidrosfera (agua superficial, lagos, mareas, océanos)

  38.          Deposición seca Deposición húmeda   Intercambio aire-agua Transporte hidráulico Ríos Aguas residuales Escorrentías ORGANISMOS Disuelto Procesos de transporte en la hidrosfera Desorción ATMÓSFERA Gas Sorción AGUA Sedimentación SEDIMENTO

  39. Transporte de contaminantes en la hidrosfera Comportamiento de los contaminantes en la columna de agua: • Propiedades fisico-químicas Solubilidad Hidrofobicidad Peso molecular Configuración estérica • Características y naturaleza de las partículas Cantidad Composición Tamaño Area superficial • Transporte y tiempo de residencia de las partículas en la columna de agua

  40. Kd = Cpar/SPM Cdis Fase particulada Sedimentación Transporte hidráulico Fase disuelta Intercambio aire-agua Transporte hidráulico Bioacumulación Transporte de contaminantes en la hidrosfera Distribución disuelto-materia particulada en suspensión Kd (L/kg), coeficiente de distribución Cpar, concentración en las partículas Cdis, concentración en el disuelto SPM, materia particulada en suspensión

  41. Intercambio aire-agua-fitoplancton de los contaminantes orgánicos CG Intercambio aire-agua FA-W FF-W Intercambio agua-fitopláncton hmix CW CF Flujos verticales • J. Dachs, S.J. Eisenreich, J.E. Baker, F.C. Ko, J.D. Jeremiason. Environ. Sci. Technol. 33, 3653-3660, 1999.

  42. kd Cfito CW ku Bioacumulación en el fitoplancton Cfito, concentración en el fitoplancton (ng/kg) kd,constante de depuración ku, constante de entrada en el fitoplancton kG, velocidad de crecimiento del fitoplancton CW, concentración en el agua fase disuelta (Skoglund et al. Environ. Sci. Tecnol. 30, 2113-2120 (1996)

  43. Intercambio aire-agua-fitoplancton de los contaminantes orgánicos CG Intercambio aire-agua FA-W FF-W Intercambio agua-fitopláncton hmix CW CF Flujos verticales CPM, concentración en el fitoplancton (ng/kg) kP-W,constante de transferencia agua-fitoplancton Profundidad de mezcla (m) Área superficial de fitoplancton (m2/m3) Biomasa de fitoplancton (kg/m3)

  44. FLUJO AIRE-AGUA Importancia de los procesos biogeoquímicos (Millard et al. Environ. Toxicol. Chem. 12, 931-946, 1993) (Dachs et al. Environ. Sci. Technol.34, 1095-1102, 2000)

  45. Lago 227 Lago 110 Junio Julio Agosto Junio Julio Agosto Intercambio aire-agua-fitoplancton de los contaminantes orgánicos Predicción de las concentraciones de PCBs en el fitoplancton.

  46. ECOSISTEMAS ACUATICOS • El flujo aire-agua depende de: • Propiedades físico-químicas • Concentraciones ambientales • Procesos biogeoquímicos. • Temperatura • Velocidad del viento • Biomasa de fitoplancton • Velocidad de crecimiento

  47. Procesos que afectan a la sedimentación y procesos postdeposicionales: • Resuspensión. Debido a corrientes o turbulencias, parte del sedimento superficial se remueve y pasa de nuevo a la columna de agua • Solubilización • Bioturbación Removilización por efecto de los organismos (poliquetos) que viven en el sedimento. Afecta sobretodo a compuestos asociados a las partículas • Difusión molecular Difusión de los compuestos en la columna de sedimento. Afecta sobretodo a los compuestos con una cierta solubilidad en agua

  48. Procesos de transporte en el medio ambiente • Transporte en la tecnosfera desde el lugar de producción al de uso • Transporte en la atmósfera (troposfera 0-10 km, estratosfera 10-50 km) • Transporte en la hidrosfera (agua superficial, lagos, mareas, océanos) • Transporte en la litosfera (suelos y aguas profundas) • Transporte en la biosfera (migración de animales, cadenas alimenticias, incorporación en huevos y leche, incorporación al feto)

  49. HOJA EXTERIOR HOJA INTERIOR INTERIOR PLANTA RAIZ INTERIOR RAIZ EXTERIOR SUELO Mecanismos de entrada de contaminantes en la vegetación AIRE Distribución gas-partícula, lípidos, área superficial planta Kow Kow Solubilidad, H, Kow, TOC

  50. Balance de masa de PAHs en el nordeste de EEUU Atmósfera 41% 3.9 106 Kg/a 44% 5% 10% Vegetación Agua Suelo (Simonich & Hites, Nature 370, 49-51, 1994) Vegetación y suelos

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