Caracterización de fluidos geotérmicos en Latinoamérica: Presencia de Arsénico

25 October, 2012 | By More

CARACTERIZACIÓN DE FLUIDOS GEOTÉRMICOS EN LATINOAMÉRICA: PRESENCIA DE ARSÉNICO

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Por Illán Arribas M.Sc.; Editado por Dora de Alonzo, Ph.D.; Octubre 25, 2012

La energía geotérmica en las zonas volcánicas de Latinoamérica es objeto de estudio de numerosos investigadores [1-2]. Actualmente, se conoce la existencia de zonas de gran potencial geotérmico o de “alta entalpía” a partir de donde se podría obtener electricidad de forma directa. El conocimiento exhaustivo del fluido geotérmico es esencial para el desarrollo de las tecnologías de este tipo, así como el estudio de la temperatura es importante, un estudio analítico-cuantitativo de los componentes (impurezas) del fluido geotérmico también lo es.

A pesar de no encontrarse en grandes cantidades en la corteza terrestre (en menores proporciones que los llamados “elementos raros” [3]), uno de los elementos más comunes en las aguas volcánicas es el Arsénico. En su forma oxidada como As(V) es más fácil de eliminar con técnicas como co-precipitación de hierro o intercambio iónico [4].

López et al, publicaron un estudio sobre la presencia de Arsénico en numerosas zonas volcánicas en América Latina [5]. Se presentan datos sobre las aguas en zonas de interés de los siguientes países: México, Guatemala, Honduras, El Salvador, Nicaragua, Costa Rica, Ecuador, Bolivia y Chile. De cada muestra, se obtuvieron valores de temperatura, pH, sólidos disueltos totales (o conductividad eléctrica) así como el contenido de As.

El objeto de dicho estudio no es otro que caracterizar y conocer las aguas para sacar conclusiones sobre la presencia de Arsénico. La presencia de dicho elemento, está normalmente asociada con áreas de vulcanismo activo, y en el caso de fluidos volcánicos, el As se encuentra integrado en sistemas complejos con presencia de agua, sal común y ácido sulfhídrico, con valores de presión y temperatura que superan los 60 MPa y 500 ºC respectivamente.

A pesar de esto, el arsénico puede estar presente tanto en fluidos geotérmicos, descargas de agua o gases, encontrándose las mayores cantidades de dicho elemento en aguas ricas en cloruro de sodio (NaCl). El ciclo de agua en reservorios geotérmicos puede darse de cuatro maneras diferentes [5]:

1. Cuando la transición del agua desde el reservorio a la zona de descarga es rápida (no da tiempo a oxidarse), las aguas siguen siendo ricas en sal común, por lo que el agua que encontramos en la descarga tendrá altas cantidades de As.

2. Cuando dicha transición es más lenta, permitiendo la oxidación del agua, el As(III) precipita tras haberse convertido en As(V).

3. Cuando el agua procede de vapor volcánico condensado, el agua es rica en ácido sulfhídrico y pobre en concentraciones de As.

4. Si el agua rica en NaCl se mezcla con aguas meteóricas (provenientes de las precipitaciones) se producen aguas con gran contenido en bicarbonatos, atenuándose en ocasiones la concentración de Arsénico.

En referencia a cada sitio estudiado y los resultados presentados, se podrían enfatizar tantas evidencias como zonas investigadas. De forma general, los resultados difieren tanto cualitativa como cuantitativamente debido no solo a la diferencia en los procedimientos de laboratorio, sino también a la variabilidad de la actividad volcánica. De forma más particular refiriéndonos a cada estudio, destaca la alta cantidad de As (73.6 mg·L-1) en las aguas ricas en sal común de “Los Húmeros” (México). El sistema geotérmico de El Tatio, en el Norte de Chile, destaca también por su alta presencia de Arsénico, llegando en algunas zonas a los 30 mg·L-1, dicha presencia tiene que ver con la alta presencia de silicatos, y afecta de sobremanera al Río Loa.

Por medio de estas muestras de agua, se afirma que el Arsénico se presenta en el fluido geotérmico o bien por la condensación de los gases que emite el cráter, o bien por la lixiviación de As, llevada a cabo por el fluido que circula por las grietas de las paredes volcánicas. Las aguas ricas en As, son por tanto, aquellas también ricas en NaCl, aunque la ebullición prematura de esas aguas, puede dar lugar a la deposición de aguas pobres en As cuando condensan a mayores profundidades. La presencia de silicatos, bicarbonatos (encontrándose normalmente el Arsénico en menores proporciones [5]) o cloruros, es contraproducente para la absorción de Arsénico por minerales de hierro, que es una de las técnicas más utilizadas para eliminar el Arsénico del agua [4].

Material citado:

[1] K. A. Hudson-Edwards. Mineralogical Magazine, February 2008, Vol. 72(1), pp. 425–427

[2] Cumbal et al. Arsenic in geothermal sources at the north-central Andean region of Ecuador: concentrations and mechanisms of mobility. Environmental Earth Science. Volume 61. Issue 2. Pags. 299-310.  July 2010.

(http://www.springerlink.com/content/g537r013l8073703/)

[3] D. Kirk Nordstrom. Worldwide Occurrences of Arsenic in Ground Water. Science 21 June 2002: Vol. 296 no. 5576 pp. 2143-2145

(http://www.sciencemag.org/content/296/5576/2143)

[4] Myint Zaw, et al. Arsenic removal from water using advanced oxidation processes. Toxicology Letters, Volume 133, Issue 1, , Pages 113-118. 7 July 2002

 (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378427402000814)

[5] López Dina L. et al. Arsenic in volcanic geothermal fluids of Latin America. Science of the Total Environment 429 (2012) Pags. 57–75. 2012

[6] Annie Criaud, Christian Fouillac, The distribution of arsenic (III) and arsenic (V) in geothermal waters. [...]Leeward Islands of the Caribbean, the Valles Caldera of New Mexico, [...], Chemical Geology, Volume 76, Issues 3–4, , Pages 259-269, 15 September 1989.

(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009254189900958)

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GEOTHERMAL FLUID CHARACTERIZATION IN LATIN AMERICA: PRESENCE OF ARSENIC

By: Illán Arribas M.Sc.; Edited by: Dora de Alonzo, Ph.D.; October 25, 2012

Geothermal energy in volcanic areas of Latin America is the subject of many research studies [1-2]. Currently, we know about the existence of high geothermal potential or “high enthalpy” areas from where electricity could be directly generated. A thorough characterization of the geothermal fluid is essential for the development of these technologies, just like the study of the temperature is important, a quantitative analytic study of components (impurities) from the geothermal fluid is too.

Although not found in large amounts in the earth’s crust (at lower rates than the so-called “rare elements” [3]), one of the most common elements in volcanic waters is arsenic. In its oxidized form as As (V) is more easily removed by techniques such as co-precipitation or iron ion-exchange [4].

Lopez et al, published a study on the presence of arsenic in many volcanic areas in Latin America [5]. Geothermal water data is presented in areas of interest of the following countries: Mexico, Guatemala, Honduras, El Salvador, Nicaragua, Costa Rica, Ecuador, Bolivia and Chile. From each sample, values of temperature, pH, total dissolved solids (or conductivity) and the content of As were given.

The purpose of that study was essentially to characterize and understand the water in order to draw conclusions about the presence of arsenic. The presence of this element is normally associated with active volcanic areas, and in the case of volcanic fluids, As is integrated into complex systems containing water, common salt and hydrogen sulfide, with pressure and temperature values that exceed 60 MPa and 500 °C, respectively.

Despite that, arsenic may be present in both geothermal fluids, water or gas discharges. The largest amounts of As are found in rich in sodium chloride (NaCl) waters. The geothermal fluid cycle in reservoirs (in regard to As formation) can occur in four different ways [5]:

1. When the transition of water from the reservoir to the discharge area is fast (not enough time to oxidize), the waters are still high in salt, so the water found in the discharge will have high amounts of As.

2. When this transition is slower, allowing the oxidation of water, As (III) precipitates after having become As (V).

3. When water comes from volcanic steam condensate is rich in hydrogen sulfide and poor in concentrations of As.

4. If NaCl-rich water mixes with meteoric water (from rainfall) water with high bicarbonate content are produced, resulting in some cases in lower arsenic concentration.

In regards to each site studied and the results presented, it could noted as many findings as areas investigated. In general terms, the results differ qualitatively and quantitatively due to not only the differences in laboratory procedures, but also to the variability of volcanic activity. Particularly, referring to each study it can be noted, the high amount of As (73.6 mg · L-1) in the salt rich waters of “Los Humeros” (Mexico). The geothermal system of “El Tatio”, in northern Chile, is also notable for its high presence of arsenic, reaching 30 mg · L-1 at some areas, its presence is related to the high presence of silicates, and affects greatly “Río Loa”.

Based on those water samples, it was corroborated that arsenic is present in the geothermal fluid either by the condensation of the gases emitted by the crater, or by leaching of As via the fluid flowing through the volcanic wall cracks. Arsenic rich waters are also rich in NaCl; however, the premature boiling of this water can lead to deposition of As poor waters when condensing at greater depths. The presence of silicates, bicarbonates (usually with smaller proportions of arsenic [5]) or chlorides, is counterproductive to the absorption of arsenic by iron ore, which is one of the techniques employed to remove arsenic from water [4].

Citations:

[1] K. A. Hudson-Edwards. Mineralogical Magazine, February 2008, Vol. 72(1), pp. 425–427

[2] Cumbal et al. Arsenic in geothermal sources at the north-central Andean region of Ecuador: concentrations and mechanisms of mobility. Environmental Earth Science. Volume 61. Issue 2. Pags. 299-310.  July 2010.

(http://www.springerlink.com/content/g537r013l8073703/)

[3] D. Kirk Nordstrom. Worldwide Occurrences of Arsenic in Ground Water. Science 21 June 2002: Vol. 296 no. 5576 pp. 2143-2145

(http://www.sciencemag.org/content/296/5576/2143)

[4] Myint Zaw, et al. Arsenic removal from water using advanced oxidation processes. Toxicology Letters, Volume 133, Issue 1, , Pages 113-118. 7 July 2002

(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378427402000814)

[5] López Dina L. et al. Arsenic in volcanic geothermal fluids of Latin America. Science of the Total Environment 429 (2012) Pags. 57–75. 2012

[6] Annie Criaud, Christian Fouillac, The distribution of arsenic (III) and arsenic (V) in geothermal waters. [...]Leeward Islands of the Caribbean, the Valles Caldera of New Mexico, [...], Chemical Geology, Volume 76, Issues 3–4, , Pages 259-269, 15 September 1989.

(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0009254189900958)

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