Cuantificación y modelización de parámetros de interacción de radionucleidos en suelo
- Autores: Carlos Javier Gil Garcia
- Directores de la Tesis: Miquel Vidal Espinar (codir. tes.), Anna Rigol Parera (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2011
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Roser Rubio Rovira (presid.), Maria Jose Ruiz Chancho (secret.), Antonio Salvador Baeza (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Después de producirse un episodio de contaminación radioactiva en un suelo, no solamente es necesario conocer la concentración de los radionucleidos, sino que también es importante conocer su movilidad y disponibilidad, con la finalidad de predecir su impacto en el medio y el riesgo asociado. Como el tipo de interacción radionucleido-suelo marcará el comportamiento posterior de los contaminantes, es necesaria una correcta cuantificación y/o estimación del coeficiente de distribución sólido-líquido (Kd). Es por esto que el objetivo general de esta tesis ha sido un estudio crítico sobre la cuantificación y la predicción del coeficiente de distribución sólido-líquido de radionucleidos en suelos.
La mayoría de los datos referidos a las Kd que se utilizan en los modelos de predicción de la movilidad de radionucleidos en sistemas de ayuda para la toma de decisiones, están construidos a partir de datos experimentales obtenidos en suelos próximos a la central nuclear de Chernóbil y en suelos pertenecientes a zonas de clima templado, los cuáles no presentan las mismas características que las que presentan los suelos del sur de Europa, y en concreto del territorio español. Es por esto que, como primer objetivo de la tesis se obtuvieron los valores de los coeficientes de distribución de radioestroncio y radiocesio en 30 suelos del territorio español, próximos a instalaciones radioactivas, incluyendo centrales nucleares. Estos suelos presentaban un mayor contenido de carbonatos y de arcillas, y un menor contenido de materia orgánica respecto a los suelos de clima templado. Se obtuvieron los coeficientes de distribución en medios con diferente composición catiónica, además de determinar propiedades edáficas generales y específicas, tales como la CIC y el Potencial de Intercepción de Radiocesio (RIP). La Kd(Sr) fue sistemáticamente inferior a la Kd(Cs), y las Kd obtenidas en la solución de contacto que simulaba la solución de suelo fueron también inferiores a las cuantificadas con la solución de wash-off, debido a la mayor concentración de las especies competitivas de ambos radionucleidos (Ca y Mg, para Sr, y K y NH4 para Cs). Además se evaluó la reversibilidad de la sorción a medio y largo plazo con la aplicación de ensayos de desorción, con muestras sometidas a ciclos de secado-mojado. La sorción de Sr fue mucho más reversible que la de Cs, tanto a corto como a medio plazo. Además, mientras que la reversibilidad en el caso de Sr no varió con la aplicación de los ciclos de secado-mojado, la de Cs disminuyó hasta un total de 5 veces, lo que se explicó por la difusión de Cs a sitios interlaminares en los filosilicatos 2:1. Finalmente se compararon los valores de Kd obtenidos con datos disponibles para suelos de climas templados y se observó que no había diferencias estadísticamente significativas, con lo que se confirmó que los mecanismos de interacción eran comunes para suelos de climas templados y suelos del territorio español.
Los modelos de predicción del impacto de una contaminación radioactiva pueden utilizar como información de entrada datos individuales de Kd, o datos agrupados en función de unos parámetros predeterminados, que hasta la fecha suelen ser propiedades edáficas generales. La inadecuación de algunos de estos parámetros, junto con el hecho de que los datos de Kd obtenidos proceden de la aplicación de métodos y procedimientos muy diferentes entre sí, ha provocado que las agrupaciones asocien Kd con intervalos de variabilidad de varios órdenes de magnitud, lo que repercute en la calidad de los ejercicios de predicción. En el segundo objetivo de esta tesis se propuso llevar a cabo un análisis crítico de la literatura y de los criterios previamente utilizados para agrupar los valores de Kd, e introducir como criterios claves para el agrupamiento aquellos factores que rigen la interacción de un radionucleido en los suelos. En este contexto, se creó una nueva base de datos de sorción en suelos, con más de 2900 entradas para 67 radionucleidos, basada en la aceptación de más de 80 documentos, con el objeto de disminuir fuentes de variabilidad ajenas a la interacción radionucleido-suelo. La base de datos consta de 27 campos obligatorios (incluyendo valores de propiedades edáficas y detalles de la metodología seguida), más algunos adicionales para ciertos radionucleidos. A partir de la información incluida en la base de datos, se revisaron los criterios para el agrupamiento de los valores de Kd. Primero, se aplicó el criterio basado en textura y contenido de materia orgánica, que era la aproximación utilizada hasta la fecha para agrupar los valores de Kd. Adicionalmente, y para un número alto de radionucleidos se definieron nuevos criterios de agrupamiento basados en cofactores, es decir, en propiedades edáficas relacionadas con sus mecanismos de interacción. Los cofactores que se definieron fueron: RIPK y concentración de K en la solución de suelo para radiocesio; CIC y concentraciones de Ca y Mg en la solución de suelo para radioestroncio; pH para radioisótopos de metales pesados, uranio y torio; especiación química y contenido de materia orgánica para radioyodo. Esta nueva estrategia de agrupamiento permitió cuantificar valores estimados de Kd más representativos para cada clase, así como disminuir significativamente la variabilidad dentro de las clases.
De los estudios anteriores realizados, se evidenció que las correlaciones entre las Kd de radioestroncio y radiocesio y ciertos parámetros escogidos podían describir un porcentaje alto de la variabilidad encontrada, pero que las correlaciones no eran suficientes para poder predecir sus valores de Kd. En este contexto se decidió llevar a cabo, en el marco del objetivo tercero de esta tesis, una serie de ejercicios de modelización para poder predecir los valores de Kd a partir de las propiedades de los suelos, tanto con modelos mecanísticos como con modelos multivariantes blandos.
En el caso de radioestroncio, a partir de la propuesta de un modelo mecanístico más complejo basado en las concentraciones de Ca y Mg en el complejo de intercambio y en la solución de contacto, junto con los respectivos coeficientes de selectividad Sr-Ca-Mg, se propuso un modelo mecanístico más simplificado basado sólo en la CIC y la concentración de Ca y Mg en la solución de suelo. La varianza explicada por estos modelos fue del orden de 75% o superior, con predicciones sin sesgo (pendientes próximas a la unidad), incluso para el caso del modelo más simplificado. Para radiocesio se propuso un modelo mecanístico basado en el parámetro RIPK, las concentraciones de Na, K y NH4 en el complejo de intercambio y en la solución de contacto, y las correspondientes KCFES(NH4/K) y KCFES(Na/K). Simplificaciones de este modelo permitieron proponer un modelo mecanístico más sencillo basado únicamente en RIPK y la concentración de K intercambiable y en la solución de contacto. La varianza explicada por estos modelos fue del orden del 80% o superior, incluso para el caso del modelo más sencillo, con pendientes próximas o superiores a 0,9. Se evaluó una simplificación adicional del modelo sustituyendo la variable RIPK por sus correlaciones con el contenido y el tipo de arcillas. En este caso, la varianza explicada fue superior al 55%, con una pendiente próxima a 0,9, lo que puede ser considerado como un modelo suficientemente bueno para los sistemas de toma de decisión, con la ventaja de no ser necesaria la determinación de parámetros de suelo específicos.
En los modelos multivariantes blandos no se realizó ninguna asunción a priori de los parámetros clave para predecir los valores de Kd y se utilizaron herramientas quimiométricas robustas, tal como la Regresión por Mínimos Cuadrados Parciales (Partial Least Squares Regression, PLS). Los modelos de predicción no variaron significativamente en función del conjunto de datos utilizado (solución de suelo; solución de wash-off; global). Cuando se utilizó el conjunto de datos global, 3 componentes explicaron el 80% de la varianza acumulada de Kd(Sr), mientras que en el caso de radiocesio fueron necesarios 4. La validación externa de los modelos PLS mostró que era posible predecir los valores Kd(Sr) y Kd(Cs) con un porcentaje de varianza explicada de hasta el 85% y sin sesgo. Los modelos multivariantes blandos se confirman como una potente herramienta para el estudio y posterior predicción de parámetros de interacción de contaminantes en suelos.
