Catálogo de publicaciones

El presente trabajo de tesis se centra en el estudio de la interacción entre las aguas superficiales y subterráneas con el objetivo de caracterizar hidráulicamente acuíferos costeros empleando una novedosa técnica hidrogeofísica basada en el fenómeno de marea inducida. La estimación de parámetros hidráulicos suele realizarse mediante ensayos de bombeo, que consisten en la extracción de agua en un pozo y la medición de los descensos de niveles que se producen en pozos de monitoreo cercanos. Una de las desventajas de esta técnica es el enorme volumen de agua que debe ser extraído lo que limita severamente su aplicación en acuíferos contaminados o afectados por intrusión salina. Como alternativa a los ensayos de bombeo en zonas costeras, se propone la utilización de la señal natural generada por la marea oceánica o de río. Este método se basa en la relación existente entre la señal de marea y las fluctuaciones inducidas en el acuífero. Estas fluctuaciones presentan una disminución en amplitud y un desfasaje temporal respecto a las señales que las originan. El análisis de este fenómeno permite estimar los parámetros hidráulicos del acuífero de manera no invasiva, es decir sin perturbar el flujo de agua en el subsuelo. Para analizar este fenómeno se ha adquirido una gran cantidad de datos en el marco de dos proyectos de investigación: “Aguas Subterráneas en la Cuenca Matanza Riachuelo” (ACUMAR-CIC) y “Dinámica del Acuífero Puelche en la Planicie Costera del Río de La Plata” (PIO YPF-CONICET). Para estudiar la interacción entre el Río de La Plata y los acuíferos de la zona (Puelches, Paraná y superficial) se utilizaron tanto métodos numéricos como soluciones analíticas clásicas. Generalmente, se considera que la interacción entre las aguas superficiales y subterráneas es hidráulica. Sin embargo, cuando el acuífero se prolonga por debajo del río/océano y están separados por material de baja permeabilidad, la interacción es mecánica. La marea produce una diferencia de presión que comprime y descomprime al acuífero induciendo una señal que posee la misma frecuencia que la marea. Los resultados del trabajo de Tesis realizan aportes en dos campos del conocimiento. Por un lado, en el campo de las ciencias aplicadas, se ha realizado una caracterización hidráulica de los acuíferos costeros del Río de La Plata utilizando una metodología que no presenta las desventajas asociadas a los ensayos de bombeo. El análisis de los datos permitió estimar parámetros hidráulicos y definir un modelo conceptual del sistema acuífero costero, estableciendo de este modo el tipo de interacción que existe entre los acuíferos y el Río de La Plata. Por otro lado, en el campo de la ciencia básica, se han desarrollado nuevas soluciones analíticas para el fenómeno de marea inducida que consideran espesores variables del acuífero. En base a estas soluciones se definieron criterios que permiten inferir eventuales variaciones en el espesor del acuífero así como diseñar estrategias para evaluar correctamente los parámetros hidráulicos de acuíferos costeros.

En el marco de la Geofísica Aplicada y Ambiental, un gran número de actividades involucran la inyección o extracción de fluidos en la corteza terrestre, tales como, la explotación o recuperación secundaria de hidrocarburos, la remediación de acuíferos contaminados, o la captura de CO2 en repositorios geológicos. En este contexto, resulta de vital importancia el desarrollo de nuevas metodologías que permitan caracterizar la distribución espacial de los fluidos porales involucrados y monitorear su evolución temporal. El método sísmico de prospección tiene un gran potencial para lograr este objetivo debido a que las propiedades de las ondas sísmicas pueden ser sensibles a las características de los fluidos porales. En particular, cuando un campo de ondas sísmicas viaja a través de un medio saturado con distribuciones heterogéneas de fluidos inmiscibles, las ondas pueden perder energía debido a un mecanismo conocido como flujo inducido por onda. Este mecanismo de disipación está siendo ampliamente estudiado, ya que un mayor entendimiento del mismo podría permitir una caracterización detallada de la distribución de fluidos y de las propiedades hidromecánicas del subsuelo a partir del dato sísmico. Los modelos empleados para este propósito están basados en la teoría de la poroelasticidad y suelen considerar escenarios donde las rocas se encuentran saturadas por distribuciones binarias de fluidos inmiscibles. Este tipo de distribución de fluidos no responde a las leyes de flujo en medios porosos y, por ello, las firmas sísmicas derivadas pueden conducir a estimaciones erróneas de las propiedades de los medios estudiados. En consecuencia, es preciso generar modelos más realistas para evaluar el impacto y las características de este mecanismo de disipación en rocas parcialmente saturadas. En el presente trabajo de Tesis se estudia la atenuación y dispersión de las ondas sísmicas por flujo inducido en rocas saturadas por distribuciones realistas de fluidos. Para ello, es necesario modelar adecuadamente tanto la respuesta sísmica como los campos de saturación. Con este objetivo, en primer lugar, se presenta una metodología original para calcular la atenuación por flujo inducido que se encuentra completamente basada en la teoría de la poroelasticidad. Esta metodología permite validar la hipótesis de sólido viscoelástico equivalente, usualmente empleada en la literatura, y brinda herramientas para explorar la contribución local de las diferentes regiones del medio a la atenuación total. En segundo lugar, se estudia la atenuación y dispersión de ondas sísmicas en presencia de campos de saturación realistas. Para ello, se resuelven las ecuaciones de flujo bifásico en medios porosos mediante un método de elementos finitos. Como caso particular de estudio, se analiza la atenuación y dispersión durante un proceso de imbibición. Se observa que las firmas sísmicas son sensibles a los contrastes de compresibilidad generados por el frente de saturación y por ciertas zonas aisladas con alta saturación de agua rodeadas por mezclas de agua y gas. Asimismo, la tasa de inyección del proceso de imbibición afecta significativamente al comportamiento de la atenuación y la velocidad de las ondas sísmicas. Finalmente, se evalúa la capacidad de los modelos binarios de saturación, comúnmente empleados en la literatura, para representar la respuesta sísmica de medios parcialmente saturados. Se demuestra que las estimaciones obtenidas por medio de modelos binarios de saturación no son capaces de representar, de forma simultánea, los niveles de atenuación y dispersión, el nivel de saturación global, y la frecuencia crítica de la muestra saturada de forma realista. Los aportes realizados en este trabajo de Tesis muestran la importancia de considerar campos de saturación realistas al determinar los efectos de flujo inducido en rocas parcialmente saturadas. En particular, un modelado más realista de los procesos de flujo y de la respuesta sísmica asociada podrían permitir alcanzar algunos de los objetivos centrales de la Geofísica Aplicada y Ambiental, tales como, la determinación de la distribución espacial y de la evolución temporal de los fluidos alojados en el subsuelo.

La fotocatálisis heterogénea es una tecnología avanzada de oxidación para descontaminación de agua y aire. Este proceso utiliza un semiconductor como catalizador, generalmente dióxido de titanio, que es activado con radiación ultravioleta. La principal ventaja de estas reacciones es que logran mineralizar completamente una gran cantidad de contaminantes orgánicos. En la mayoría de los estudios cinéticos con reactores fotocatalíticos que utilizan dióxido de titanio en suspensión, se han considerado condiciones de mezcla perfecta para obtener los parámetros cinéticos. Sin embargo, bajo determinadas condiciones de operación, las limitaciones a la transferencia de materia se hacen presentes disminuyendo la eficiencia del fotorreactor y el régimen de control cinético no es garantizado. En la presente tesis se estudian los efectos difusivos en un proceso de degradación fotocatalítica de un contaminante modelo (ácido dicloroacético) en medio acuoso, empleando un reactor de lecho suspendido y dióxido de titanio como catalizador. Se propone un modelo para el balance de materia del fotorreactor que considera la posible existencia de un régimen de control difusivo. Con este modelo se observan significativos gradientes de concentración en el seno del fluido que derivan de la no uniformidad del campo de radiación. Además son consideradas las limitaciones de transporte externo e interno a la partícula catalítica (o aglomerados). Finalmente se realiza la validación experimental del modelo matemático propuesto. En ausencia de fuertes condiciones de mezclado los datos experimentales obtenidos son ajustados mejor por el modelo riguroso que por el modelo de mezcla perfecta.

En la presente Tesis se realizó el modelado de la degradación de un contaminante orgánico en medio acuoso empleando reactores fotocatalíticos de lecho suspendido. El catalizador utilizado fue dióxido de titanio en polvo. El 4-clorofenol (4-CP) fue seleccionado como contaminante modelo para realizar el trabajo de investigación. La primera etapa del trabajo consistió en la obtención de una expresión cinética intrínseca que representa la degradación fotocatalítica del 4-CP, incluyendo (i) el diseño y construcción de un reactor escala laboratorio, (ii) el desarrollo de un modelo cinético para la degradación del 4-CP y de sus principales intermediarios de reacción, (iii) el modelado del reactor fotocatalítico, con la correspondiente resolución del balance de radiación y de los balances de materia para las especies involucradas en el proceso, y (iv) la estimación de los parámetros cinéticos del modelo a partir de los datos experimentales. La segunda parte del trabajo de Tesis consistió en la aplicación del modelo cinético obtenido en la etapa previa, a un reactor simulador solar fotocatalítico de mayor tamaño, de diferente geometría y modo de operación. Esta etapa involucró la resolución del balance de radiación y de los balances de materia en el nuevo reactor, y el empleo de las expresiones cinéticas obtenidas anteriormente. A partir de los resultados alcanzados, se comprueba que el modelado riguroso de todas las variables que intervienen en el proceso proporciona las herramientas necesarias para el diseño reactores fotocatalíticos, la optimización de su funcionamiento y la realización de cambios de escala.

Este livro representa uma contribuição bastante preciosa para a modelagem dos ecossistemas marinhos do Brasil. O livro, coordenado por Ronaldo Angelini, Júlio Neves de Araújo e Ana Paula Falcão, é uma excelente compilação de dados, metodologia, análise e aplicações da modelagem num ecossistema marinho brasileiro, a “Bacia de Campos” (no sudeste do Brasil), um importante local de exploração de petróleo, que está próximo a uma área densamente povoada.