Análisis del 1,4-dioxano como contaminante emergente

La contaminación del subsuelo provocada por el desarrollo de los diferentes procesos productivos industriales ha supuesto la incorporación de nuevos elementos al medio natural, así como el incremento de la concentración de estos en el entorno, generando una serie de efectos adversos sobre la salud humana desde el punto de vista toxicológico.

La conciencia medioambiental colectiva desarrollada a lo largo de las últimas décadas ha conllevado el fomento de un amplio marco normativo que vela por la protección de la calidad del subsuelo y que supone la regulación de un gran número de compuestos, así como la definición de pautas para prevenir, diagnosticar y recuperar los suelos que han recibido un determinado impacto.

Un compuesto emergente de interés creciente, empleado en una gran variedad de procesos industriales y cuyo grado de conocimiento es aún limitado y que aún no es objeto de una estricta regulación en el estado español, es el 1,4-dioxano. Se trata de un compuesto orgánico sintetizado por el hombre, cuyas propiedades fisicoquímicas propician un comportamiento en el medio caracterizado por una gran estabilidad, movilidad y persistencia, constituyendo una potencial amenaza para su expansión en el medio ambiente.

De hecho,se ha identificado una elevada presencia de este compuesto en las aguas subterráneas en el entorno de los emplazamientos industriales donde se utilizó, dando lugar a la formación de grandes plumas de afección con potencial para impactar los recursos de agua potable.

Si bien no existe legislación desarrollada en UE actualmente, varias agencias del gobierno federal en EE. UU. lo han identificado o regulado como sustancia peligrosa desde principios de la década de 1980, convirtiéndose en un contaminante ambiental a principios de la década de 2000 y siendo incluido en 2012 por la USEPA en la lista de compuestos potencialmente carcinógenos para el hombre que debían ser objeto de regulación. Asimismo, la Organización Mundial de la Salud (OMS 2017) y varios países han propuesto una serie de valores umbral de concentración para 1,4-dioxano en agua potable y aguas subterráneas.

Dado el creciente interés de este compuesto emergente, y su más que probable implicación en los diferentes procesos de remediación futuros, Litoclean, empresa que desarrolla su actividad en el sector de la remediación de los suelos contaminados, en su ánimo de mejora en el conocimiento de los distintos compuestos implicados en los procesos de contaminación del suelo, está desarrollando un proyecto I+D+i sobre este compuesto con el fin de que revierta en una mejora en su práctica profesional.

Los objetivos del presente artículo son dar a conocer la problemática asociada a este contaminante y su comportamiento en el subsuelo, así como indicar cuáles son las pautas para prevenir, diagnosticar y recuperar los suelos que han recibido un impacto por este compuesto. Asimismo, se presenta un caso práctico de remediación en fase terminal, cuyos resultados han sido muy positivos.

Descripción del compuesto y comportamiento en el medio

El 1,4-dioxano es un compuesto orgánico heterocíclico sintetizado por el hombre, clasificado como éter, que se encuentra en estado líquido a temperatura ambiente. Se trata de un compuesto incoloro, muy inflamable y caracterizado por una elevada solubilidad y miscibilidad en el agua y en la mayoría de los solventes orgánicos, así como una inestabilidad a temperaturas y presiones elevadas en el ambiente, con posibilidad de formar mezclas explosivas con exposición prolongada a la luz o al aire.

Presenta una gran estabilidad una vez disuelto en el medio acuoso y un elevado potencial de volatilización cuando se encuentra sobre superficies secas, así como una baja afinidad por el carbono orgánico y los procesos de adsorción en el suelo, siendo fácilmente fotodegradable cuando se encuentra en forma de vapor en la atmósfera.

Ello implica una presencia poco relevante en los suelos y el aire, por tanto, su baja afinidad por el carbono orgánico y por los procesos de adsorción en el suelo hace que la retención dentro de la zona vadosa sea muy limitada, siendo fácilmente lixiviable a las aguas subterráneas, mientras que en el aire la fotodegradación le confiere una vida media de apenas unos días.

En cambio, su gran estabilidad en el medio acuoso propicia su migración rápidadentro de un acuífero, desplazándose potencialmente a una velocidad similar a la de las aguas subterráneas, lo que conlleva una rápida expansión de la pluma en medios altamente permeables y con elevados gradientes hidráulicos.

Por qué son sustancias de interés

Como se ha indicado anteriormente, a consecuencia de la actividad productiva y las propiedades físicoquímicas del 1,4-dioxano, que favorecen su movilidad, estabilidad y persistencia en el medio acuoso, se ha identificado una elevada presencia de este compuesto en las aguas subterráneas en el entorno de los emplazamientos industriales donde se utilizó, generándose grandes plumas de agua con potencial de expandirse en el medio ambiente e impactar los recursos de agua potable.

Desde el punto de vista de los efectos sobre la salud humana, si bien no hay estudios directos en humanos que muestren una relación directa entre la exposición a 1,4-dioxano y el cáncer, a través de la experimentación animal se ha identificado un potencial efecto carcinogénico como consecuencia de una exposición prolongada en el tiempo. No obstante, el 1,4-dioxano no se bioacumula, por lo que el potencial efecto a largo plazo en aves y mamíferos se considera bajo. La principal vía de exposición humana lo constituye la ingestión de agua potable contaminada y, en menor medida, la ingestión de alimentos cocinados con agua contaminada o con impurezas de 1,4-dioxano por aditivos alimentarios o bien por el uso de productos de consumo.

Usos del compuesto

1,4-dioxano es un compuesto de aplicación en multitud de procesos industriales, destacando por encima de todo su aplicación como aditivo de disolventes clorados, debido a su papel como estabilizador de estos.

Fue sintetizado por primera vez en 1863, si bien hasta 1929 no empezó a ser utilizado con fines comerciales y hasta 1950 no empezó su producción a gran escala. Como se ha comentado, su producción inicial y aplicación principal ha estado ligada a su papel como estabilizador del 1,1,1-tricloroetano (TCA) y tricloroetileno (TCE), por lo que durante los primeros años su producción fue de la mano del crecimiento y decrecimiento en la fabricación y uso de dichos compuestos, empleados fundamentalmente en procesos de desengrasado, de recubrimientos metálicos y en la reparación y mantenimiento de los equipos industriales.

La creciente conciencia en materia medioambiental que empezó a crearse en la década de los 90 propició una reducción en la fabricación de los disolventes clorados por su papel como agente destructor de la capa de ozono, en cuyo sistema productivo se incorporaba el 1,4-dioxano, con el consecuente decrecimiento en el uso y aplicación de este.

No obstante, el 1,4-dioxano está presente como derivado o subproducto en muchos otros procesos que se indican a continuación:

• Fabricación de poliéster.
• Industria farmacéutica y biotecnológica (agente purificador).
• Plásticos y polímeros: industria del caucho y del plástico, resinas fotosintéticas, cintas magnéticas.
• Tintas, pinturas y recubrimientos: tinta de impresora, pinturas, resinas para pinturas y decapantes, tintes de fábrica, plumas.
• Adhesivos.
• Fluidos de automoción: anticongelante para aviones, liquido de freno y de lubricación.
• Productos de consumo: producto de limpieza, detergentes, champús y cosméticos.
• Otros usos: productos para fumigar, de laboratorio, celulosa y polimerización, combustibles para carreras, anticonceptivos, arte y restauración, productos ignífugos, aparatos médicos.

Fuentes de contaminación

Las principales fuentes de contaminación del medio natural en relación con la 1,4-dioxano lo constituyen, en primer lugar, los emplazamientos industriales donde se desarrollan los diferentes procesos industriales en los que está implicado este compuesto, como consecuencia de vertidos históricos directos al medio sin tratamiento y de fugas y derrames accidentales ocurridos durante el desarrollo de su actividad.

Asimismo, otro de los principales focos de contaminación lo constituyen los vertidos de efluentes residuales de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, dada la presencia del 1,4-dioxano en productos de consumo e industriales, por su presencia como subproducto en los procesos productivos. A ese respecto, cabe destacar que los tratamientos de aguas residuales urbanos no son eficientes en la eliminación del 1,4-dioxano dado que es un compuesto de reciente consideración, cuya eliminación no se contemplaba a la hora de diseñar los equipos de tratamiento de la planta.

Abordar el problema

En la actualidad, Litoclean está desarrollando varios proyectos de saneamiento del subsuelo contaminados por 1,4-dioxano. El tratamiento de dicho compuesto es un reto en sí mismo debido a sus particularidades. La elevada solubilidad en agua y, a su vez, su baja volatilización plantea estrategias de remediación muy concretas. 

Como consecuencia, algunas de las metodologías de remediación/tratamientos convencionales, tales como air stripping o Soil Vapor Extraction (SVE), se presentan insuficientes a no ser que se incremente la volatilización del 1,4-dioxano (Ej. XSVE). 

Por ello, en el momento de seleccionar la metodología de remediación más adecuada se debe de tener en cuenta la zona del subsuelo a tratar:

• Zona saturada: área principal de actuación atendiendo a su elevada solubilidad. Una vez incorporado a las aguas subterráneas, el contaminante tiene gran movilidad siguiendo el flujo subterráneo, por lo que una actuación temprana es clave para evitar su expansión.

• Zona no saturada: el 1,4-dioxano es miscible en agua, ello implica que el contaminante se disuelva preferentemente en el agua de los poros en lugar de ser absorbido a la matriz del suelo o en el gas intersticial. Ello no implica que el contaminante no pueda encontrarse en la matriz suelo, que al no ser tratada debidamente puede generar un foco secundario.

Sistemas de saneamiento

Los sistemas para el saneamiento de un medio subterráneo contaminado por 1,4-dioxano dependen de varios factores que condicionan la metodología a seleccionar. Por ello, es muy importante el proceso previo de caracterización y dimensionamiento de la afección, discerniendo entre los diferentes focos existentes, el origen de estos, la movilidad y desplazamiento del contaminante, etc. Ello nos permitirá elaborar el ‘modelo conceptual’. 

En la actualidad, hay varias metodologías testadas para el tratamiento de dicho compuesto, cuya eficacia depende de las características del medio, de los posibles compuestos adicionales que pueda haber, de la dispersión de la afección, etc. 

Proyecto en curso

En la actualidad, dando respuesta a los problemas que los contaminantes emergentes presentan, Litoclean está inmerso en el proceso de remediación del subsuelo de una planta industrial cuya afección principal es por 1,4-dioxano, debiendo lidiar, asimismo, con otros compuestos tales como acetona, fenol y, en menor medida, TPH.

Tras la caracterización del subsuelo inicial mediante la ejecución de un informe base, el proceso de remediación se ha ido desarrollando mediante una secuencia de etapas cuya ejecución es de carácter crítico para la obtención de un resultado satisfactorio.

Delimitación de la afección y desarrollo del modelo conceptual: una vez identificado y solucionada la causa de la fuga de contaminante al medio, fue necesario el desarrollo de varias campañas de caracterización del subsuelo, para evaluar del alcance de la contaminación existente. Asimismo, el modelo conceptual permite evaluar los mecanismos de movilización de la afección en el subsuelo y su comportamiento.

Este proceso es clave para el futuro dimensionamiento del sistema de remediación.

Ensayos de tratabilidad y diseño de la remediación: durante esta etapa se desarrollaron pruebas piloto de tratabilidad y dimensionamiento a fin de determinar la mejor o mejores tecnologías de descontaminación. De entre éstas, se llevaron a cabo ensayos de laboratorio mediante distintos tipos de oxidación química, así como pruebas piloto insitu de tratamiento y dimensionamiento.Como resultado, se estableció un tren de tratamiento adaptado a las necesidades del proyecto, el cual contempló dos fases.

Sistema de remediación: se lleva a cabo un diseño del sistema óptimo de remediación, consistente en una combinación de distintas metodologías de remediación aplicadas en dos fases de tratamiento del suelo. Una primera fase de acción sobre las aguas por extracción física mediante un sistema de Pump&Treat y tratamiento stripping, así como oxidación química avanzada. 

Asimismo, para actuar en la zona no saturada, un sistema de extracción de vapores con Soil Vapour Extracction (SVE). Finalmente, en relación con las particularidades del tratamiento del 1,4-Dioxanola segunda fase de actuación consistió en una actuación íntegra del medio subterráneo mediante oxidación química aplicada en el terreno (In situ chemical oxidation - ISCO).

Evolución de la remediación: tras la aplicación de las tecnologías de remediación, se pueden observar unos resultados excelentes, consiguiendo reducciones de afección en aguas superiores al 90%.

Tal y como queda reflejado en las figuras aportadas (gráficos de evolución, así como en los planos de reducción de la contaminación), el proceso íntegro de estudio y desarrollo del medio y su saneamiento ha dado sus frutos, mostrando una evolución altamente positiva alcanzando prácticamente los valores objetivos establecidos para el proyecto en cuestión.

Conclusiones

Los retos que plantean las nuevas tecnologías y el desarrollo de nuevos compuestos químicos potencialmente contaminantes, así como la evolución de las técnicas de detección de estos, priman en la necesidad de seguir invirtiendo en el conocimiento y aplicabilidad de técnicas de saneamiento para su detección y remediación.

En este sentido, desde Litoclean se integra un modelo de mejora técnica continua a fin de dar respuesta a toda la problemática asociada a los suelos contaminados, invirtiendo en I+D+i, colaborando con entidades universitarias y grupos de investigación, así como desarrollando proyectos de innovación en cuanto a compuestos emergentes y sus tecnologías de detección y remediación que se puedan derivar. 

El proyecto de investigación sobre el 1,4 dioxano presentado en este artículo es un claro exponente de ello al abordar labores sobre la investigación y el conocimiento de un compuesto emergente de aplicación en una gran variedad de procesos industriales, que supone una potencial amenaza para su expansión en el medio ambiente.