DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA DIMENSIÓN FRACTAL DE SEDIMENTOS COHESIVOS UTILIZANDO, UN SISTEMA DE HOLOGRAFÍA DIGITAL

Abstract

La caracterización de sedimentos se ha vuelto un tema central en los últimos tiempos, debido a que su estudio permite entender y predecir los procesos de transporte de sedimentos en suspensión, y el destino de las partículas en suspensión de aguas residuales, lagos, ríos, estuarios y ambientes marinos. Aunque se han realizado diversos estudios, la caracterización de los sedimentos cohesivos de forma experimental no es tarea fácil, puesto que no sólo dependen de la hidrodinámica del fluido, sino también de los procesos físicos, químicos y biológicos (no siempre comprendidos) que surgen en el proceso de aglomeración de las partículas primarias que generan la formación de flóculos. Para obtener un modelo de floculación, la caracterización se ha centrado en la obtención de diferentes parámetros de forma experimental, tales como tamaño, forma, densidad efectiva, la dimensión fractal, así como la velocidad de caída. Diversas investigaciones se han realizado con la finalidad de caracterizar sedimentos cohesivos (flocs) enfocándose principalmente al desarrollo de modelos matemáticos para determinar la velocidad de sedimentación (Winterwerp, 1998; Khelifa y Hill, 2006), los cuales requieren de apoyo experimental, para obtener la dimensión fractal de los agregados. Los modelos de velocidad de caída son modificaciones de la ley de Stokes, e incluyen la dimensión fractal como parámetro principal, para representar la formación de un agregado como un conjunto de partículas primarias que generan una entidad que se aleja de una forma esférica. Sin embargo, existe una dificultad para obtener experimentalmente la dimensión fractal, diferentes estudios utilizan enfoques que se limitan a dos dimensiones. En esta investigación, se implementa un método experimental en tres dimensiones para determinar la dimensión fractal de un agregado. Entre los diversos métodos experimentales, es importante tomar en cuenta que debido a la fragilidad de los flóculos lo ideal es utilizar métodos no intrusivos. Una de esas técnicas son las v ópticas en tres dimensiones, que permitan determinar las características principales de forma volumétrica. De ahí que uno de los aportes del presente trabajo fue implementar un sistema de holografía digital en línea, para determinar las características de los flóculos: tamaño, forma dimensión fractal y velocidad de sedimentación. La dimensión fractal de los flóculos se determinó aplicando diferentes métodos de conteo de cajas (método de cajas, método diferencial de cajas y método triangular de cajas), a las imágenes de partículas (hologramas) obtenidas experimentalmente de un sistema de holografía en línea y reconstruidas con método de convolución implementando para partículas no esféricas. Los flóculos fueron reconstruidos en un canal rotatorio circular, con sedimentos cohesivos provenientes de ríos Usumacinta y Grijalva, así como de tanques de acuacultura de centro Acuícola el Zarco y Aguas del Rastro de Toluca. Se demostró la factibilidad del uso de un sistema de holografía digital para caracterizar este tipo de sedimentos y el paso adelante de este tipo de sistemas en el estudio de los sedimentos cohesivos. Del análisis realizado de la dimensión fractal obtenida con los diferentes métodos del conteo de cajas una vez realizada la reconstrucción de partículas, se determinó que el método de conteo de cajas triangular fue el que presentó mejores resultados ya que se adaptó mejor a las imágenes de partículas. Además, los resultados experimentales fueron ajustados a dos diferentes modelos para determinar la dimensión fractal de sedimentos cohesivos y se determinó que el modelo propuesto por García et al. (2014), fue el que presenta menor variabilidad en el valor de las constantes involucradas, y es el más recomendable para ser aplicado en el análisis de los sedimentos cohesivos utilizados en la presente investigación.