Potencial Zeta

Uma das formas de avaliar as cargas superficiais dos coloides do solo é por meio do potencial zeta (ζ), definido como a carga elétrica líquida que se desenvolve no plano que divide a camada de Stern e a camada difusa a um determinado pH. O ζ é influenciado principalmente pela concentração eletrolítica e pelo pH da suspensão coloidal. Quando o ζ é igual a zero, o ponto de carga zero (PCZ) da partícula coloidal é alcançado (RIBEIRO et al., 2011).

É importante ressaltar que as argilas e os solos argilosos adquirem uma carga elétrica superficial quando estão em contato com um líquido. O potencial zeta é um indicador dessa carga e é importante nos estudos de química de superfície, visto que é a chave para compreender processos de dispersão e agregação em solos.

O potencial zeta pode ser calculado a partir da Equação 8 de Helmholtz- Smoluchowski:

ζ =4𝜋𝜂𝜈

40 em que ζ é o potencial zeta, expresso em mV,  é a viscosidade do fluido, em N.s/m²,  é a mobilidade eletrorética, em ms-1/v.cm-1, r é a constante dielétrica relativa do meio

(adimensional) e 0 é a constante dielétrica do vácuo, em C²/N.m².

De acordo com a Equação 8, o potencial zeta é inversamente proporcional à constante dielétrica relativa do meio. Portanto, como o solo possui constante dielétrica relativa baixa, próximo de 5, quanto maior for a constante dielétrica relativa do fluido presente nos poros do solo, maior será a constante dielétrica relativa do meio e, consequentemente, menor será o potencial zeta da superfície da partícula sólida.

A Figura 6 ilustra todo o processo de interação solo/fluido e as principais variáveis envolvidas.

Figura 6 – Esquema ilustrativo da posição do potencial zeta em uma argila carregada.

41 Na Figura 6 é possível visualizar o detalhamento de uma partícula de argila negativamente carregada com seu respectivo potencial (ψ0). É possível observar também a

camada definida por Stern e seu potencial (ψs). A camada de Stern envolve toda a partícula

de argila. Em seguida, sobre essa camada de Stern é onde ocorre o potencial zeta (ζ). Ainda é possível observar na Figura 6 a fixação da espessura (1/k) da dupla camada elétrica.

Kaya e Yukselen (2006) estudaram a variação do potencial zeta com o pH de uma caulinita em contato com diferentes soluções e água. Os autores utilizaram soluções de cloreto de sódio, cálcio e alumínio em diferentes concentrações. Os resultados estão apresentados na Figura 7.

Figura 7 – Potencial zeta da caulinita com diferentes soluções de cloreto.

42 Dentre os resultados apresentados por Kaya e Yukselen (2006) na Figura 7, com exceção dos valores de pH entre 9 e 11 para o CaCl2 10-2 M, e pH entre 3 e 5 para o AlCl3,

onde a tendência da diminuição do potencial zeta não se confirmou, os demais pontos comprovam que o potencial zeta varia em função do tipo de fluido presente nos poros do solo e seu respectivo valor de pH (de maneira inversa).

Kaya et al. (2000) apresentam resultados que demonstram a variação do potencial zeta da caulinita e da bentonita em função da constante dielétrica de diferentes fluidos. Os autores utilizaram anilina, metanol, propanol, água e xileno, de constantes dielétricas relativas iguais à 6,9; 33,6; 18,3; 80,4 e 2,5, respectivamente. As correlações encontradas por Kaya et al. (2000) estão apresentadas na Figura 8.

Figura 8 – Potencial zeta da caulinita e bentonita em função da constante dielétrica relativa dos fluidos.

Fonte: Kaya et al. (2000).

Os resultados apresentados por Kaya et al. (2000) comprovam a equação de Helmholtz-Smoluchowski, onde o potencial zeta é inversamente proporcional à constante dielétrica relativa do meio. Na Figura 8, tanto a caulinita quanto a bentonita na presença de água, de elevada constante dielétrica relativa, apresentaram os menores valores de potencial zeta, quando comparado aos demais fluidos. Por outro lado, quando o fluido é a anilina, de baixa constante dielétrica, ambos os solos apresentaram seus maiores valores de potencial zeta.

43 2.1.6 O fenômeno da adsorção

Esse fenômeno consiste na adesão superficial do fluido presente nos poros do solo à matriz sólida, geralmente por atração elétrica entre íons (normalmente cátions) e as cargas elétricas desta superfície, resultando em um fenômeno não linear, podendo até gerar várias camadas sobrepostas. A fração argila (argilominerais) é responsável pelo potencial de interação do solo com as substâncias dissolvidas, em virtude das cargas elétricas altas e da grande superfície específica (MITCHELL, 1976).

Geralmente, a superfície das partículas é carregada negativamente, e tende a atrair cátions, onde os de maior valência serão aderidos preferencialmente. Estas trocas são parcialmente reversíveis, dependendo de ciclos de saturação ou variações no pH da solução. O pH da solução influencia na sorção através da variação da solubilidade da substância, onde as soluções ácidas tendem a dificultar mais as trocas catiônicas do que as soluções alcalinas (Borges, 1996). A adsorção ocorre geralmente envolvendo partículas carregadas eletricamente, que disputam sítios com carga oposta à da molécula adsorvida. Quando há pequena quantidade de substância a ser adsorvida, acumula-se muito mais substância adsorvida na matéria do que na solução. Quando a situação é contrária, com grande quantidade de substância a ser adsorvida, as moléculas já adsorvidas passam a repelir as livres, permitindo que a solução contenha uma quantidade maior de moléculas (SILVA, 2005).

A água contida nos solos pode apresentar-se de três formas: adsorvida na superfície dos argilominerais, fazendo parte da estrutura molecular das partículas sólidas ou preenchendo os vazios. Essa última parcela, juntamente com a parcela da adsorção, determina a quantidade de fluido sorvida pelo solo chamada de sorção. Grim (1968) demonstrou que a água adsorvida, que ele denominou de não líquida ou rígida, tem propriedades diferentes da água líquida que está livre para fluir. Essa água tem moléculas organizadas em uma espécie de estrutura rígida a partir da superfície dos argilominerais, cujas características dependem da natureza do argilomineral e da natureza dos ânions e cátions adsorvidos na superfície deste. A natureza da água adsorvida e os fatores que influem na formação da camada de água adsorvida à superfície dos argilominerais são pontos fundamentais que determinam certas propriedades dos sistemas argila+água, tais como a plasticidade, a viscosidade, a tixotropia, o poder ligante e a resistência mecânica no estado úmido (Santos, 1975). De acordo com

44 Vargas (1981), as camadas de água adsorvidas contribuem para o aumento das ligações entre as partículas, sendo fonte de coesão verdadeira.

A interação solo/líquido, portanto, depende do solo e da propensão do líquido em interagir com as partículas sólidas. Entre os fatores apontados na literatura que influenciam no volume de líquido adsorvido pelas argilas, por exemplo, está a sua constante dielétrica. Embora, para meios granulares a constante dielétrica relativa dos fluidos não esteja incorporada nas formulações que estabelecem o comportamento geotécnico dos solos, para meios argilosos, entretanto, quanto maior a constante dielétrica relativa do fluido, maior a espessura do filme adsorvido na superfície das argilas com impacto nas propriedades hidráulicas (OLIVEIRA, 2001; OLIVEIRA et al., 2010; CARDOSO, 2011), dentre outros). A constante dielétrica do líquido é um dos fatores apontados na literatura que influenciam mais fortemente no volume de líquido adsorvido pelas argilas, a qual determina a sua expansividade. A adsorção de líquidos pelas argilas é diretamente proporcional à sua constante dielétrica, conforme pode ser verificado com os valores da Tabela 3.

Tabela 3 – Adsorção de líquidos por montmorilonita em função de suas respectivas constantes dielétricas relativas.

Líquido Volume Sorvido (cm3_/g) Constante Dielétrica (r) Expansão, E (cm3_/g) Relação r/E Água - H2O 0,99 76,0 0,58 131 Etanol - CH2OH 0,66 31,9 0,25 128 C2H5OH 0,60 24,1 0,19 127 C2H70H(n) 0,57 20,5 0,16 128 Pentanol - C5H11OH(n) 0,53 14,6 0,12 122

Tetra cloreto de carbono - CCl4 0,41 2,2 0,00 -.-

45 2.2. INFLUÊNCIA DA CONSTANTE DIELÉTRICA NO COMPORTAMENTO DO

SOLO

Neste item será apresentado como a constante dielétrica relativa dos fluidos pode interferir nas seguintes propriedades do solo: floculação e dispersão; condutividade hidráulica; potenciais do fluido no solo, curva de retenção, compressibilidade e resistência ao cisalhamento.