A teoria da camada dupla foi desenvolvida inicialmente para coloides e busca explicar as interações entre as superfícies dos argilominerais, os cátions nas camadas integradas e a solução que rodeia as partículas do solo. Baseia- se, no modelo de Gouy – Chapman, e sendo logo depois refinado pelo modelo de Stern. Em solos finos, a presença da dupla camada difusa promove o surgi- mento de diversos fenômenos eletrocinéticos no solo como consequência da aplicação do campo elétrico gerado pelo desbalanceamento das cargas elétri- cas superficiais (Mergulhão, 2002).
A camada dupla corresponde à aquela região onde os íons positivos da solução e a superfície de solo com carga negativa interagem. Além disto, des- creve-se como a camada em torno das partículas na qual as moléculas da água são atraídas a íons de solo, e ambos à superfície das partículas. As ca- racterísticas desta dependem da valência dos íons presentes na água, da con- centração eletrolítica, da temperatura e da constante dielétrica do meio (Sousa, 2012).
As moléculas do líquido adsorvido nas partículas sólidas não participam do processo de fluxo, de forma que, segundo seja a dimensão do microporo, este pode ser obstruído por duas camadas duplas adjacentes formadas duran- te a interação, impedindo a passagem do fluido. A substituição de um fluido in- tersticial por outro, que conduzisse a uma menor espessura da camada dupla, tenderia aumentar a permeabilidade do solo ao fluido em questão, pois parte do microporo estaria disponível para a ocorrência de fluxo.
O comportamento e as propriedades da camada dupla dependem signifi- cativamente do tipo de argilomineral e da composição química da solução. Se- gundo Ruhl e Daniel (1997) as características dos líquidos percolantes que ten- dem a contrair a camada dupla, levando a um aumento da permeabilidade são: a baixa constante dielétrica (ε), a elevada concentração eletrolítica (água salo- bra ou hipersalinas) e a predominância de cátions multivalentes (Ca2+ e Mg2+).
Segundo Santos (1975), a presença de íons dissolvidos no líquido em que a argila está dispersa afeta as partículas de argilominerais de três manei- ras diferentes, que podem ocorrer simultaneamente: i) influencia na camada
d’água adsorvida, quanto à espessura e à orientação; ii) concessão de carga negativa à partícula argilosa; iii) permissão de clivagem ou separação das partí- culas em partículas menores, geralmente, paralelamente ao plano basal, for- mando lâminas mais finas. A Figura 8 apresenta uma exemplificação da cama- da dupla e a sua interação iônica. No lado esquerdo se ilustra a mudança da densidade de carga ao redor da partícula, enquanto que no lado direito a distri- buição de íons positivos e negativos ao redor da partícula com carga ilustrada.
Figura 8. Ilustração da Camada dupla iônica (Adaptado de Zeta Meter Inc., 1977).
2.4.1 Modelo Gouy-Chapman
As superfícies argilosas contém cargas superficiais predominantemente negativas, e, quando estas são colocadas em uma solução, os cátions da solu- ção são atraídos pela superfície argilosa de forma a se obter um balanceamen- to nas cargas. Consequentemente, a concentração dos cátions será maior na superfície das partículas da argila que na solução. Por outro lado, devido às di- ferenças de concentração catiônica, estes tenderão a se propagar da superfície argilosa para a solução, por gradientes na sucção osmótica. Desta forma pode- se dizer que as forças de difusão ou osmóticas tendem a deslocar os íons na
direção oposta do campo magnético gerado pelas cargas de superfície (Eslin- ger e Pevear, 1988).
O resultado eletrostático líquido desta atração e da propagação dos cá- tions é um ponto de equilíbrio no qual a região ao redor das partículas de solo contém uma camada de espessura específica. No caso de ter uma diminuição na concentração de cátions e que estes se encontram dispersos e desprendi- dos das superfícies das partículas, o ponto de equilíbrio será obtido através da interação entre estes e a solução. Por conseguinte, existem somente duas ca- madas com cargas elétricas apresentadas neste modelo: a carga negativa da superfície da partícula argilosa e a carga positiva dos cátions na camada difusa (propagação) formando assim a camada dupla. A espessura da camada de Gouy dependerá da carga elétrica na superfície das partículas argilominerais e da salinidade (força iônica) da água.
2.4.2 Modelo de Stern
O modelo de Stern é uma variação do modelo de Gouy-Chapman, que considera o fato que os cations têm um tamanho finito e que alguns íons po- dem ser seletivamente atraídos para as superfícies dos argilominerais. Neste modelo, próximo à superfície negativa da partícula argilosa existe uma camada de cátions fixos adsorvidos seletivamente pela partícula do solo. Esses cátions são fixos e não fazem parte da camada de cations móveis (camada difusa). A carga negativa da superfície argilosa é balanceada pela soma das cargas posi- tivas na camada Stern e na camada difusa. A orientação das moléculas da água ao redor das partículas de solo proporciona as propriedades plásticas dos argilominerais. Consequentemente, quanto maior seja a distância entre as su- perfícies das partículas, menor será a força de atração entre a água e o solo.
Diante disso, pode-se afirmar que a espessura da camada dupla exerce influência no comportamento das partículas sólidas. Portanto, espessuras me- nores tendem a favorecer às forças de atração possibilitando maiores valores de resistência do solo. No que diz respeito à influência da espessura da cama- da dupla nos valores de permeabilidade, contudo, observa-se que quanto me- nor a espessura da camada dupla, maior o espaço disponível para o fluxo de fluidos permeantes aumentando, em consequência, a permeabilidade do solo.
Por conseguinte, a equação (5) pode ser empregada para realizar a estimativa desta espessura:
t=
√
ε⋅Kb⋅T8⋅π⋅ne⋅e2
⋅v2 (5)
Onde t é a espessura da camada dupla geralmente em unidades de Å [L]; Kb é
a constante de Boltzmann [razão entre a constante dos gases e o número de Avogadro]; T é a temperatura absoluta [oK]; n
e, é a concentração eletrolítica na
solução [íons c·m-3]; e, a carga elementar; v, é a valência iônica em solução; ,Ɛ é a constante dielétrica [-]. A Figura 9 apresenta a ilustração dos fatores que in- fluenciam na espessura da camada dupla.
Figura 9. (a) Variação da espessura em função da concentração eletrolítica ao redor da partícula sólida. (b) Variação da espessura em função da polaridade do fluido intersticial (Adaptado: Fang, 1997).
Destaca-se, na Figura 9.b que a espessura da camada dupla aumenta conforme aumenta o valor da do fluido intersticial, sendo que a água, por suaɛ alta polaridade, acaba gerando camadas de maior espessura. Desta forma, a Figura 10 ilustra a ocorrência da distribuição dos cations ao redor das partícu- las sólidas dos argilominerais segundo o modelo (teoria) da camada dupla.
Figura 10. Ilustração da distribuição dos cations próximos nas superfícies argilominerais segundo o modelo (Adaptado: Arnold, 1978).
2.5 Comportamento hidráulico dos líquidos hidrocarbonetos em solos