Graduação em Engenharia Civil

(1)

GEOTECNIA

GEOTECNIA AMBIENTAL

AMBIENTAL

Graduação em Engenharia Civil

Graduação em Engenharia Civil -- UPE

UPE

Fluxo e Transporte de Massa de

Contaminantes no Meio Poroso

Prof

(2)

Fundamentos do Transporte de Contaminantes

em Solos e Águas Subterrâneas

TIPOS DE PROBLEMAS:

- Identificação/delineação de zonas existentes de contaminação - Avaliação do local (“Site Assessment”) Extensões

- Comportamento futuro do processo de contaminação - Remediação

- Remediação

GEOLOGIA DO MEIO:

- Poroso (granular)

a) controlado por advecção b) controlado por difusão - Fraturado

- Não saturado

TIPOS DE FLUIDOS/FLUXO:

- Miscíveis/Imiscíveis - Densidade

- Viscosidade

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1) Conceito de Concentração

C = (massa do soluto) / (volume da solução)

2) Função Concentração

MASSA DO CONTAMINANTE

FLUXO

FONTE DE CONTAMINAÇÃO

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PROCESSOS

FÍSICOS

- Advecção - Dispersão

- Difusão Molecular - Volatilização

QUÍMICOS/BIOQUÍMICOS

- Dissolução/Precipitação - Reações de Oxi-redução - Adsorção

- Volatilização (fase gasosa)

MODELO

PREVISÃO

CONHECIMENTO EXPERIÊNCIA MODELAGEM MATEMÁTICA - Adsorção

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TRANSPORTE DE CONTAMINANTES DISSOLVIDOS

No caso de uma pluma de contaminantes dissolvidos sujeita à degradação, os processos (mecanismos) que controlam o transporte através do meio poroso são:

ADVECÇÃO: deslocamento do soluto em função do fluxo das águas subterrâneas. A força motriz é o gradiente hidráulico.

DISPERSÃO MECÂNICA: espalhamento da massa de contaminantes devido às variações de velocidade nos vazios do solo.

DIFUSÃO MOLECULAR: transporte do soluto devido à gradientes de concentração.

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TRANSPORTE DE CONTAMINANTES DISSOLVIDOS

(7)

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

TRANSPORTE POR ADVECÇÃO

Fluxo decorrente de gradiente hidráulico

Governado pela permeabilidade do aquífero (Lei de Darcy)

Direção do fluxo: do maior para o menor potencial hidráulico

Baixas velocidades (10 a 1000 m / ano) Baixas velocidades (10 a 1000 m / ano)

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• O transporte advectivo é expresso pela Lei de Darcy, cuja velocidade média do fluxo é dada por:

v = K dh v = velocidade média do fluido no meio poroso_{K = condutividade hidráulica}

TRANSPORTE POR ADVECÇÃO

v = K dh η dx

K = condutividade hidráulica η = porosidade

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

DISPERSÃO MECÂNICA

• Como as velocidades do soluto dissolvido em água não são uniformes no meio poroso, ocorre uma mistura ou espalhamento ao longo de seu percurso.

• Essa mistura é denominada dispersão mecânica e resulta na diluição da • Essa mistura é denominada dispersão mecânica e resulta na diluição da massa de contaminantes dissolvidos nas extremidades da pluma (a jusante da fonte).

• O espalhamento que ocorre ao longo da direção de fluxo é denominado dispersão longitudinal.

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• Como as velocidades do soluto dissolvido em água não são uniformes no meio poroso, ocorre uma mistura ou espalhamento ao longo de seu percurso. Essa mistura é denominada dispersão mecânica e resulta na diluição da massa de contaminantes dissolvidos nas extremidades da pluma (a jusante da fonte). O espalhamento que ocorre ao longo da direção pluma (a jusante da fonte). O espalhamento que ocorre ao longo da direção de fluxo é denominado dispersão longitudinal. O espalhamento na direção perpendicular é denominado dispersão transversal.

D = α_i v_i

α_i= dispersividade dinâmica na direção i (m) v_i = velocidade real média na direção i (m/s)

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

Processo de mistura causado pela variação da velocidade de fluxo no meio poroso.

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Fluxo decorrente de gradiente de concentração

Resulta de movimentos de translação, rotação e vibração das moléculas do fluido.

Governado pelo coeficiente de difusão do aquífero (Lei de Fick)

Direção do fluxo: da maior para a menor concentração

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

DIFUSÃO MOLECULAR

Direção do fluxo: da maior para a menor concentração

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

DIFUSÃO MOLECULAR

Resulta de movimentos de translação, rotação e vibração das moléculas do fluido. É o transporte de soluto devido à gradientes de concentração, que é descrito matematicamente pela Lei de Fick:

i = - D_d dC dx

i = fluxo mássico

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

DISPERSÃO HIDRODINÂMICA

O processo de difusão molecular não pode estar separado da dispersão mecânica no fluxo de águas subterrâneas. Os dois processos juntos definem o parâmetro denominado coeficiente de dispersão hidrodinâmica, D . É representado pela expressão:

D_L. É representado pela expressão:

D_L = α_L v_i + D*

D_L = coeficiente de dispersão hidrodinâmica longitudinal α_L= dispersividade dinâmica longitudinal

v_i = velocidade real média na direção i (m/s)

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• O processo de dispersão hidrodinâmica pode ser ilustrado abaixo. Uma massa de soluto é instantaneamente introduzida no aqüífero no tempo t₀, no intervalo x = 0 + a. A concentração inicial é C₀. O soluto se espalha ao longo do percurso, e a concentração máxima decresce com o tempo, como indicado no tempo t₁ e t₂.

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• Em sistemas onde as concentrações variam com o tempo, pode-se aplicar a segunda Lei de Fick para a dispersão hidrodinâmica, onde o processo é proporcional a gradientes de concentração. Para sistemas unidimensionais, temos:

EQUAÇÃO DE DISPERSÃO HIDRODINÂMICA

temos:

C = concentração do soluto

D_L = coeficiente de dispersão hidrodinâmica

∂

C

= D

_L

∂

2

C

(17)

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• A forma unidimensional da equação advectiva-dispersiva para constituintes dissolvidos não reativos em meios porosos saturados é a seguinte:

EQUAÇÃO GERAL DO TRANSPORTE DE MASSA

∂

C = D

_L

∂

2

_{C - v}

x

∂

C

∂

t

∂

x

2

_∂

_x

D_L = coeficiente de dispersão hidrodinâmica longitudinal (m2_/s)

D_T = coeficiente de dispersão hidrodinâmica transversal (m2_/s)

∂

t

∂

x

2

_∂

_x

• A forma bidimensional da equação advectiva-dispersiva para constituintes dissolvidos não reativos em meios porosos saturados é a seguinte:

∂

C = D

_L

∂

2

_{C + D}

T

∂

2

C - v

x

∂

C

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MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• O soluto pode ser adsorvido na fração sólida (especialmente em solos finos e matéria orgânica)

• São fenômenos considerados químicos, embora não geram modificações nas substâncias envolvidas, ainda que a composição química do solo

SORÇÃO

nas substâncias envolvidas, ainda que a composição química do solo influencie bastante no processo. Atenuam os picos de concentração, “enfraquecendo” o avanço da pluma de contaminação.

• Sub-fenômenos: adsorção e absorção

Adsorção: excesso de concentração do contaminante na superfície sólida.

(19)

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• Consiste na adesão superficial de substâncias à matriz sólida, geralmente por atração elétrica entre íons (normalmente cátions) e as cargas elétricas desta superfície. É o principal mecanismo de retenção de metais em solução, porém não tem tanta importância na retenção de substâncias orgânicas.

ADSORÇÃO

• As reações de adsorção são normalmente muito rápidas em relação a velocidade de fluxo, enquanto que as reações de absorção são lentas.

ABSORÇÃO

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Processos de Atenuação (Sorção)

Solos Arenosos:

- Formados por minerais não reativos, como quartzo, feldspato e micas.

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

micas.

- Não adsorvem nada, a não ser que tenham matéria orgânica.

Solos Argilosos:

- Contêm argilo-minerais e compostos orgânicos que são chamados de colóides.

(21)

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

• É um importante processo ambiental, que causa a quebra de componentes químicos no solo. Processo bioquímico que transforma os contaminantes (matéria orgânica) em dióxido de carbono e água pela ação de microorganismos existentes naturalmente no solo.

BIODEGRADAÇÃO

• Pode ocorrer em condições aeróbicas e anaeróbicas.

• Biodegradação anaeróbica: fermentação, denitrificação, redução de ferro, redução de sulfato e produção de metano.

• Pode ocorrer em condições aeróbicas e anaeróbicas.

• Taxa de biodegradação depende: do número e tipos de microorganismos presentes, da toxidade de seu componente de origem, da quantidade de água, temperatura e ph do solo, da presença de outros nutrientes para o metabolismo de microorganismos, dentre outros.

Taxa de degradação = - φλφλCφλφλ

φ = porosidade do meio

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Atenuação Biológica: o contaminante pode servir de fonte de carbono e energia para os microorganismos.

1.20 1.60 a s c o ) PCE TCE c-1,2-DCE MVC

MECANISMOS DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00

TEMPO (horas) 0.00 0.40 0.80 C O N C E N T R A Ç Ã O ( u m o l/ fr a MVC ETENO

(23)

M

MODELOS DE

ODELOS DE PREDIÇÃO DA DINÂMICA

PREDIÇÃO DA DINÂMICA

D

DOS CONTAMINANTES

OS CONTAMINANTES

• A modelagem numérica dos processos de transferência de massa é uma atividade complexa.

• Limitações dos modelos computacionais comercialmente disponíveis:

• Os modelos podem auxiliar na decisão de quando e com qual intensidade as intervenções de engenharia podem ser conduzidas na recuperação de uma área impactada, bem como decidir se a atenuação natural é ambientalmente aceitável.

• Limitações dos modelos computacionais comercialmente disponíveis:

- Simulador “UTCHEM”

- Integra: as multifases, os multicomponentes, a tridimensionalidade do problema e as equações de dispersão, advecção, atenuação e bioconversão - Ferramenta promissora

• Universidade do Texas: desenvolvimento de um simulador de modelo por diferenças finitas - considera o problema como um sistema com uma única fase (a dissolvida)

- trata a atenuação de forma simplista, considera em geral apenas um fator de adsorção - as equações de bioconversão são negligenciadas