ESTUDO DA ELETRO-OSMOSE EM SOLOS RESIDUAIS:
DESENVOLVIMENTO DE EQUIPAMENTO E METODOLOGIA DE ENSAIO
Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Civil: Geotecnia.
Orientador: José Tavares Araruna Junior.
Departamento de Engenharia Civil.
Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro
A DEUS, POR NOSSO REENCUENTRO.
A MARTA, MINHA COMPAÑERA, MINHA AMIGA, MINHA ESPOSA A MEUS PAIS, POR SER ELES
pela paciência depositada.
A Claudio Rabe, por seu apoio e as horas gastadas na discussão do trabalho, pela paciência, e por sua amizade
A José Martins, por seu apoio técnico e seu apoio espiritual.
Ao pessoal do Laboratorio de Geotecnia, William, Amauri, e ao “chefe” Josué, por seu apoio incondicional
Ao pessoal da sala 608 pelo café e as críticas ao trabalho.
A presente dissertação apresenta o estudo da eletro-osmose em um solo residual gnaissico em ambiente laboratorial. O foco do trabalho foi direcionado ao desenvolvimento de equipamento e metodologia de ensaio. Duas células foram desenvolvidas, uma para amostras indeformadas e outra para amostras reconstituídas em laboratório.
Os resultados do programa experimental não contrastaram muito com os disponíveis na literatura técnica. Observou-se que o fluxo eletro-osmótico é proporcional ao gradiente elétrico aplicado e que apresentava um comportamento errático durante o decorrer do ensaio, possivelmente devido às reações causadas pela eletrocinese. A variação no teor de umidade através dos corpos de provas foram ínfimas. Um fato curioso foi a indepedência dos parâmetros que avaliam a eficiência eletro-osmótica em relação ao gradiente elétrico aplicado. Em relação ao consumo energético, verificou-se que o mesmo é maior durante os instantes iniciais do ensaio e tende a se estabilizar com o passar do tempo. Observou-se ainda, uma relação direta com o gradiente elétrico aplicado. Para fins de projeto, o consumo enérgético pode ser estimado como US$ 0,30 por kW.h/m3.
Em relação às reações químicas decorrentes da eletrocinese, constatou-se uma pequena variação nas temperaturas dos eletrólitos. Contudo, devido ao pequeno valor, esta diferença pode ser atribuída às incertezas do sistema de medição. Constatou-se ainda que o fluxo eletro-osmótico pode ser majorado através da acidificação da solução. Em ensaios realizados com soluções com diferentes pH’s, observou-se um maior fluxo em uma solução inicialmente básica, seguida de uma solução inicialmente neutra e um menor fluxo em uma solução inicialmente ácida.
gneiss. The objective of this study was to develop test equipment and methodology. Two different cells were constructed, one for natural and the other for reconstituted material. The experimental results are consistent with technical literature values. It was observed that the electro-osmotic flow is proportional to the magnitude of the electrical potential gradient and showed a somewhat erratic behaviour during the test, which could be due to the physical-chemical reactions through the soil caused by electrolysis. The variation of water content in the specimens was minimal. One curious fact was that the electroosmotic efficiency coefficient, which evaluates the electroosmotic efficiency, turned out to be independent from the electrical potential gradient. The power expenditure was greater during the initial stages of the tests and tended to stabilise over the remaining time. It was observed a direct relation between the power expenditure and the electrical potential gradient. For design purposes, the current cost of energy expenditure could be assumed as US$ 0,30 per kW.h/m3. There is a little variation in the temperature of electrolytes during tests. It was also observed that electroosmotic flow can be improved by acidification of the solution.
Lista de abreviaturas e siglas ... X
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Introdução ... 1
1.2 Arranjo da dissertação... 2
CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 4
2.1 Introdução ... 4
2.1.1. Eletro-osmose ... 5
2.1.2. Eletroforese ... 5
2.1.3. Eletromigração ou potencial de migração ... 6
2.1.4. Potencial de corrente ... 6
2.2 Efeitos da eletrocinese nas propriedades dos solos finos... 6
2.2.1. Efeitos da eletrocinese nos Limites de Atterberg ... 6
2.2.2. Umidade ... 7
2.2.3. Efeito da eletrocinese no pH ... 9
2.2.4. Condutividade hidáulica... 11
2.2.5. O efeito da eletrocinese no fluxo ... 12
2.2.6. O efeito da eletrocinese na poropressão ... 15
2.2.7. Efeito da eletrocinese no adensamento ... 15
2.2.8. Parâmetros de resistência ... 17
2.3. Caracteristicas e propiedades dos ensaios eletrocineticos ... 18
2.3.1. Gradiente de potencial elétrico ... 18
2.3.2. Coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica, ke e eficiência eletro-osmótica, ki .... 20
2.3.3. Condutividade elétrica aparente ... 23
2.3.4. Consumo energético ... 24
2.4. Remediação de solos via eletrocinese... 27
2.4.1. Eficiência para remoção de contaminantes ... 27
CAPITULO 3 DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE ENSAIOS... 31
3.1. Introdução... 31
3.1.1 Células pesquisadas. ... 31
3.2 Desenvolvimento da célula ... 36
3.2.1 Equipamento desenvolvido ... 37
3.2.1.1. Vantagens da célula desenvolvida ... 37
3.2.1.2. Célula propriamente dita ... 37
3.2.1.3. Reservatório dos eletrólitos ... 39
3.2.1.4. Sistemas adicionais e equipamentos ... 41
CAPÍTULO 4 – SOLOS ESTUDADOS... 44
4.1. Introdução ... 44
4.3.1. Solo do campo experimental PUC-Rio ... 50
4.3.2. Solo caulinítico ... 50
4.3.3. Solo residual ... 51
CAPÍTULO 5 ANÁLISE DOS RESULTADOS... 55
5.1. Introdução ... 55
5.2 Resultado dos ensaios. ... ... 57
5.2.1. Avaliação das células ... 57
5.2.1.1. Variação de gpe na célula de 50 mm ... 57
5.2.1.2 Variação de gpe na célula de 200 mm ... 60
5.2.1.3 Comparação entre células ... 62
5.2.1.4 Variação do pH ... 63
5.2.2 Comportamento do solo residual ... 64
5.2.2.1 Variação de gpe ... 64
5.2.2.2. Variação do pH ... 70
CAPÍTULO 6 CONCLUSÕES... 76
LISTA DE FIGURAS
Fig. 2.1. Fenômeno Eletrocinetico. a) Eletroosmose. b) Potencial da corrente. c) Eletroforese. d) Migração ou potencial de sedimentação. (adaptado de Mitchell,
1976)... ... 4
Fig. 2.2 Distribuição do teor de umidade num silte-argiloso, (Casagrande, 1949) ... 8
Fig. 2.3 Porcentagem da fração de argila vs teor critico de umidade. (Piaskowski, 1957) .... 9
Fig.2.4 pH efluente versus Volume de poro, (Hamed, et.al., 1991) ... 10
Fig. 2.5 Medições de fluxo vs tempo em ensaios de pequena escala em argilas cauliniticas saturadas e densidade de corrente constante de i= 0,19 A/m2 e concentração 450 ppm de Fenol .(Shapiro e Probstein, 1993) ... 11
Fig. 2.6 Descarga de água por eletro-osmose. (Casagrande, 1949) ... 13
Fig. 2.7 Curvas de fluxo. (Hamed, et.al., 1991) ...……… ...…... 13
Fig. 2.8 a) Medições de volume acumulado de efluente vs tempo para remoção de soluções com fenol. b) Medições de volume acumulado de efluente vs tempo para remoção de soluções com acido acético (0,1M NaCl com 25V). Ambos em caulim. (Shapiro & Probstein, 1993) ... 14
Fig. 2.9 Curvas de adensamento. (Shulka, 1953) ... ... 16
Fig.2.10 Resultados de penetração e pH de argilo-siltoso de Osaka (Murayama & Mise, 1953)... ... ... 17
Fig.2.11 Carga hidráulica e resistência elétrica durante a eletroosmose (Wang, 1953) ... 19
Fig.2.12 Curvas de gradiente de potencial elétrico. (Hamed et al., 1991) ...…….. 19
Fig.2.13 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos. (Acar et al., 1994) ... 20
Fig.2.14 ke versus concentração equivalente de cátions intercambiáveis (Piaskowski, 1957) 21 Fig.2.15 Câmbios no coeficiente de permeabilidade eletroosmótica e coeficiente de eficiência de transporte de água com caulim contaminado por Pb(II). (Hamed et al., 1991) ……… 22
Fig.2.16 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos, para solos contaminados com Cd(II). (Acar et al., 1994) ... 23
Fig.2.17 Mudanças na condutividade aparente com o tempo (Hamed et al., 1991) ... 24
Fig.2.18 Consumo energético (Acar et al., 1994) ... 25
Fig.2.19 Volume versus concentração normalizada de ensaios em areia quartzosa com diferente potencial. Uma retardação significativa ocorre na presencia de um potencial imposto. (Runnells & Wahli, 1993) ...…... 26
Fig.2.20 Taxas de concentração através das amostras. (Hamed et al., 1991) ...…... 27
Fig.2.21 Comparação de perfis de Pb(II), pH e condutividade elétrica. (Hamed et al., 1991) 28 Fig.2.22 Distribuição normalizada de Zinco e pH ao longo de cilindro de acrílico (Probstein & Hicks, 1993) ... 29
Fig.2.23 Eficiência de remoção de Cádmio. (Acar et al., 1994) ... 30
Fig. 3.1 Esquema das células de eletro-osmose desenvolvidas por Casagrande (1948) ... 32
Fig. 3.2 Célula fechada de eletro-osmose proposta por Casagrande (1948) ... 32
Fig. 3.3 Célula vertical proposta por Casagrande (1983) ... 33
Fig. 3.4 Esquema da célula de eletro-osmose de Murayama et. al (1953) ... 33
Fig. 3.5 Equipamento eletro-osmótico acoplado ao oedômetro. (adaptado de Shulka, 1953) 34 Fig. 3.6 Esquema da célula de eletro-osmose desenvolvida por Hamed et al., 1991 ... 35
Fig. 3.7 Esquema da célula desenvolvida por Eykhout et al., 1994 ... 35
Fig. 3.8 Equipamento eletroosmótico desenvolvido por Laurindo, 1999... 36
Fig.3.9 a) desenho célula de 200 mm de comprimento, b) foto de dita célula, e c) célula de 50 mm de comprimento ... 38
Fig.3.10 Reservatórios dos eletrolitos. a) diagrama esquemático b) vista do eletrólito e c) detalhe de conexão de PVC que une a bureta ao reservatório. ... 39
Fig.3.11 a) Eletrodo de aço 316, e b) detalhe de união da placa de aço com o reservatório de água. ... 40
Fig.3.12 Célula de Eletrocinese desenvolvida na PUC-Rio. ... 40
Fig.3.13 a) foto da célula de 200 mm de comprimento e b) Célula 50 mm de comprimento.. 41
Fig.3.14 Equipamentos acoplados a) Fonte de corrente continua modelo MPC-303D fabricado pela Minipa, b) pHmétro modelo 290A fabricado pela ORION, c) multímetro digital modelo ET-2070, da Minipa. ... 42
Fig.3.15 Equipamento montado. ... 42
Fig.3.16 Data Logger Portátil Modelo 2290-8... 43
Fig. 4.1 Curvas granulométricas solo do campo experimental, PUC-Rio (Beneveli, 2002) . 46
Fig. 4.2 Curva granulométrica do caulim extra fino, (Carrillo, 2000) ... 47
Fig. 4.3 Curva granulométrica do solo residual ... 49
Fig. 4.4 Detalhe da base de acrílico com a amostra ... 51
Fig. 4.5 vistas do Cilindro, do êmbolo de PVC e da pedra porosa ... 52
Fig. 4.6 Arranjo do ensaio de eletrocinese ... 53
Fig. 4.7 Curva tipo, deslocamento versus tempo, na célula eletrocinética ... 54
Fig. 5.1 Detalhe da célula onde o material foi carreado... 58
Fig. 5.2 Variação do fluxo eletro-osmótico devido a diferente gpe... 59
Fig. 5.3 Variação do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (ke) devido a diferente gpe... 59
Fig. 5.4 Variação do fluxo eletro-osmótico devido a diferente gpe... 61
Fig. 5.5 Variação do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica devido a variação de gpe... 62
Fig.5.6 Comparação entre dois tipos de ensaios com diferente gpe... 63
Fig.5.7 variações de fluxo com variação de pH na solução. gpe = 1 V/cm ... 64
Fig. 5.8 Variações de fluxo eletro-osmótico devidos a diferente gpe na célula de: 50 mm... 65
Fig.5.9 Variações de pH devidas a diferente gpe no solo residual na célula de 50 mm... 66
Fig.5.10 Variações de ke devidos a diferente gpe na célula de 50 mm ... 66
Fig.5.11 Variações na eficiência eletro-osmótica devido a diferentes gpe na célula de 50 mm... 67
Fig 5.12 Potencial de corrente devido a diferente gpe na célula de 50 mm... 68
Fig.5.13 Variações na condutividade aparente devida a diferentes gpe na célula de 50 mm... 69
Fig.5.14 Consumo energético devido a diferente gpe na célula de 50 mm e pH~7... 70
Fig.5.15 Variação do fluxo eletro-osmótico com variação de pH na célula de 200 mm... 71
Fig.5.16 Variação de pH na célula de 200mm em ensaios com diferentes pH na solução ... 71
Fig.5.17 Variações do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica na célula de 200 mm.. 72
Fig.5.18 Variação de umidade no interior do corpo de prova... 72
Fig.5.19 Variação da temperatura dos eletrólitos... 73 Fig.5.20 Comparação entre comprimento das células de 50 e 200 mm diferente gpe e pH~7 74
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de
engenharia. Adaptado de Shulka (1953) ... 7
Tabela.2.2. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de engenharia. Adaptado de Shulka (1953) ... 12
Tabela 2.3. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de engenharia. Adaptado de Shulka (1953) ... 18
Tabela 4.1. Características do solo do campo experimental da PUC-Rio, (Beneveli, 2002) ... 45
Tabela 4.2. CTC pela técnica do acêtato de amônio para o solo do campo experimental da PUC-Rio... 46
Tabela 4.3. Características do solo caulinitico extra fino... 47
Tabela 4.4. CTC pela técnica do acetato de amônio para o caulim extra fino ... 48
Tabela 4.5 Características do Solo Residual ... 48
Tabela 4.6. Composição do Solo Residual ... 49
Tabela 5.1. Ensaios realizados com caulim e solo residual ... 56
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
°C graus centígrados
A Área
A Amperios
φ Ângulo de atrito interno c Coesão
C Concentração
Ca++ Cálcio
CD01, CD02, CD03, CD04 Ensaio contaminados com Cádmio Cl Cloro
cm Centímetros
CTC Capacidade de troca de cátions
Cu Cobre
DC Corrente continua
φ Diâmetro
E, e Energia
ft Pés (foot)
Gs Densidade dos grãos
H Altura H Hidrogênio h Horas i Intensidade de corrente Ip Índice de plasticidade ka Condutividade aparente
ke Coeficiente de permeabilidade eletro-osmótico
Kg kilograma
ki Coeficiente de eficiência de transporte de água
kW Kilo Watts L Comprimento da amostra M Mol Mg++ manganês mL Mililitros Na Sódio O Oxigênio Pb(II) Chumbo pH Porcentagem de hidrogênio ppm partes por milhão
Pu Consumo energético por unidade de volume de solo s Segundo sq.ft Pés quadrados t Tempo Ton Tonelada V Volts X
Wk Teor de umidade crítico WL Limite de liquidez WP Limite de plasticidade Yr Ano (year) Zn Zinco γ peso específico
ABNT Asociação Brasileira de Normas Técnicas EMBRAPA Empresa Brasileira de pesquisa agropecuária NBR7181 Norma Técnica No. 7181
USCS Unificated Soil Classification System
1. INTRODUÇÃO
O processo de eletrocinese nos solos é uma técnica emergente na remediação de solos contaminados por metais pesados e elementos orgânicos. A primeira aplicação deste método pela engenharia civil, durante a década de 40, foi para a estabilização de solos finos (Casagrande, 1948).
Esta técnica se baseia na inserção de eletrodos no meio poroso e a aplicação de baixos níveis de corrente contínua que gera um gradiente elétrico que, por sua vez provocará fluxo de água. A eletrocinese engloba quatro fenômenos, os quais são: eletro-osmose, eletroforese, potencial de migração e potencial de corrente.
Com o passar do tempo, a engenharia civil passou a utilizar a eletrocinese para outros fins, como por exemplo: a estabilidade de escavações (Champpell & Burton 1975), sistemas de barreiras e percolação de água subterrânea (Gray, 1969), remoção de objetos metálicos do fundo do mar (Esrig & Henkel, 1966), incremento de produção de petróleo (Amba et al., 1964), injeção de soluções químicas (Esrig, 1967), perda da resistência na penetração de estacas (Thompson, 1971), determinação das variações volumétricas e características de compresibilidade dos solos (Banerjee & Mitchell, 1980), separação e filtração de materiais em solos e soluções (Yukawa et
al., 1971) e como técnica de remediação (Shapiro & Probstein, 1993; Hamed et al., 1991; Acar, et al., 1997; Alshawabkeh, 1996).
A utilização de corrente elétrica na geotecnia como método de remediação de solos vem-se desenvolvendo desde o final da década de 80 (Putman, 1988; Khan et al., 1989; Thompson, 1989; Mitchell & Yeung, 1991). O método de eletrocinese pode ser utilizado na separação e na remoção
de contaminantes orgânicos e inorgânicos. Ela também pode ser utilizada como uma técnica alternativa de descontaminação na construção de barreiras reativas, sistemas de detecção em liners, aterros sanitários e para a injeção de soluções pastosas, microorganismos e nutrientes nas camadas de solo (Mitchell, 1976; Acar & Gale 1986; Acar et al., 1991; Renauld & Probstein, 1987).
Este trabalho objetiva a avaliação do desempenho de células de eletrocinese que foram desenvolvidas no laboratório de geotecnia da PUC-Rio e o entendimento do processo de eletrocinese em solos residuais.
2. ARRANJO DA DISSERTAÇÃO
A dissertação esta organizada de 6 capítulos, apresentando inicialmente, neste capítulo a introdução ao tema da pesquisa desenvolvida.
No capítulo 2, apresenta-se uma revisão dos fenômenos envolvidos na eletrocinese, que engloba a utilização desta técnica para a remoção de contaminantes em solos finos e como esta técnica afeta as características físico-químicas e mecânicas destes solos. Neste capítulo também são revisados os conceitos de coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica, o coeficiente de eficiência de transporte e os gradientes elétricos.
A descrição de algumas células desenvolvidas no passado, o projeto das células desenvolvidas no Laboratório da PUC-Rio e a campanha de ensaios eletrocinéticos estão descritos no capítulo 3. O capítulo 4 descreve os solos analisados, suas características físicas, método de preparação dos corpos de prova, montagem nas células, e os processos de medição.
No capitulo 5 se realizam as análises dos resultados, tanto da eficiência da célula desenvolvida, como dos resultados dos ensaios de eletrocinese no solo residual.
Finalmente, o capítulo 6 apresenta as principais conclusões deste trabalho e sugestões para futuros trabalhos.
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 INTRODUÇÃO
No método da eletrocinese apresentam-se vários fenômenos que surgem da combinação acoplada de fluxos elétricos e hidráulicos causados por seus gradientes, que dependendo de sua intensidade, podem ser classificados em: eletro-osmose, eletroforese, potencial de migração e potencial de corrente. Cada um destes fenômenos envolve movimentos relativos de cargas elétricas, superfícies carregadas e fases líquidas, como mostra a Figura 2.1.
__ cátodo
+
ânodo Solução de Argila Movimento de Partículas Gerando potencial ElétricoMovimento de Partículas ∆E (d) __
+
Argila Saturada H2OFluxo de água induzindo Potencial∆E ∆H ∆E (b) __ cátodo
+
ânodo Argila Saturada H2O Gradiente elétrico induzindo fluxo de água ∆E (DC) (a) __ cátodo+
ânodo Solução de ArgilaGradiente elétrico induzindo Movimento de Partículas
∆E (DC)
(c)
Fig. 2.1. Fenômeno Eletrocinetico. a) Eletro-osmose. b) Potencial da corrente. c) Eletroforese. d) Eletromigração (adaptado de Mitchell, 1976)
2.1.1. Eletro-osmose
O fenômeno da eletro-osmose (Figura 2.1.a), envolve o transporte de água através de um meio poroso provocado por um gradiente elétrico. Quando o gradiente elétrico é aplicado, íons e partículas eletricamente carregadas presentes no solo movimentam-se em direção aos eletrodos, carreando consigo a sua água de hidratação ao mesmo tempo que exercem uma força de arrasto carreando parte da água livre (Mitchell, 1976).
Num meio poroso normalmente existem mais cátions que ânions para neutralizar a carga negativa das partículas de solo. Se um potencial elétrico é aplicado no sistema solo-água os cátions são atraídos para o cátodo levando sua água de hidratação, causando movimento de água na mesma direção. Este fluxo é conhecido como fluxo eletro-osmótico e seu fenômeno de eletro-osmose.
Sua magnitude depende do coeficiente de permebalidade eletro-osmótica ke. Segundo Acar e
Alshawabkeh (1993), o coeficiente de condutividade eletro-osmótica têm-se mostrado independente da distribuição do tamanho dos grãos e da presença de macro poros. Assim, a eletro-osmose pode ser um excelente método para gerar um fluxo uniforme e o transporte de massa em solos argilosos.
2.1.2. Eletroforese
A eletroforese pode ser entendida como o transporte de partículas coloidais carregadas eletricamente dentro de uma solução sob ação de um gradiente elétrico (Figura 2.1.c). Se um sistema água-argila é submetido a uma pequena corrente contínua (DC), as partículas de argila carregadas negativamente migrarão na direção do ânodo, o que implicará numa possível mudança da estrutura do solo. Ou seja, a eletroforese compreende o transporte de partículas através da água, já a eletro-osmose envolve o transporte de água através de um meio poroso.
2.1.3. Eletromigração ou potencial de migração
A eletromigração envolve o movimento de íons e moléculas numa solução aquosa sob a ação de um campo elétrico (Figura 2.1.d). A velocidade da eletromigração dependerá da resistência do campo, da carga dos íons e do nível de percolação que eles experimentem. A eletromigração é causada pela percolação viscosa da água que retarda o movimento dos cátions da camada difusa das partículas em movimento (Mitchell, 1976).
2.1.4. Potencial de corrente
O potencial de corrente é gerado pelo fluxo de água, induzido por um gradiente hidráulico, que carreia consigo cargas elétricas da camada dupla. Segundo Mitchell (1993), há registros em argilas de potenciais de migração de algumas dezenas de miliVolts.
2.2 EFEITOS DA ELETROCINESE NAS PROPRIEDADES DOS
SOLOS FINOS.
A eletrocinese surge da combinação de efeitos de movimentos e fenômenos elétricos ou fenômenos eletrocinéticos. Como já vimos, os fenômenos eletrocinéticos ocorrem através da aplicação de fluxos elétricos e hidráulicos, que por sua vez induzirão modificações nas características do solo, (e.g., na sua estrutura, no seu arranjo geométrico). A seguir será apresentada uma revisão bibliográfica sobre o efeito da eletrocinese nas propriedades físicas químicas e de resistência e deformabilidade dos solos.
2.2.1. Efeitos da eletrocinese nos limites de Atterberg
Shulka (1953), demonstrou que os limites de Atterberg de argilas típicas da Índia decrescem depois de que o solo é submetido a um gradiente de corrente elétrica. Na Tabela 2.1 são
mostrados seus resultados. Em argilas muito plásticas como as denominadas pelo autor de 1Po e
1MS, o limite de liquidez (wL) baixou perto de 20%. No entanto, em solos com estrutura
relativamente compacta como, os denominadas pelo autor de 2K, BB, P, 4B, e 4MS, baixaram só entre 10 e 12% em média.
Shulka sugere que argilas com um wL entre 53 a 58% podem ficar mais estáveis, pois após a
aplicação de um potencial elétrico têm o valor do wL reduzido significativamente para 35%. O
limite de plasticidade nestes solos decresce ligeiramente, mas não na mesma proporção, o que
sugere que este parâmetro não é muito influenciado pelas correntes elétricas. Os resultados
indicam que para argilas muito plásticas o índice de plasticidade é reduzido pela metade. Em solos cauliníticos (BB, P, 4B, 4MS) estas reduções não foram significativas. Nos outros solos houve uma redução de cerca de 40% em relação ao seu valor original.
Tabela Nº2.1. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de engenharia.
Adaptado de Shulka (1953)
Limite de Atterberg
Antes Depois do ensaio com corrente elétrica ( DC) No. De Ensaio Descrição wL % wP % IP wL % wP % IP 4 K 1 K 2 K Solos de Bundelkhand 53,7 45,2 41,8 18,4 21,2 18,8 35,3 24,1 23,0 35,2 30,7 29,2 17,8 14,2 15,1 17,4 16,5 14,1 BB P Argila de Res. Station Argila de Punjab 32,7 35,8 25,7 24,0 7,0 11,8 25,3 23,8 18,8 14,3 6,5 9,5 1B 2B 3B 4B Solos de Bundelkhand 38,0 34,9 26,9 33,4 19,6 19,5 17,4 18,2 18,4 15,4 9,5 15,2 25,3 24,4 21,3 25,8 11,3 12,2 13,2 17,2 14,0 12,2 8,1 8,6 1Po. Algodão Negro
de Poona 58,4 20,8 37,6 38,7 13,2 25,5 1 MS 2MS 4MS Solos de Mysore res. Station. 57,3 44,8 38,2 23,9 24,5 30,8 33,4 20,3 9,4 37,2 30,2 30,1 13,0 11,0 20,9 24,2 19,2 9,2
2.2.2. Umidade
Casagrande (1949), ao realizar uma bateria de ensaios com um gradiente elétrico de 0,48 V/cm em amostras de um silte argiloso, constatou uma pequena diminuição no teor de umidade dos
corpos de prova nas regiões próximas ao ânodo. Já nas proximidades do cátodo, Casagrande observou um comportamento oposto. À medida que o ensaio evoluía, o teor de umidade aumentava. Os resultados dos experimentos de Casagrande são vistos na Figura 2.2.
a inicio
b depois de 1 dia c depois de 10 dias f depois de 90 dias
Distância do Anodo (cm) cátodo
ânodo
Teor de umidade
inicio
Fig. 2.2 Distribuição do teor de umidade num silte-argiloso (Casagrande, 1949)
Os estudos de Piaskowski (1957), realizados em solos argilosos com wL entre 36 e 105%,
sugerem a existência de um teor de umidade crítico (wk), onde a aplicação de um potencial
elétrico abaixo de wk gerará drenagem no solo por evaporação eletrolítica da água e da migração
termo-osmótica. Segundo Piaskowski, o teor de umidade crítico é função da porcentagem da fração de argila conforme ilustra a Figura 2.3. Piaskowski sugere que o teor de umidade crítico pode ser também associado ao limite de liquidez.
Teor de umidade crítica w k % por peso 0 10 20 30 40 50 60 70 80 10 40 30 20
Porcentagem da fração de argila
Fig. 2.3 Porcentagem da fração de argila vs teor critico de umidade (Piaskowski, 1957)
2.2.3. Efeito da eletrocinese no pH
Segundo dados disponíveis na literatura técnica, o pH tem uma grande influência na eletrocinese. Porém em um ensaio onde não é controlado o pH, este varia ao longo do tempo de ensaio. Estas variações nas primeiras etapa são desde fortemente básico no cátodo (variação entre os 10,5 a 12,5) até fortemente ácido no ânodo (variação entre 2 e 4), (Hamed et al., 1991; Shapiro e Probstein, 1993; Runnells e Wahli, 1993; Probstein e Hicks, 1993; Acar et al., 1994). Já em um ensaio controlado, pode deter, mudar de sentido e até aumentar o fluxo eletro-osmótico.
Hamed et al. (1991) mostram a variação do pH no cátodo em solos cauliníticos, com respeito ao fluxo. A Figura 2.4 mostra que no início do experimento, o pH parte de valores entre 10-12. Subseqüentemente o pH permanece constante de 0,8 até 0,9 volumes de poro de fluido. Depois ele começa a cair. O pH efluente acompanha o comportamento do fluxo, a partir de 1 volume de fluxo o pH cai significativamente até valores ácidos, o que indica que a frente acida gerada no ânodo flui através da célula, neutralizando a base no cátodo e reduzindo o valor do pH do efluente.
Ensaio #3 Ensaio #1
Ensaio #5
Fluxo de volume de poro 0 6 4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 8 10 12 14 Efluente de pH
Fig.2.4 pH efluente versus Volume de poro (Hamed, et al., 1991)
Já Shapiro & Probstein (1993) conduziram uma série de experimentos visando a identificar a variação do padrão de fluxo devido a variação do pH. Os autores partiram do princípio que caso a concentração iônica das soluções colocadas seja a mesma, as taxas de fluxos diferentes seriam indicativos do efeito do pH no potencial zeta. O potencial zeta pode ser entendido como o
potencial elétrico na união entre as partes fixas e móveis da dupla camada elétrica. Para solos
argilosos o potencial zeta (ζ) é geralmente negativo (isto é resultado da carga na superfície da
partícula), porém fortemente dependente da química do poro. Shapiro & Probstein ao realizarem ensaios em argilas cauliníticas saturadas contaminadas com fenol a uma concentração de 450
ppm e aplicando uma densidade de corrente constante igual a 0,19 A/m2 constataram que, quando
numa solução alcalina, o fluxo eletro-osmótico é o dobro que numa solução ácida, e a solução neutra está entre as duas. Estes ensaios provam o efeito do pH no potencial zeta que pode ser responsável pela cessação ou continuação do fluxo. Adicionalmente, os autores sugerem que o fluxo pode ser controlado por intermédio do controle do pH dos eletrólitos.
Purga 0,01 M NaOH 0,01 M HCL 0,01 M NaCl 0 2 4 6 8 10 10 50 40 30 20 Tempo (dias) Volume do Efluente (mL)
Fig. 2.5 Medições de fluxo vs tempo em ensaios de pequena escala em argilas cauliniticas saturadas e
densidade de corrente constante de i= 0,19 A/m2 e concentração 450 ppm de fenol (Shapiro e Probstein,
1993)
2.2.4. Condutividade hidráulica
Nas argilas da Índia ensaiadas por Shulka (1953) constatou-se o aumento médio no valor da condutividade hidráulica em torno de 4 vezes, podendo-se chegar em alguns casos em até 300 vezes. Os resultados de Shulka estão listados na Tabela 2.2.
Por outro lado, como sugerem Hamed et al. (1991), há a possibilidade da geração de sucção no interior do corpo de prova próximo ao cátodo em solos de baixa permeabilidade causado pela migração de umidade para o ânodo. Este efeito pode gerar uma não uniformidade da condutividade hidráulica através do corpo de prova.
Tabela 2.2 Tratamento eletrocinético de argilas com efeitos nas propriedades de engenharia. (adaptado de Shulka, 1953)
Coeficiente de permeabilidade (m/s) No. De
Ensaio Descrição Antes Depois do ensaio com DC
4 K 1 K 2 K Solos de Bundelkhand 6,77×10-11 2,51×10-10 2,42×10-11 4,83×10-10 1,60×10-8 1,79×10-8 BB P
Argila de Res. Station
Argila de Punjab 6,47×10 -10 7,35×10-11 1,09×10-7 9,92×10-8 1B 2B 3B 4B Solos de Bundelkhand 8,7×10-11 1,55×10-10 2,51×10-10 1,21×10-8 6,77×10-10 1,25×10-9 4,67×10-8 1,28×10-7
1Po. Algodão Negro de Poona 2,90×10-11 4,34×10-10
1 MS 2MS 4MS
Solos de Mysore res, Station.
2,90×10-11 4,83×10-11 4,83×10-11 4,25×10-10 2,61×10-10 2,71×10-10
Wang (1953) ao realizar uma bateria de ensaios com solos arenosos ricos em matéria orgânica constatou o aparecimento de fissuras semelhantes às evidenciadas por Casagrande (1948) e Shulka (1953). O autor também constatou a formação de bolhas de gás no interior dos corpos de prova. A presença de macroporos pode levar ao aumento do valor da condutividade hidráulica do solo. Quando o solo não está bem compactado, as fissuras se transformam em trincas que por sua vez aumentam ainda mais a condutividade hidráulica dos solos. Wang argumenta que efeitos de acumulação de gás no solo refletem-se na poropressão e na resistência elétrica. Já Bjerrum et al. (1967), sugerem que 1) a geração de gás é devida a própria eletrólise, e que deve ser esperada perto do cátodo e 2) que este gás é rico em hidrogênio. Isto é demostrado pela seguinte relação
) Ânodo ( OH 4 H 2 e 4 O H 4 ) Cátodo ( H 4 O e 4 O H 2 2 2 2 2 − − + − + ↑ → + + ↑ → − (2.1)
2.2.5. O efeito da eletrocinese no fluxo
Casagrande (1949), baseado nos resultados ilustrado na Figura 2.6, sugere que a magnitude do fluxo eletro-osmótico dos solos pode ser considerada a mesma para todos os solos. Através de seu programa experimental, o autor pôde constatar que o fluxo eletro-osmótico inicia-se logo
após a aplicação da corrente elétrica na amostra, e verificou também que o fluxo de água é proporcional ao gradiente de potencial elétrico e de igual magnitude para solos argilosos, siltosos, arenosos e para um tipo de gel gelatinoso.
Volt /cm Fluxo em cm 3 * cm -2 * s -1 70 ×10-5 40 6 50 20 30 10 4 0 1 2 3 5 6 7 8 9 10 + * * + + + + + + + + + + * ** * * * Silte argiloso Pó de quartzo Argila de Londres Bentonita de Na Areia fina Pó de mica Caulim comercial Gel gelatinoso + * 500 p.c.t 2000 p.c.t 170 p.c.t
Fig. 2.6 Descarga de água por eletro-osmose (Casagrande, 1949)
Já Hamed et al. (1991) comprovaram que o fluxo eletro-osmótico não é constante e que a taxa de fluxo é dependente do tempo. Os autores se basearam nos resultados de ensaios eletrocinéticos com uma célula horizontal, vistos na Figura 2.7, onde foi aplicada uma voltagem máxima de 150
V em vários corpos de prova de caulim (wL~64% e wP~34%), saturado e contaminado com
Chumbo (II). Os autores argumentam que a variação do fluxo seja devida ao conteúdo de água inicial nas amostras entre outros fatores.
Ensaio #1 5 4 3 2 Tempo (h) Fluxo ( mL) 0 100 200 2000 1400 1200 1000 800 600 400 200 300 400 500 600 700 800 1800 1600 Ensaio Corrente (mA) Comprimento (cm) 1 1,0 20,3 2 3,0 10,2 3 3,0 20,3 4 3,0 10,2 5 3,0 10,2
Shapiro & Probstein (1993), realizaram experimentos com amostras cauliníticas contaminadas com fenol e ácido acético em laboratório. As espécies foram escolhidas por serem elementos orgânicos ácidos e por sua elevada ocorrência, seu baixo grau de toxicidade e pela diferença significativa em constantes de dissociação de dois ácidos orgânicos fracos. A Figura 2.8a, mostra os resultados obtidos por eles com fenol. No inicio dos três primeiros ensaios (ensaios com Voltagem de 25V) a inclinação das curvas do fluxo são quase iguais. Apesar do ensaio 3 ter as mesmas condições que os ensaios 1 e 2 o fluxo caiu quase pela metade possivelmente pela concentração de fenol (450 vs 45 ppm). A forma como o fluxo é afetado pelo contaminante não é evidente, porém ela pode ser atribuída a adsorção do fenol na superfície da argila e como conseqüência uma alteração da carga de superfície. No ensaio 4 onde foi aplicada uma tensão de 500V, a influencia da Voltagem no fluxo é evidente, além disto também foram reportadas trincas significativas no corpo de prova.
a) b) 5000 20 4000 3000 2000 1000 40 60 Tempo (dias) 450 ppm 25 V (ensaio 1) 450 ppm 25 V (ensaio 2) 45 ppm 25 V (ensaio 3) 450 ppm 500 V (ensaio 4) Efluente de volume (mL) 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 120 Tempo (dias) Volume efluente ( mL) 0,5 M (ensaio 5) 0,1 M (ensaio 6)
Fig. 2.8 Resultados dos experimentos de Shapiro & Probstein (1993): a) Medições de volume acumulado de efluente vs tempo para remoção de soluções com fenol. b) Medições de volume acumulado de efluente vs
tempo para remoção de soluções com acido acético (0,1M NaCl com 25V). Ambos em caulim.
Os resultados com ácido acético aparecem na Figura 2.8b. Observa-se um incremento de fluxo, que pode ser atribuído a composição química da solução de saturação.
2.2.6. O efeito da eletrocinese na poropressão
Casagrande (1948), sugere que a poropressão no corpo de prova aumenta como resultado da eletrocinese. Ele achou que a carga de pressão em ensaios realizados com argila de Londres,
siltes argilosos ou bentonitas, a carga de pressão desenvolvida no cátodo está ao redor de 103 cm
de água para um potencial de 20 Volts.
Vários autores consideram que a eletro-osmose altera as condições de poropressão no corpo de prova. Segundo os resultados obtidos por Bjerrum et al. (1967), pode haver a geração de sucção em áreas próximas ao ânodo devido a remoção de umidade, e excesso de poropressão nas circunvizinhanças do cátodo em virtude do aumento do teor de umidade.
2.2.7. Efeito da eletrocinese no adensamento
Wang (1953) discute o efeito da eletro-osmose em solos argilosos compactados ou solos coesivos com baixa condutividade hidráulica, onde a consolidação induzida pela eletro-osmose foi muito pequena. Já em solos siltosos, segundo o autor, a eletro-osmose induziu um rápido adensamento.
Shulka (1953) compara padrões de adensamento em solos argilosos da Índia quando submetidos ou não à eletro-osmose. Os resultados, vistos na Figura 2.9, demonstram um considerável incremento na taxa de adensamento depois de aplicada a corrente elétrica.
10 30 60 120 360 1440 0 20 40 60 80 100 Tempo (min) Grau de adensamento (%) c/eletro-osmose s/eletro-osmose
Fig. 2.9 Curvas de adensamento (Shulka, 1953)
Murayama & Mise (1953), fazem uma comparação entre o pH medido numa argila siltosa de Osaka (pH inicial de 7,68) e sua compacidade usando uma agulha de Vicat para medir a penetração na superfície do solo. Depois de aplicar 50 V por 20h com eletrodos de alumínio, a zona de maior capacidade de suporte foi detectada claramente na argila. Os resultados, mostrados na Figura. 2.10a, indicam que a penetração é mínima quando o pH chega a ser neutro. Mas ele apresenta resultados de um outro solo (Figura 2.10b) onde a zona de maior capacidade de suporte está próxima ao ânodo (com pH inicial de 7,54).
a) (I) (II) (III) (IV) (V) Ânodo Cátodo Amostra de solo 3 7 5 pH penetração cm 1 2 1 0 2 2 0 2 1 0 2 1 0 1 0 (I) (V) (II) (III) (IV) b) 8 9 7 6 5
ânodo Zona deconsolidação cátodo
15,5 cm
pH
Fig. 2.10 Resultados de penetração e pH de a) argilo-siltoso de Osaka e b) argila de Amagasaki (Murayama & Mise, 1953)
2.2.8. Parâmetros de resistência
Shulka (1953) faz uma comparação entre os parâmetros de resistência (c e φ) para solos em
condições naturais e os tratados eletro-osmóticamente. A comparação, vista na Tabela 2.3, sugere que o ângulo de atrito interno sofre um pequeno incremento, no entanto a coesão aumenta consideravelmente. O aumento no ângulo de atrito pode ser atribuído ao processo de adensamento o que deixa com a sua a estrutura mais estável e reduz o seu limite de liquidez.
Tabela 2.3. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de engenharia. Adaptado de Shulka (1953)
Parâmetros de Resistência
Não ensaiados Depois do ensaio com DC No. De Ensaio Descrição φ c kPa φ c kPa 4 K 1 K 2 K Solos de Bundelkhand 26,7 30,7 35,2 65,12 57,46 30,64 33,5 35,6 38,8 52,67 62,24 33,52 BB P
Argila de Res. Station Argila de Punjab 37,8 35,6 30,64 10,22 38,0 36,5 33,52 43,10 1B 2B 3B 4B Solos de Bundelkhand 22,5 25,3 33,8 38,2 81,40 71,82 59,34 43,10 31,2 31,2 35,7 38,9 91,93 81,40 62,24 62,21
1Po. Algodão Negro de Poona 18,3 119,70 27,8 119,70
1 MS 2MS 4MS
Solos de Mysore res. Station,
20,8 33,0 20,3 100,55 59,34 110,12 28,7 35,7 30,7 110,12 62,24 112,04
2.3. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DOS ENSAIOS
ELETROCINÉTICOS
2.3.1. Gradiente de potencial elétrico
Segundo Wang (1953), a resistência elétrica varia continuamente ao longo da amostra de solo, porém se torna uniforme após longos tratamentos eletro-osmóticos. Depois de ensaios realizados em solos siltosos com alto teor de matéria orgânica, o autor afirma também que a carga hidráulica apresenta a mesma tendência de comportamento como mostra a Fig. 2.11. Sob esta ótica, ele sugere que existem relações entre as propriedades elétricas e hidráulicas do material.
Cátodo
Seção
Ânodo
Distancia cm
dias
Carga hidráulica, cm Resistência elétrica, ohm m
dias
Fig. 2.11 Carga hidráulica e resistência elétrica durante a eletro-osmose (Wang, 1953)
Hamed et al. (1991), ensaiando amostras contaminadas com Chumbo(II) em uma célula horizontal com a aplicação de corrente constante constataram que os gradientes de potencial elétrico aumentaram com o decorrer do ensaio, conforme ilustra Figura 2.12.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 2,5 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 Tempo (h)
Gradiente de potencial elétrico (V/cm)
5
4
3
2
Ensaio No.1
Fig. 2.12 Curvas de gradiente de potencial elétrico (Hamed et al., 1991)
Acar et al. (1994) discutem a variação do potencial elétrico após a aplicação de uma corrente constante em ensaios com caulim. De acordo com a Figura 2.13, a flutuação dos gradientes de potencial elétrico ocorre entre 2,5V/cm e 4,5V/cm em alguns experimentos unidimensionais quando há deposição significativa de partículas próximo ao cátodo. O anterior pode ser, segundo eles, devido a formação de sais não condutores no cátodo que reduzem a resistência elétrica e resulta em flutuações erráticas da condutividade elétrica na célula. Eles mostram que com um pH baixo (ensaio CD04) no inicio de ensaio necessita de 200h para alcançar o gradiente de potencial final de 2,2V/cm. Quando inicia um ensaio com pH baixo, a condutividade do meio é alta, o que
faz que os gradientes de potencial elétrico gerados inicialmente sejam muito baixos. Num ambiente de pH baixo, o desenvolvimento de uma alta resistência na seção do cátodo necessita de um longo período de tempo devido a um processo de neutralização adicional do sistema ácido-base. 900 600 300 0 0 1 2 3 4 5 Tempo (h) Gradiente elétrico (V/cm) Ensaio pH inicial CD01 3,3 CD02 3,5 CD03 4,4 CD04 1,7
Fig. 2.13 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos (Acar et al., 1994)
2.3.2. Coeficiente de Permeabilidade Eletro-osmótica, k
ee Eficiência
Eletro-osmótica, k
iO coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica ke, é um indicador da rapidez com que a água
pode ser retirada do solo pela aplicação de um gradiente de potencial elétrico. Não deve ser
confundido com o coeficiente de permeabilidade hidráulica, kh. A magnitude do ke depende
principalmente do potencial do gradiente elétrico, da química do sistema solo-água, e das relações entre a poropressão. A experiência e a teoria indicam que isto é independente do tamanho dos poros (Casagrande, 1952). Piaskowski (1957), afirma que o coeficiente de
permeabilidade eletro-osmótica ke, pode ser independente do potencial de corrente. Os valores
determinados experimentalmente por ele alcançaram o valor de 3,4×10-5 cm2s-1Volt-1, e afirma
um programa experimental com vários solos argilosos com igual limite de liquidez (cerca de
32%) vistos na Figura 2.14 demonstram que ke não é constante como afirmou Casagrande em
1949. Os valores deste coeficiente determinam a velocidade de fluxo eletro-osmótico nos poros do solo mostrando ser dependente da concentração iônica.
Solo No. 1 Solo No.9 16 diferentes solos
Nw=ρρww= concentração equivalente de
cations intercambiaveis na água
3,0 0 0,3 0,6 0,9 1,2 Nw 1,0 2,0 4,0 0 ke (100/wg d ) 10 -5 cm 2 s -1 V -1
Fig. 2.14 ke versus concentração equivalente de cátions intercambiáveis (Piaskowski, 1957)
A experiência e a teoria indicam que o ke é independente do tamanho dos poros (Casagrande,
1952). O coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica pode ser calculado usando a seguinte expressão: E t A L Q k e e e × × × = (2.2)
onde Qe é o volume de água retirada em um tempo te, L é o comprimento da amostra, A é a área
da seção transversal da amostra, e te é o tempo transcorrido. A quantidade de água que pode ser
retirada em um certo tempo t, devido a tensão de adensamento gravitacional é dada pela equação
t A i k
A Figura 2.15, apresenta os resultados obtidos por Hamed et al. (1991), onde se mostra a
variação temporal de ke. Observa-se que este coeficiente aumenta rapidamente nos instante
iniciais mas decresce continuamente com o decorrer do ensaio. Casagrande (1983), verificou a mesma tendência com caulim.
A eficiência eletro-osmótica depende da quantidade de água transportada por unidade de corrente elétrica passada. Esta quantidade pode variar dependendo do tipo de solo, teor de umidade, e a
concentração do eletrólito. As variações de ke como também de ki, são dependentes do tempo e
da resistência da amostra, como sugerem Bjerrum et al. (1967). A constante de eficiência
eletro-osmótica (ki) é definida pela relação
t Q I ki ∆ ∆ = (2.4)
onde ∆Q é o volume drenado, ∆t é o intervalo de tempo em que foram registradas as leituras de
volume drenado e I é a corrente.
Tempo (h) Ensaio No.1
Tempo (h) Ensaio No.1
Fig. 2.15 Câmbios no coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica e coeficiente de eficiência de transporte de água com caulim contaminado por Pb(II) (Hamed et al., 1991)
Acar et al. (1994) reafirmam que os coeficientes não são constantes mas dependentes do tempo. Nos ensaios que eles realizaram com caulim o gradiente de potencial elétrico variou de 2,0V/cm nos ensaios CD01, CD03 e CD04 já no ensaio CD02 variou de 2,5 a 4,5V/cm com longos
períodos de tempo. A Figura 2.16 mostra que ke e ki tem comportamentos erráticos porém
a) b) Ensaio pH inicial CD01 3,3 CD02 3,5 CD03 4,4 CD04 1,7 300 600 900 0 10-7 10-6 10-5 Tempo (h) ke cm 2 /v por s Ensaio pH inicial CD01 3,3 CD02 3,5 CD03 4,4 CD04 1,7 Ki cm 3 /A por s 300 0 600 900 Tempo (h) 10-2 10-1 1
Fig. 2.16 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos, para solos contaminados com Cd(II) (Acar
et al., 1994)
2.3.3 Condutividade elétrica aparente
Este parâmetro é inversamente proporcional a resistência oferecida por o fluxo de corrente elétrica. Esta resistência pode mudar devido a variações na porosidade, tortuosidade do meio poroso e a variações do fluido do poro e concentrações elétricas na dupla camada. Os resultados apresentados por Hamed et al. (1991) e vistos na Figura 2.17, mostram uma redução significativa na condutividade aparente. A condutividade aparente representa um aumento na resistência e um incremento na voltagem requerida para manter a corrente constante. Eles concluem que a
condutividade aparente (ka), é uma boa aproximação da condutividade do solo, somente durante
as primeiras fases da eletro-osmose. Isto ocorre antes da ocorrência de uma polarização e quando uma concentração eletrónica seja relativamente constante através da célula. Os resultados também indicaram que um melhor entendimento da eletroquímica associada a eletro-osmose pode ser desenvolvido quando, durante um programa experimental, se avalie a condutividade aparente, que pode ser avaliada da seguinte expressão:
A V L I ka × × = (2.5)
onde I é a corrente, V é a diferença de Voltagem, L é o comprimento do corpo de prova e A a área transversal da amostra.
Tempo (h) Condutividade Aparente, k a ( µ S/cm) σ σ inicial (in situ) Ensaio No. 1
Fig.2.17 Mudanças na condutividade aparente com o tempo (Hamed et al., 1991)
2.3.4 Consumo energético
O consumo energético por unidade de volume de solo (Pu) em ensaios unidimensionais é dado
pela equação 2.6 AL IV dt dE Pu = u = 2.6)
onde Eu é a energia utilizada por unidade de volume de solo, t é o tempo, I é intensidade de
corrente, V é a voltagem, A é a área e L é o comprimento da amostra. Acar et al. (1994) ao realizarem ensaios sob intensidade de corrente constante, concluíram que o consumo energético é controlado pela evolução do gradiente elétrico ou pelo desenvolvimento da resistência através da amostra. Isto implica que depois do período inicial de indução, o consumo será constante. A Figura 2.18 apresenta as curvas obtidas pelo gasto de energia por unidade de volume de solo versus o volume de poro. Os resultados mostram que a energia consumida durante estes ensaios
possíveis razões; a primeira por que este ensaio foi mais longo que os demais e, a Segunda, devido ao comportamento errático da diferença de potencial em longas etapas de ensaios, possivelmente provocado pela formação e deposição de sais insolúveis.
Tempo (h)
Gasto de energia E
u
kWh/m
3
Fig. 2.18 Consumo energético (Acar et al., 1994)
Probstein & Hicks (1993) argumentam que o espaçamento ótimo entre eletrodos em campo pode influenciar nos custos da técnica de eletrocinese. Os custos energéticos dependem do tipo de mecanismo dominante; se é a eletro-osmose ou a eletromigração. Se os ensaios foram realizados por eletromigração o custo energético por mol de contaminante removido será proporcional à resistência e a corrente utilizada. Por outro lado, na eletro-osmose este custo será proporcional a resistência do campo elétrico e inversamente proporcional à concentração do contaminante na solução no poro, isto é o custo para mover o fluido do poro é proporcional ao fluxo eletro-osmótico, e independente da concentração do contaminante.
A Figura 2.19 mostra os resultados de experimentos realizados por Runnells & Wahli (1993), envolvendo fluxos de água numa areia quartzosa fina a uma velocidade média intergranular de 2,9, 1,9, e 0,2 m/dia. Nestes ensaios o objetivo foi o de verificar a influência do fluxo na
remediação de solos, quando estes estão contaminados com uma solução de CuSO4. Para isto a
eletromigração é considerada como o fenômeno principal da remediação e o fluxo eletro-osmótico como retardador na advecção de íons na qual a água flui.
Cada uma das Figuras tem duas curvas que representam o fluxo sem imposição de eletricidade (círculos brancos) e com imposição de 2,5V (triângulos negros). Pode-se observar que a influência do fluxo na remediação do solo é mais lenta quando se aplica a carga elétrica. No início, os gráficos indicam que, aparentemente o gradiente elétrico aplicado ajuda a descontaminar, mas a partir dos 140mL de volume percolado, observa-se que parece não existir muita diferença nos ensaios apresentados nas Figuras 2.19a e 2.19b. No ensaio apresentado na Figura 2.19c a um menor voltagem aplicada o transporte de íons de Cu é bem menor. Com isto é demonstrado que com menor fluxo, a concentração de contaminante diminui. Também, pode-se afirmar que a geração de fluxo pode ultrapassar a eletromigração e dissolver os contaminantes que vão para os eletrodos.
Velocidade meia de fluxo: 2,9m/dia Velocidade meia de fluxo: 2,9m/dia
a)
Velocidade meia de fluxo: 1,9m/dia Velocidade meia de fluxo: 1,9m/dia
b)
Velocidade meia de fluxo: 0,2m/dia Velocidade meia de fluxo: 0,2m/dia
c)
Fig. 2.19 Volume versus concentração normalizada de ensaios em areia quartzosa com diferente potencial. Uma retardação significativa ocorre na presencia de um potencial imposto (Runnells & Wahli, 1993)
2.4.
REMEDIAÇÃO DE SOLOS PELA TÉCNICA DA
ELETROCINESE
O tratamento eletroquímico de solos contaminados é baseado no processo eletrocinético que se desenvolve em um meio poroso úmido sob um campo elétrico de baixa intensidade. O primeiro processo é o da eletro-osmose, depois do transporte eletroforético de colóides e por último da migração iônica na água. A eficiência e a taxa deste processo são dependentes do tipo de solo, da composição mineral e química do meio, do sistema solo-água e do tipo, da idade, da distribuição e concentração do contaminante, assim como do nível de tensão atuante no corpo de prova, que determinam a porosidade, condutividade hidráulica e a compressibilidade do material.
2.4.1. Eficiência para remoção de contaminantes
Hamed et al. (1991), mostraram que os resultados realizados numa célula horizontal e caulim de ensaios de corta duração (100 h em célula de 10 cm de comprimento e 600 h em célula de 20 cm de comprimento), removem parcialmente o chumbo de um material contaminado (Figura 2.20). No ânodo, o contaminante é parcialmente removido e no mesmo tempo pode ser acumulado no cátodo. Já em ensaios de longa duração (450 h em célula de 10 cm de comprimento e 600 h em célula de 20 cm de comprimento) o Chumbo(II), foi removido da amostra entre 75 e 95%.
Distancia normalizada ou ânodo
Concentração final/inicial de Pb(II),
c
f
/c
i
Ensaio No. Ci (µg/g)µ
Nos ensaios de curta duração o contaminante de Chumbo (II) é redistribuído através do corpo de prova com o avanço da frente ácida. No cátodo este avanço é lento, pois o pH nesta região pode causar precipitação. No início do ensaio, como a frente ácida gerada na seção do ânodo avança dentro da célula, o Pb(II) é removido em um ambiente de pH baixo. Entretanto este vai se acumulando na seção do cátodo, onde vai se formando um ambiente com um pH mais alcalino. Os autores demonstram que a condutividade, vista na Figura 2.21, é aumentada no ânodo pelo
avanço dos íons de H+, e bruscamente caem os valores da condutividade elétrica inicial na seção
média e elevando-se no cátodo. Para processos longos, os valores de pH sofrem elevadas reduções e o Pb(II) presente nas amostras são removidos.
Fig. 2.21 Comparação de perfis de Pb(II), pH, e condutividade elétrica (Hamed et al., 1991)
Probstein & Hicks (1993), afirmam que se o metal presente na região de alto pH perto do cátodo, ele pode ser adsorvido no solo, podendo precipitar-se ou formar complexo de hidroxila. Este efeito é demostrado em uma célula horizontal de acrílico de 200 mm de comprimento. A Figura 2.22 ilustra a remoção de Zinco em uma amostra de solo caulínitico. Na Figura 2.22B praticamente foi reduzido a elevação abrupta do pH, sendo reportado que 98% do Zinco foi removido sob pH baixo. A taxa de remoção individual de metais é função do metal e da permeabilidade do solo. É sugerido que na presença de metais pesados em solos ricos em compostos orgânicos, pode-se negligenciar o potencial zeta, e assim a descontaminação deverá
ser feita por etapas, primeiro removendo os metais pesados por eletromigração e as etapas posteriores removendo os orgânicos por eletro-osmose.
Distancia normalizada ou ânodo
Concentração normalizada de Zinco
Fig. 2.22 Distribuição normalizada de Zinco e pH ao longo de cilindro de acrílico (Probstein & Hicks, 1993)
No trabalho de Runnells & Wahli (1993) a eletromigração é proposta como a técnica de remediação antes de se aplicar as técnicas tradicionais (escavação e disposição, de bombeamento e tratamento da área degradada, tratamentos químico/biológicos in situ, extração por vapor, tratamentos passivos (barreiras reativas)). Eles utilizaram areia de quartzo fina que foi saturada
com uma solução de CuSO4. Neste ensaio o potencial foi de 2,5V, o que causou a separação do
Cu e do SO4, o que gera a acumulação de Cu no cátodo e SO4 no ânodo, gerando com isto
grandes variações no pH. Eles concluíram que a eletromigração pode manter o controle de
descontaminação em soluções altamente solúveis e não reativas, como o SO4, NO3, Cl e Na, que
são espécies que aparecem comumente na contaminação de águas subterrâneas.
A Figura 2.23 apresenta os perfis finais de concentração de Cd(II) removido nos ensaios de Acar et al. (1994), em amostras de caulim com uma concentração inicial de Cd(II). Em todos os experimentos foi possível remover entre 92 até 100% do contaminante em praticamente toda a célula, com exceção da região mais perto do cátodo. Eles observaram que num ambiente com pH
ácido, o cádmio permanece sobre a forma de Cd2+ o que facilita a sua desorção da superfície da partícula e o seu transporte para o cátodo, seja por migração iônica ou por advecção eletro-osmótica. O cádmio metálico pode ser eletrodepositado sob a forma de espécie iônica ou de íon
Cd2+.
3.1. INTRODUÇÃO
O presente capítulo descreve o equipamento desenvolvido para o estudo de eletrocinese. Inicialmente será feita uma descrição dos equipamentos projetados por outros pesquisadores, sendo em seguida, feita uma descrição da célula desenvolvida no laboratório de Geotecnia da PUC-Rio. Por fim serão apresentados os equipamentos que completam o sistema de ensaio.
3.1.1 Células pesquisadas
As primeiras células de eletrocinese para estudo em solos foram projetadas por Casagrande (1948), onde o equipamento era constituído de um recipiente retangular, com eletrodos nas extremidades que geravam fluxo unidimensional (Figura 3.1.a). Neste equipamento a drenagem só era permitida através do cátodo. Os objetivos do estudo foram o estudo do modelo eletro-osmótico, a aceleração do adensamento e aumento da resistência de solos moles.
Em 1949, Casagrande estudou o movimento da água no meio poroso devido a eletro-osmose. Ele desenvolveu dois novos arranjos em relação a célula utilizada em 1948. A primeira não tinha água na parte externa do cátodo (Figura 3.1.b), e a segunda não possuía entrada de água nos extremos da amostra, (Figura 3.1.c).
-+ Superfície do solo
Água
livre Água livre
Amostra Ânodo Cátodo a) -+ Superfície do solo Água livre Amostra b) Ânodo Cátodo -+ Superfície do solo Amostra c) Ânodo Cátodo
Fig. 3.1 Esquema das células de eletro-osmose desenvolvidas por Casagrande (1948,1949)
Casagrande (1948), desenvolveu uma outra célula para medir as poropressões geradas nos ensaios. Esta célula não tem saída para a atmosfera. Este equipamento consiste num canal cilíndrico de acrílico, que tem uma abertura na área do cátodo que liga a uma coluna de mercúrio (Figura 3.2) onde é medida a pressão gerada no reservatório.
Coluna de mercúrio Eletrodos Amostra Cilindro de acrilico Orifício Parafusos de fixação Pedestal Tubos de pressão entre o coluna e reservatorio.
Posteriormente, Casagrande (1983) fez uma outra célula vertical adaptada com pesos para medir carregamento simultâneo ao gradiente elétrico. Nesta célula esquematizada na Figura 3.3 Casagrande empregou materiais isolantes para evitar fugas de corrente elétrica.
B e c k e r P i s t ã o Fonte D i s c o p o r o s o E l e t r o d o d e a ç o F i o g a l v a n i z a d o C á t o d o  n o d o A m o s t r a
Fig. 3.3 Célula vertical proposta por Casagrande (1983)
Murayama & Mise (1953), desenvolveram uma célula retangular semelhante a ilustrada na Figura 3.4. Nela, os eletrodos estão inseridos em reservatórios porosos e um sistema de sifão foi projetado para manter o nível da água constante no ânodo. Segundo os autores isso possibilita a minimização do desgaste dos eletrodos, a queda de corrente e o desenvolvimento de trincas.
DC
Cátodo Ânodo
Sifão
Potes porosos Amostra
Shulka (1953) e Castello Branco (1978), adaptaram uma célula oedométrica ao inserir eletrodos no cabeçote e na base, conforme ilustra a Figura 3.5. Shulka constatou que o isolamento da célula era inadequado, pois se verificou a fuga de corrente elétrica. Por outro lado, não era possível medir o pH, a poropressão e a temperatura, no decorrer do ensaio (Castello Branco, 1978).
Tubo para medir percolação Extensômetro Haste de sustentação Pedra porosa Água Amostra
Fig. 3.5 Equipamento eletroosmótico acoplado ao oedômetro (adaptado de Shulka, 1953)
Hamed et al. (1991), desenvolveram uma célula de fluxo horizontal com eletrodos de grafite inertes para prevenir o surgimento de corrosão, que poderiam afetar as reações químicas que estariam se processando durante os ensaios. Eles usaram também papel filtro nos extremos da amostra para evitar o carreamento de partículas de solo. O sistema, esquematizado na Figura 3.6, permite a leitura continua de variação do pH dos eletrólitos por intermédio de um sistema de aquisição de dados.
Amostra Filtros de papel Eletrodos Fonte Compilador pH-metro PC Reservatório de água Cátodo Ânodo Transdutor Fonte para o transdutor
Fig. 3.6 Esquema da célula de eletro-osmose desenvolvida por Hamed et al. (1991)
Eykhout e Daniel (1994) desenvolveram uma célula horizontal que também emprega eletrodos de grafite. Entre os eletrodos foram colocados pontos para medição da tensão e do pH, como também pontos de entradas e saídas nas câmaras dos eletrodos para injeção e drenagem de fluidos, como ilustra a Figura 3.7.
Pontos de medição Entrada Entrada Saída Saída Ânodo Reservatório Cátodo Reservatório Eletrodo Eletrodo Fonte DC
Laurindo (1999), desenvolveu uma célula eletrocinética formada por uma base plástica de PVC na qual são inseridos eletrodos alinhados. Esta base é apoiada em hastes rosqueáveis como mostra a Figura 3.8. este arranjo é fixado a uma base metálica que permite o acoplamento de uma proveta graduada no centro da célula. O ânodo é um anel de cobre que abarca todo o corpo de prova e o cátodo está no centro.
Proveta
graduada Hasterosqueavel Anel de cobre (Ânodo) Amostra Base metálica ajustável Haste rosqueavel Centro (Cátodo)
Fig. 3.8 Equipamento eletroosmótico desenvolvido por Laurindo, (1999)
3.2 DESENVOLVIMENTO DA CÉLULA
A célula desenvolvida visou medir o maior número possível de propriedades num ensaio eletrocinético. Além disto, as dimensões da célula são suficientes para conter uma amostra de solo representativa, de tal forma que os resultados obtidos possam servir para extrapolar as condições de campo. Os materiais para a fabricação da célula foram de fácil aquisição, baixo custo, versatilidade e adaptação a outros tipos de arranjos.
As medições realizadas durante os ensaios foram:
• pH da água e do solo,
• Volume drenado,
• Tensão e
• Corrente
3.2.1 Equipamento desenvolvido
3.2.1.1. Vantagens da Célula Desenvolvida
Entre as vantagens da célula desenvolvida estão:
a) É uma célula transparente que permite a observação direta do corpo de prova,
b) O corpo de prova fica totalmente isolado, o que evita a evaporação pela superfície de solo, c) Possui forma cilíndrica com diâmetro usualmente utilizado na mecânica de solos em ensaios
triaxiais,
d) Fluxo horizontal,
e) Fácil de montar e desmontar,
f) Os eletrodos evitam o contato com o solo, e com isto obter uma densidade de corrente homogênea na superfície mais próxima ao corpo de prova,
g) Os eletrodos são de aço inoxidável 316 para minimizar as reações químicas devidas aos efeitos da eletrólise,
h) As medições são de fácil execução,
i) O equipamento pode ser facilmente adaptado a uma configuração vertical, j) Outros equipamentos podem ser adaptados para melhorar as medições.
3.2.1.2. Célula Propriamente Dita
A Figura 3.9a apresenta a célula bipartida feita de acrílico, onde está o corpo de prova de solo caulinítico. A mesma figura apresenta as dimensões detalhadas (Figura 3.9b). Pode-se observar que a célula possui dimensões cilíndricas com 101,6 mm de diâmetro externo e de 38,1 mm de diâmetro interno e 200 mm de comprimento. Uma segunda célula foi desenvolvida e a diferença reside no comprimento e em sua estrutura, já que não é bipartida (ver Figura 3.9c). O
comprimento dela é de 50 mm e tem como principal propósito, o estudo de solos reconstituídos. A fixação das células é feita com parafusos de aço 316. A vedação da célula bipartida é realizada por intermédio de anéis de vedação posicionados em sulcos inseridos na peça acrílica.
a) 25,4 8 furos 1/4" x 20 fios 25,4 200 mm Φ 1 1/5” Φ 2” Φ 3 3/4” b) c)
Fig. 3.9 a) desenho célula de 200 mm de comprimento, b) foto de dita célula, e c) célula de 50 mm de comprimento
3.2.1.3. Reservatório dos Eletrólitos
Nas extremidades da célula foram adaptados dois reservatórios de acrílico, vistos na Figura 3.10. Os reservatórios possuem 40 mm de diâmetro interno e 76,2 mm seu diâmetro externo, possuindo 88,5 mm de comprimento, como se mostra na Figura 3.10.a. Eles são fixos na célula por parafusos de aço 316. Na parte superior do reservatório (Figura 3.10.b) há uma abertura de 12,7 mm de diâmetro, onde é colocado uma conexão inserida em PVC que acopla uma bureta
60 mm Φ 40 mm 36,5 Furo de φ ½ ” Φ ½” Φ 2” Φ 2 ¼” Φ 4” 8 mm 1 ” a) b) c)
Fig. 3.10 Reservatórios dos eletrólitos. a) diagrama esquemático b) vista do eletrólito e c) detalhe de conexão de PVC que une a bureta ao reservatório.
Além disto, os reservatórios contém eletrodos de aço 316 de 3,46 mm de espessura e 46 mm de diâmetro. Os eletrodos possuem um haste onde são fixos os cabos que ligam a célula com a fonte conforme ilustra a Figura 3.11a. Os eletrodos são fixados aos reservatórios por intermédio de uma placa de acrílico. Esta placa de acrílico é também fixa com parafusos de aço e vedado com anéis de vedação, como mostra a Figura 3.11b.
Orificio para conexão de cabos elétricos
a) b)
Fig. 3.11 a) Eletrodo de aço 316, e b) detalhe de união da placa de aço com o reservatório de água.
A Figura 3.12 mostra o diagrama esquemático da célula e Figura 3.13 mostra as fotos das duas células construídas. furo de φ ½ ” 8 φ 40 25,4 36,5 60 25,4 8 furos φ 1/4" x 20 fios 25,4 3,45 30 18 4 46 3" eletrodo de aço inoxidável
eletrodo de aço inoxidável
200 mm φ 1 ½” φ 2” 4”φ φ 2 1/4” φ φ 3 3/4” 2” φ 1 1/5” φ 5/32” φ 1/2” 1) 2) 3) 4) 3) 2) 1)
1) Fixador de eletrodo e reservatório de eletrólito.
2) Eletrodo
3) Reservatórios de eletrólito, 110 ml de capacidade.
4) Reservatório para amostra de solo de 200 mm de comprimento
a) b)
Fig. 3.13 a) foto da célula de 200 mm de comprimento e b) Célula 50 mm de comprimento
3.2.1.4. Sistemas Adicionais e Equipamentos
Os sistemas adicionais que foram utilizados para a realização dos ensaios foram: uma fonte de tensão DC, um multímetro, e um pH-metro. A fonte utilizada foi fabricada pela Minipa, modelo MPC-303D, com duas saídas variáveis de valor máximo de 30 V e corrente máxima de 3 A. A corrente elétrica foi medida através de um multímetro digital Minipa modelo ET-2070 com
resolução de 1µA. As medições da variação do pH nos reservatórios foram realizadas com um
pHmétro fabricado pela ORION, modelo 290A. Além disto, o volume drenado foi medido
através de buretas com capacidade de 10cm3. A Figura 3.14 mostra cada aparelho utilizado e a
a)
b) c)
Fig. 3.14 equipamentos acoplados a) Fonte de corrente continua modelo MPC-303D fabricado pela
Minipa, b) pHmétro modelo 290A fabricado pela ORION, c) multímetro digital modelo ET-2070, da
Minipa.
Figura 3.16 Data Logger Portátil Modelo 2290-8
O registro da distribuição de temperatura foi feito por um Data Logger Portátil Modelo ALMENO 2290-8, visto na Figura 3.16, que permite o armazenamento dos dados por períodos de
tempo constantes e pré-definidos, com uma precisão de 0,1°C. O Data Logger permite programar
a data e o tempo inicial e final de monitoramento, assim como o intervalo de leitura dos termopares. Todos estes dados são armazenados para posterior processamento gráfico.
