Transporte de Contaminantes em Barreiras para Contenção de
Lixiviados com Presença de Metais Pesados.
Rejane Nascentes
Universidade Federal de Viçosa, Rio Paranaíba, Brasil, rejane.nascentes@ufv.br
Pedro Domingos Marques Prietto
Universidade de Passo Fundo, Passo Fundo, Brasil, pdmp@upf.br
Izabel Christina D'Almeida Duarte de Azevedo
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, Brasil, iazevedo@ufv.br
Lucas Martins Guimarães
Universidade Federal de Viçosa, Rio Paranaíba, Brasil, guimaraeslm@ufv.br
Aline Monteiro dos Santos
Universidade Federal de Viçosa, Rio Paranaíba, Brasil, aline.monteiro@ufv.br
RESUMO: Águas residuárias provenientes da lixiviação de resíduos industriais e de mineração são uma importante fonte de impacto ambiental, em decorrência da presença de metais tóxicos e de sua constituição ácida. O maior agravante é que essas águas residuárias têm como seu principal destino o solo, o qual não representa o ponto final das substâncias tóxicas presentes. Em muitos casos, essa disposição é realizada de forma inadequada, sem a utilização de técnicas de engenharia que proporcionem a adequada contenção e tratamento dos poluentes. Para contenção da evolução de plumas de contaminação, são utilizadas barreiras impermeáveis, que possuem como objetivo limitar o escape de contaminantes líquidos para às águas subterrâneas e a migração química por processos difusivos, pelos quais há o transporte de zonas de alta concentração para zonas de baixa concentração (águas subterrâneas). Barreiras de argila compactada convencionais têm sido estudadas ao lado de técnicas complementares, a fim de reduzir a permeabilidade dos contaminantes, já que uma barreira impermeável ideal e aquela que proporcione baixa permeabilidade e um retardamento dos contaminantes. Sendo o principal uso estudado, o do acréscimo de cimento Portland no solo, formando uma mistura de solo-cimento compactado. Assim, o presente trabalho teve como objetivo determinar isotermas de sorção para um solo argiloso residual com adição de cimento Portland. As isotermas são necessárias para avaliar o transporte de contaminantes me solos com fins de aplicação em barreiras impermeáveis de fundo em aterros de resíduos sólidos industriais e de mineração. Foram realizados ensaios com solução sintética de nitrato dos metais cádmio, chumbo, cobre e cromo. Foi feita a caracterização geotécnica do solo e da mistura solo-cimento. Foram realizados os ensaios de batelada (Bach test) com solo e solo cimento (2%). A introdução de 2% de cimento Portkand CPII E 32 aumento consideravelmente a sorção dos metais Cr3+, Cd2+ e Pb2+. A sorção do cobre (Cu2+) aumentou porém em escala menor comparada a sorção dos outrso três metais avaliados. Ensaios em coluna estão sendo realizados, porém não se obteve ainda os resultados finais devido ao longo periodo de duração desses ensaios.
PALAVRAS-CHAVE: transporte de contamiantes, metais pesados, isotermas de sorção, solo cimento.
Para a contenção ou a minimização da contaminação dos solos e de águas subterrâneas são utilizadas barreiras impermeabilizantes, as quais têm como objetivo principal limitar o escape de contaminantes líquidos para às águas subterrâneas e a migração química por processo difusivos, pelos quais há o transporte de zonas de alta concentração para zonas de baixa concentração (águas subterrâneas).
Tais barreiras impermeabilizantes são muitas vezes construídas apenas de solo compactado, sendo que este deve possuir algumas características básicas, como trabalhabilidade, boa resistência mecânica, baixa permeabilidade, dentre outras características necessárias, no entanto, não é muito fácil encontrar solos totalmente adequados a tais construções, assim surge o estudo de novos tipos de materiais para tal impermeabilização. Uma das formas de impermeabilização é a utilização de geossintéticos, porém nem sempre é muito viável, devido ao seu alto custo.
Assim, na busca de soluções viáveis tanto construtivamente como economicamente surge um novo conceito, o de solo estabilizado quimicamente, ou seja, um solo que anteriormente não possuía características adequadas quando acrescido de algum composto passa a ter tais propriedades melhoras, sendo o composto mais utilizado para este fim o cimento portland, onde suas concentrações quando adicionado devem ser estudadas.
Neste contexto de estudo dos solos estabilizados quimicamente por cimento portland está a presente pesquisa de transporte de contaminantes em barreiras compactadas de solo-cimento para contenção de lixiviados ácidos de resíduos industriais e de mineração, o qual pretende avaliar inicialmente a sorção de um solo argiloso residual compactado, com e sem adição de cimento portland, para fins de aplicação em barreiras impermeáveis de fundo em aterros de resíduos sólidos industriais e de mineração, quando em contato com lixiviado ácido enriquecido com metais cádmio (2+), chumbo (2+), cobre (2+) e cromo (3+).
O objetivo desse trabalho é determinar isotermas de sorção de Frendlich e Langmuir desses metais em um solo argiloso residual,
com adição de cimento Portland com intutito de aumentar a sorção dos metais com o uso de baixas porcentagens de cimento.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Transporte de Contaminantes
Segundo Farias (2003) o transporte de contaminantes pode acontecer tanto por meios físicos como químicos, ou ainda por ambos os meios, sendo que tal transporte pode se dar por meios porosos, ou ainda por meios fraturados saturados ou não.
De acordo com Rizzo (2006) a retenção de contaminantes no solo é devido ao transporte destes contaminantes entre os vazios do solo, no sentido do gradiente hidráulico do solo, sendo tal transporte uma interação dos processos físico-químicos entre solo-contaminante.
Como relata Nascentes (2006), é necessário distinguir os diferentes mecanismos físico-químicos que dominam o transporte da evolução da contaminação, assim como definir o seu fluxo principal. Apesar de serem definidos por legislação para barreiras impermeabilizantes apenas limites de condutividade hidráulica, existem outros mecanismos que regem o transporte de contaminantes pela barreira.
2.2 Isotermas de Sorção
A extensão da sorção de um dado soluto é, freqüentemente, estimada por uma função de distribuição denominada isoterma de sorção, obtida em laboratório a partir de ensaios de equilíbrio em lote. As isotermas de sorção são, portanto, curvas determinadoras da partição do soluto entre as fases líquida e sólida, em equilíbrio com diferentes concentrações de soluto. Equações teóricas são usualmente empregadas para ajustar as isotermas obtidas experimentalmente. Dentre as relações mais comumente utilizadas para representar sorção não-linear destacam-se as isotermas de Freundlich e de Langmuir.
A expressão matemática correspondente à isoterma de Langmuir é
c b 1 c b S S m (1) em que, Sm é a capacidade de sorção do solo
em relação à substância de interesse; b é um parâmetro que representa a taxa de sorção (L3 M-1); e c é a concentração de equilíbrio do soluto. Os parâmetros Sm e b são determinados a partir de curvas 1/S vs. 1/c, obtidas nos ensaios de equilíbrio em lote
A isoterma de Freundlich, descrita pela equação (4), é um modelo empírico alternativo que, muitas vezes, fornece uma melhor descrição quantitativa da sorção.
K c
S f (2)
em que Kf e são constantes determinadas também determinados executando-se ensaios de equilíbrio em lote. Para =1, a Equação 4 recai na relação linear para a sorção. Do mesmo modo que os parâmetros da isoterma de Langmuir, os parâmetros de Freundlich são. As constantes de cada modelo variam com o solo, o soluto e com as condições ambientais. Deve-se ressaltar que, como estas constantes são determinadas experimentalmente em laboratório, estes valores só se aplicam nas condições de ensaio que, de maneira geral, não representam o que ocorre no campo. De acordo com Yong et al. (1992), as isotermas devem ser usadas apenas como uma representação qualitativa da situação de campo. Além do mais, como cada equação está baseada em hipóteses diferentes, uma isoterma poderá ser uma boa representação em alguns casos e não ser adequada a outros. Conseqüentemente, em cada situação, deve-se identificar a curva que melhor se ajusta aos resultados obtidos dos ensaios.
3 MATERIAL E MÉTODOS
3.1. Caracterização Geotécnica
O solo foi coletado no município de Rio Paranaíba-MG e submetido a vários ensaios de caracterização geotécnica, a fim de que se pudesse ser feita a sua real classificação segundo a classificação universal dos solos. Foram realizados os seguintes ensaios: Massa Específica Real dos Grãos (NBR 6508:1984), Análise Granulométrica (NBR 7181:1984), Limites de Atterberg (NBR-6459/ABNT - Determinação do Limite de Liquidez de Solos; NBR-7180/ABNT – Determinação do Limite de Plasticidade de Solos), e Ensaio de Compactação (NBR – 7182 /1986).
O cimento utilizado foi cimento portland CP II E 32. A porcentagem utilizada foi de 2% de cimento em relação a massa de solo seco.
3.2. Ensaio de batelada (Bach test ou Equilíbrio em Lote) - ASTM D4646/2008
O procedimento dos ensaios de equilíbrio em lote ou ensaio de batelada (Bach test) tem por base as recomendações da ASTM D4646/2008. A proposta adotada neste trabalho consiste em agitar um lote de amostras de mesma razão solo: solução e soluções com concentraçãoes variadas e tempo de ensaio de 24 horas
A proporção solo:solução adotada foi de 1:25. A solução utilizada foi uma solução sintética de nitrato dos metais cádmio, chumbo, cobre e cromo
Os frascos utilizados para a mistura são tubos de centrífuga com capacidade para 50 mL, graduados e com tampa.
As amostras de solo devem ser secas ao ar, destorroadas, homogeneizadas e passadas em peneira n°10 (2 mm de abertura). A massa de solo utilizada é de 1 g de solo seco, corrigida em função da umidade higroscópica das amostras, e o volume da solução de 25 mL. A mistura de solo cimento foi também pesada sendo 2% de cimento em relação ao peso de solo seco. A soma dos pesos eram de aproximadamento 1g. Foi utilizada uma balança de 3 casas decimais para pesagens.
As amostras de solo-solução devem ser preparadas e colocadas para agitar no agitador. O agitador é constituído de garras, utilizado para agitar erlemeyers. Para facilitar a agitação das amostras, utiliza-se uma folha de isopor
como suporte para as amostras. O suporte deve ser recortado com o formato dos tubos, permitindo o encaixe de vários tubos de centrífuga horizontalmente. O isopor deve ser preso no agitador, permitindo a agitação de várias amostras, simultaneamente, sob 100 oscilações/min e temperatura média de 20°C. Decorrida a agitação, as amostras devem ser centrifugadas a 3000 rpm por 10 minutos, numa centrífuga com capacidade para 8 tubos. O sobrenadante deve ser filtrado em papel filtro rápido e recolhido em frasco plástico (pote de filme) e acondicionado em geladeira até a leitura dos metais por espectrofotometria de absorção atômica.
Nas Figuras 1 a 4 estão mostrados alguns detalhes dos equipamentos e das amostras utilizados neste ensaio.
Figura 1 – Mesa agitadora orbital
Figura 2 – Centrífuga
Figura 3 – Detalhe da centrífuga
Figura 4 – Amostras antes (à esquerda) e após a centrifugação (à direita)
4 RESULTADOS E DISCUSSÔES
A partir da caracterização geotécnica obtiveram-se os seguintes resultados:
Tabela 1 - Caracterização geotécnica do solo (granulometria e limites)
Granulometria Limites de Atterberg
Argila (%) Silte (%) Areia (%) Pedreg (%) LL (%) LP (%) IP (%) 65 6 29 0 44,2 32,5 11,7
Figura 5 – Curva granulométrica do solo
De acordo com a classificação geotécnica o solo foi classificado em argila de baixa plasticidade pela classificação unificada dos solos.
E o ensaio de compactação realizado, nos forneceu a seguinte curva de compactação.
Figura 6 – Curva de compactação do solo
4.1 Isotermas de Sorção
A seguir são apresentadas as isotermas de sorção de Langmuir e Frendlich dos metais Cr3+, Cd2+, Cu2+ e Pb2+ no solo sem adição e solo com adição de 2% de cimento (Figuras 7 até 14).
Figura 7 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo e metal Cr3+.
Figura 8 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo cimento e metal Cr3+.
Figura 9 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo e metal Cd2+.
Figura 10 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo cimento e metal Cd2+.
Figura 11 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo e metal Pb2+.
Figura 12 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo cimento e metal Pb2+.
Figura 13 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo e metal Cu2+.
Figura 14 – Isotermas de Freundlich e Langmuir obtidas nos ensaios como solo cimento e metal Cu2+.
Observa-se que a sorção com a presença do cimento, mesmo que em baixa porcentagem (2% em relação ao peso de solo seco do solo) aumentou muito a sorção do solo em relação aos metais cromo, cádmio e chumbo. O metal cobre (Cu2+) teve um pequeno aumento na sorção quando foi adicionado 2% de cimento ao solo.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos ao apoio finaceiro da FAPERGS e da FAPEMIG projeto TEC - APQ-02267-10.
REFERÊNCIAS
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Wiley
ASTM (2008) Designation D4646: Standard Test Method for 24-h Batch-Type Measurement of Contaminant Sorption by Soils and Sediments. Philadelphia.
Azevedo, I.C.D.A.D., Nascentes, R., Azevedi, R.F., Matos, A.T., Guimarães, L.M., Coeficiente de dispersão hidrodinâmica e fator de retardamento de metais pesados em solo residual compactado. Solos e Rochas – Revista Brasileira de Geotecnia. São Paulo: v.26, n.3, p229-249, 2003.
Azevedo, I. C. D.D. ; Nascentes, R. ; Matos, A. T. ; Azevedo, R. F., Determination of transport parameters for heavy metal in residual compacted soil using two methodologies . of transport parameters for heavy metal in residual compacted soil using two methodologies . Canadian Geotechnical Journal, Canadá, v. 33, n. 7, p. 912-917, 2006.
Texto. São Paulo. 2008.
FARIAS, W. M. (2003). Condutividade Hidráulica de
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Dissertação de Mestrado, Publicação G. DM-108/03, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 152 p.
Nascentes, R..Estudo da mobilidade de metais pesados
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RIZZO, R.P.; LOLLO, J.A. Capacidade de retenção de barreiras de proteção produzidas com solo arenoso estabilizado quimicamente. Revista Engenharia Sanitária e Ambiental, Vol.11 - Nº 3 - jul/set 2006,
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Shackelford, C.D. Geotechnical practice for waste
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