ESTUDO
DA D1
NAMICA
DA
AGUA
SUBTERRANEA
NO
CARIR
1
COM
BASE
EM
DADOS
DE
TRTCIO
CARLA
MARIA SALGADO VIDAL
SILVA
ORIENTADORA: Dra
.
Maria Marlucia Freitas SantiagoDISSERTAgAO
SUBMETIDA ACOORDENAgAO
DOCURSO DE POS
-
GRADUAgAO
EM FISICA,
COMO REQUISITO PARCIAL PARAOBTENgAO
DO GRAU DE MESTREUNIVERSIDADE FEDERAL DO
CEARA
ESTUDO
DA
DINAMICA
DA
AGUA
SUBTERRANEA
NO CARIRI
COM BASE EM DADOS DE
TRlCIO
CARLA
MARIA SALCADO VIDAL SILVA
Dissertagao
apresentada ao Curso de Pos-
CraduagaoUniversidade
Federal do Ceara,
obtengao do Crau de Mestre.
em Fisica da
como
parte dos requisitos paraComissao
Julgadora:
Maria
Marlucia
'Freitas
Santietgo(
UFC)-
orientador
-Horst
Frischkorn
(UFC)l
ariosi Ruiz Pessenda ( CENA)
Luiz
^
lan meiux paiar dlgsieda e'Senmana,minhcux Lruna&f Minna e lonna,
a-a
AGRADECIMENTOS
A prof
-
Maria
Marlucia
Freitas
Santiago,
pela grandededicagao
,
paciencia,
valorosa orientagao e pela forma como sempreme distinguiu
.
Ao prof
.
Alfredo Nelson Cabral Serejo,
pela participagaoe
amizade
.
Ao prof
.
HorstFrischkorn,
peloscomentarios
.
A
chefia
do Departamento deFisica
na pessoa do prof. Josue MendesFilho
,
pelo apoio de todas as horas, a confianga
amim concedida
ediscussoes
.
Ao prof
.
Francisco
Alcides
Germano, pelo bom tempo deconvivencia
na graduagao.
Aos professores do Departamento de
Fisica,
queparticiparam direta e .indiretamente da realizagao deste trabalho
.
Ao Joao
Guilherme
NogueiraMatias
,
pelo companheirismo.
Aos amigos
Afranio
CoelhoAraujo
e Alexandre AraujoCosta
,
por tantas horas deconvivencia
na graduagao.
Aos
amigos
da pos-
graduagao e em especial ao Jose Ramos ao Paulo de Tarso CavalcanteFreire
e aSimone
MacielGongalves
,
de Medeiros.
Aos
bolsistas
de IniciagaoCientifica
e atecnica
Maria do Carmo Germano dolaboratorio
de carbono-
14,
pelaajuda
sempreconcedida
.
A
oficina
mecanica
na pessoa deFrancisco
SalesLima
ecelulas
.
Ao Antonio Jose de Melo Lima (Dede), pelos desenhos
.
A todos da Pos
-
Graduagao eSecretaria
, pela presteza.
A Agencia Internacional de Energia Atomica ( IAEA) na pessoa do especialista Dr
.
Markus Forster, pelas sugestoes,discussoes e apoio
financeiro
aolaboratorio
.
Ao Dr
.
Luiz
CarlosRuiz
Pessenda e aoPlinio
de Camargo, pela gentil forma com gue sempre nos trataram e apoiaram.
Ao Eng
.
Josue DantasMartins
Neto da SINC do Brasil, porsua valiosa colaboragao em nos prestar excelentes servigos de manutengao gratuitamente
.
A prefeitura de Juazeiro do Norte na pessoa do Dr
.
Carlos Cruz
,
pela hospitalidade.
Ao Magnifico
Reitor
Edimilson
Cruz e ao Pro-Reitor
dePesquisa e Pos
-
Graduagao Dr.
Francisco Helio
Germano da URCA, por todas asfacilidades
efinanciamentos
.
A Pro
-
Reitoria
de Extengao,
pelo transporte de parte dasviagens essencial ao trabalho de campo
.
Ao prof
.
Rogerio
WayneBrasil
da URCA,
pela atengao eparticipagao no trabalho de campo
.
A FUNCEME/SRH na pessoa do Dr
.
Francisco Viana, pela atengao especial aonosso
trabalho.
RESUMO
Medidas de
tricio
natural em aguas superficiais eprofundas e de carbono
-
14 natural em pogos sao usados para esclarecer ofuncionamento
dos aqulferos da regiao doCariri,
nosul do Ceara na
fronteira
com Pernambuco.
Para
tanto
implantou-
se urn laboratorio capaz deprocessar o enriquecimento
necessario
paramedida
de tricionatural por espectrometria de cintilagao liquida de baixa radiagao
de fundo
.
Os resultadosobtidos
foram comparados commedidas
realizadas
,
nestas dguas,
no Gessellschaft fiir Strahlen-
und
GSF/Alemanha e na InternationalUmweltforschung mbH Miinchen
Atomic
Energy Agency-
IAEA/Viena
.
Os resultados das
medidas
de concentragao de tricioforam analisados tendo como base modelos matematicos para a obtengao de parametros que esclarecessem a
dinamica
dos aquiferosMissao
Velha eFeira
Nova.
Aliadas
a este conjunto de dados,
medidas
de carbono-
14 natural foramrealizadas
nos aquiferosMissao
Velhainferior
esuperior
separados por uma camada de supoe-
se,
faz doMissao
Velhainferior
urn aquifero margas que,semi
-
confinado.
Calculou
-
se o tempo detransito
,
estimou
-
se a espessura saturada e a taxa de infiltragao do aquiferoFeira
Nova.
ABSTRACT
Measurements of natural
tritium
in
surface andgroundwater and of carbon
-
14in
wells are usedin
order to study the functioning of the aquifersin
the Cariri areain
the south ofCeara State at the border
with
Pernambuco State.A laboratory for eletrolytic
enrichment
of naturaltritium
has beeninstalled
.
Measurements were madewith
a low level liquidscintillation
spectrometer.
The results obtained werein
agreement with those obtained by Gessellschaft fiir Strahlen-
und Umweltforschung mbH Munchen-
GSF/Germany and International AtomicEnergy Agency - IAEA/
Vienna
.
Interpretation of the data was made using
mathematical
models
which
permit thedetermination
of parameters thatdescribe
thedynamics
of theaquifers
Missao Velha and Feira Nova.
For the latter thetransit
time
was
determined,
thethickness
of thesaturated layer at the
Feira
Nova/Santana contact and therate
ofinfiltration
wereestimated
.
In
addition
to these data natural carbon-
14measurements
were made
in
the lowerMissao
Velha and upperMissao
Velha which are separated by a leaky clayey layer.
TNDICE
INDICE 1 LISTA DE FIGURAS i l l LISTA DE TABELAS V 1-INTRODUCAO
2- ANALISE DETRfCIO
01 082.1
.
Enriquecimento por eletrolise 102.1
.
1.
Temperatura deeletrolise
102.1
.
2.
Eletrolito
132.1
.
3.
Densidade de corrente 142.1
.
4. Eletrodos 142.1
.
4.1.
Fosfatizagao das celulas 152.2
.
Sistema de enriquecimentoeletrolitico
172.3
.
Fator de enriquecimentoeletrolitico
242.4
.
Contagem por cintilagao liquida 2.4.
1.
Calibragao do detector.
26 30
2.5
.
Calculo da concentragao de tricio 3738
2.6
.
Limite
de detecgao2.7
.
Erro na determinagao da concentragao detricio
2.8
.
Caracteristicas
gerais dosistema
de medigao.
3-
AREA DE TRABALHO 41 42 44 4 4 3.1.
Geologia da area3.2
.
Sistemas de agua subterranea3.2
.
1.
Agua subterranea na Chapada do Araripe3.2
.
2.
Agua subterranea naBacia
doCariri
.
.
4- MODELOS PARA USO DE TRICIO EM HIDROLOGIA
47
48
49
4.1
.
Modelo de fluxo de pistao 524.2
.
Modelo exponencial 544.3
.
Modelo celular 584.3
.
1.
Modelo celular para o aqulfero Feira Nova....
5-
DATA£
AO COM CARB0N0-
145.1
.
Modelos para uso de carbono-
14 na Hidrologia58 64 64 5.1
.
1.
Modelo de Tamers 66 5.1.
2.
Modelo de Pearson 67 68 5.1.
3.
Modelo de Vogel 69 5.1.
4.
Modelo de Geyh 72 5.2.
Preparagao das amostras5.2
.
1.
Metodologia 7475 5.3
.
Calculo daidade
com carbono-
146
-
RESULTADOS E DISCUSSOES 7895 7
-
CONCLUSOES97
LISTA DE FIGURAS
Sistema
antigo de enriquecimentoeletrolltico
Sistema
atual de enriquecimento eletrollticoEsquema da celula
eletrolltica
2.1
.
122.2
.
182.3
.
2 0Dimensoes
da celulaeletrolltica
2.4
.
2 2Processo de contagem por cintilagao liquida
Circuito de
coincidencia
e soma dos pulsosEspectros da radiagao de fundo e do padrao
.
a e b sem2.5
.
272.6
.
292.7
.
modo
"
low level"
e c e d com modo"
low level"
32 Curva de merito para olimite
inferior 342.8
.
Curva de merito para o limite superior 36
2.9
.
Detalhamento da area de trabalho 45
3.1
.
Mapa da Bacia do
Cariri
e da Chapada do AraripeChapada do Araripe
Balango
hldrico
da Chapada do Araripe Fluxo de pistaoConcentragao
media
anual de tricio na chuva.
.
.
Modelo celular para o aqulfero Feira Nova46 3.2
.
46 3.3.
50 3.4.
53 4.1.
56 4.2.
60 4.3.
carbono
-
14 de acordo com NYDAL Fungao de entrada parae LOVSETH
5.1
.
70
73
Linha
para preparagao de amostrasVariagao da
atividade
detricio
nolaboratorio
Localizagao dos pogos em Crato
Localizagao dos pogos em Barbalha
Localizagao dos pogos em Juazeiro do Norte
....
5.2.
83 6.1.
85 6.2a.
85 6.2b.
86 6.2c.
para o aquifero Feira Nova, considerando
Modelo
6 . 3
.
estratificagao completa 9 0
para o aquifero
Feira
Nova, considerandoModelo
6 . 4
.
mistura completa 9 0
Esquema da proposta de fluxos de dgua na Chapada do
Araripe e Bacia do
Cariri
6 . 5.
LISTA
DE
TABELAS
Fator de
merito
versuslimite inferior
semconsiderar
2.1
.
"
low level"
33Fator de
merito
versuslimite
superior sem considerar 2.2.
"
low level"
352.3
.
Fator demerito
versuslimite
inferior
considerando
"
low level"
352.4
.
Fator demerito
versus
limite
superiorconsiderando
"
low level"
36Janela de trabalho 37
2.5
.
Fator de separagao e fator de recuperagao de 10 celulas 39
2.6a
.
Fator de separagao e fator de recuperagao de 10 celulas
2.6b
.
40Comparagao entre os parametros de
eletrolise
e de2.7
.
medida,
utilizados por PANE e UFC 43Tempo de
transito
versus concentragao em TU,
usando 4.1.
modelo exponencial 59
Percentual de carbono moderno
versus
tempo de transito 5.1.
usando modelo exponencial 71
Frasco de contagem
versus
fator demerito
.
...
Tricio
econdutividade
emcisternas
e barreiro79
6.1
.
80
6.2
.
80
Tricio
econdutividade
em fontes6.3
.
81
Tricio, condutividade
e carbono-
14 em pogos 6.4.
87
Parametros dos pogos
6.5
.
IAEA/
Viena
Medidas
detricio
feitas na e no6.6
.
88
1
-
INTRODUCAO
0
tricio
(3H),
isotoporadioativo
dohidrogenio,
eproduzido na estratosfera
,
desintegra-
se emhelio
-
3,
com emissao de energia maxima de 18,6 KeV e possui uma de partlculas /3meia
-vida
de 12,4 anos (NBS,
1980).
Sua produgao na atmosfera
foi
investigadainicialmente
por LIBBY (1946),
FALTING e HARTECK (1950) e GROSSE et at (1951) eo seu
efeito
como tragador dociclo
hidrologicofoi
estudado,
jana decada de 50
,
por LIBBY (1953), KAUFMAN e LIBBY (1954),
von BUTTLAR e LIBBY (1955) e BEGEMANN e LIBBY (1957).
A produgao natural de
tricio
resulta,
principalmente,
dainteragao entre os nucleos de oxigenio e nitrogenio com protons e
neutrons
,
de alta energia, provenientes da radiagao cosmica.
As reagSes nuclearesmais
importantes sao:
12 C 3 H 4 -3
H
+ fragmentos 3 H + fragmentos 14 N 16o
14N
+n
+P
+P
=>LAL e SUESS (1968)
determinaram
ataxa
de produgaode
tricio
por interagao da radiagaocosmica,
atmosfera
,
obtendo um valor de 0,
25com
onitrogenio
e oxigenio da alta
0 trlcio tambem e produzido
artificialmente
na fissao do 235U em centrals nucleares para geragao de energia eletrica e em
explosoes termonucleares que foram efetuadas na superficie
terrestre a partir de 1952
.
0 tricio produzido nestas explosdesfoi introduzido
na natureza de forma descontinua,
como um pulso,
tornando-se um verdadeiro"
tragador"
para os estudos de circulagaode agua na natureza
.
A concentragao de
trlcio
proveniente da radiagaocosmica
nas chuvas dohemisferio
uinha
,
antes de 1953 o valor de 10 TU,
r.orte
.
Apos oinicio
dos testes termonucleares em 1952, este valorsubiu atingindo em Ottawa/ Canada 10.000 TU em 1963 (BROWN,1970)
.
Arartir de 1963 o conteudo de tricio nas chuvas
diminuiu
comoconsequencia de uma moratoria para as explosoes termonucleares na atmosfera
.
Valores de Ottawa sao aproximadamente 17 % maiores do cue emViena
.
A concentragao natural de
tricio
emuito
baixa sendo daordem de
unidades
detricio
(TU) onde 1 TU corresponde a 1 atomo18
de tricio para 10
r.
ais usuais
deatividade
com aunidade
detricio
tem-
se:atomos de hidrogenio
.
Comparando asunidades
1 TU = 3,22
x
10 ~9idCi
/ml1 TU = 7
,
2 dpm /£e entao um excelente tragador
natural
para Meteorologia e OceanografiaO
tricio
areas de Hidrologia
,
estudos naspois, fazendo parte da molecula da agua
,
esta presente em todo ociclo hidrologico
.
Este isotopo
foi utilizado
como tragador natural para o estudo da agua subterrSnea j£
na decada de 60 por NIR (1964) eDINCER e DAVIS (1967) estudando
um
reservatorio considerado"
bem-
misturado
"
o que permitiu determinar um tempo de residencia medio.
0
tricio
e tambem largamenteutilizado
como tragador artificial por possuir uma meia-
vidarelativamente
pequena,
porter baixa energia de emissao (/3 ) e por nao contaminar o
ambiente
.
As vantagens e desvantagens do
tricio
como tragador sao discutidaspor LAPOINTE (1962)
.
Este isotopo tem
sido
utilizado
com sucesso comotragador
artificial
para estudar a zona nao saturada marcando com agua enriquecida a umidade do solo.
A taxa de infiltragao e adispersao sao observadas
analizando
as amostrasem
umperfil
(
ZIMMERMANN
et al,
1967,
ANDERSON,
1965 e SMITH etdo solo
al
,
1970).
usuais
deste isotopo,
Dentre as aplicagoesmais
destaca
-
se o uso na determinagao de:
(CLARK et
Tempo de
transito
de aguas subterraneas al, 1987)Porosidade
efetiva e permeabilidade de aquiferos (ANDEW et al, 1965)-
Mistura
de aguas superficiais (PIOVERSANA et al,
1987,
RANK et al
,
1983)-
Interconexao entre aquiferos ( CELICO et al,
1983,
MIRO e GONFIANTINI,
1980)de
residencia
dotricio
na estratosferaTempo
(BUTTLAR
,
1963,
BEGEMANN,
1957)BURDON et al (1963)
mediram
otrlcio
para estudar urnaquifero no Karst, HASKELL at al (1966) e MOSETTI (1965) usaram
estimar a velocidade da agua subterranea e
o trlcio para
FINKELSTEIN at al (1958) estudaram a
dinamica
da agua subterrdneacom tricio
.
Alem de excelente tragador na Hidrologia o
tricio
se presta a investigates na area de Meteorologia, onde e possivelidentificar
misturas
verticals de massas de agua,
origem da aguaen massas de ar e interagao entre troposfera e estratosfera
trabalhos de OSTLUND (1965), MASON
destacando-se nesta area os (1975) e OSTLUND e MASON (1975)
.
Em
Oceanografia
otricio
se presta ao estudo do processo de misturasacima
eabaixo
dalinha termoclina,
a determinagaodo
residencia
embacias
oceanicas
e a identificagao detempo de
Medidas de
tricio
sao utilizadas era trabalhosbrasileiros
na area de Hidrologia.
Destacam-
se entre eles o estudo dedois rios
no Piaui, feito
por PLATA BEDMAR et al (1973),o estudo de urn aqulfero
carstico
por PLATA BEDMAR et al (1989) evarios
trabalhos sobre as aguas do nordestebrasileiro
feitos
porSALATI et al (1974)
,
GEYH e KREYSING (1973),
FRISCHKORN et al(1989)
.
0 tricio natural na agua
foi
medido
pela primeira vez em 1951 por GROSSE et alutilizando
urn contador proporcional a gascom as amostras enriquecidas por eletrolise
.
Atualmente,
alem de contadores a gas usa-se a cintilagao llquida para a contagem dabaixa
atividade dotricio
,medindo
diretamente
a aguatriciada
.'CAMERON
,
1967) ou transformando a amostra em benzeno (TAMERS,1962)
.
THEDORSON (1974)discute
uma comparagao entre osdois
retodos de
medida
.
Sguas As concentragoes de tricio natural
subterraneas e nas precipitagoes a
partir
da decada de 80 estao em valores proximos dolimite
de detegao.
THEODORSSON em 1974 usaenriquecimento
eletrolitico
paraproduzir
urn fator de redugao demuito mais
alto do que os fatores de 10-
20 conseguidosO enriquecimento
eletrolitico
e discutidoteoricamente
HARTLEY (1972) e o fator de separagao do
tricio
no processo deeletrolise
foideterminado
por BUTTLAR et al (1963) e por OSTLUNDe
WERNER
(1962).
0 processoeletrolitico
foi
usado tambem por3AINBRIDGE (1965) para
reduzir
volumes de 2 l para 10ml
.
nas
300
vezes,
Outros metodos
,
alem da eletrolise,
se prestam para oenriquecimento das amostras
.
O enriquecimento por difusao termicaseparando amostras gasosas foi idealizado por CLUSIUS e DICKEL
(1939)
.
VERHAGEN (1967) fez urn estudo comparativo entre diferentessistemas de enriquecimento de tricio por
difusao termica
usando1 e 2 estagios e colunas do tipo tubos concentricos e fio
netalico
.
0 enriquecimento por cromatografia a gas
foi utilizado
por BOROWITZ e GAT (1964) e e
um
metodo experimental complexo quer.ao permite a perda de tricio
.
A destilagao tambem se presta para o enriquecimento em
Este metodo
foi
usadorricio atraves de uma coluna
fracionada
.
criginalmente por DOSTROVSKY (1958) e apresenta variagoes com o
oempo na
reprodutibilidade
do fator de enriquecimento (SMITH eTAWSON
,
1962).
Dentre os metodos
usuais
demedida
daatividade
dorrlcio
,
optou-se
pela cintilagaoliquida
utilizando
espectrometro de cintilagao
liquida
da Packard modelo 2000CA/LL.
estas
medidas
foram asprimeiras
realizadas
pelofoi
necessario
determinar
suas melhores condigoes um2omo
espectrometro,
de trabalho
,
ouseja
,
calibrar
oequipamento
.
Neste trabalho foram
medidas
as concentragdes detricio
que e uma das
mais
importantes economicamente do Estado do Cearasendo responsavel por 10 % do PIB
,
distinguindo-se por suasmaiores
reservas de agua subterraneaem
relagao ao restante do Estado.
Os resultados
obtidos
foram comparados commedidas
realizadas
,
nestas aguas,
em dois outros laboratories com padraointernacional e foram
utilizados
em urn modelo de recarga das aguassubterraneas
na
Chapada do Araripe.
Medidas de carbono
-
14 em amostras do aqulferoMissao
juntamente com medidas de tricio permitiram propor urn esquema de fluxos de agua subterranea na regiao estudada
.
Desterodo, pode-se concluir que o aquifero
Missao
Velhainferior
se apresenta como urn aquifero semi-
confinado.
'
.
'elha,
Utilizando
-
se o modelo exponencial commedidas
de triciocalculou
-
se o tempo detransito
e com um modelo celularestimou
-
se2-
ANAtlSE
DE
TRfCIO
O trlcio e encontrado na natureza em concentragoes muito
baixas
,
da ordem de TU.
Pode-se perceber o quanto e pequena essa
concentragao pela comparagao entre as abundancias das diferentesroleculas estaveis da agua em partes por milhao (CRAIG e GORDON
,
1965)
,
em relagao a molecula radioativa.
16 18 HTO16 H 0 H 0 HDO 2 2 io
-
12 1000000 2 0 0 0 320 _-ara conseguir medir tao
baixa
concentragao,
torna-se necessario umsistema
de enriquecimento,
em trlcio,
da agua a ser analisada.
Cs principals metodos empregados sao a eletrolise, a difusao
rermica, a cromatografia e a destilagao
.
0 enriquecimento por eletrolise baseia
-
se no fato de que:s ions mais leves possuem maior mobilidade do que os ions mais
tesados
.
Como durante o processo de eletrolise ha liberagao de _-._drogenio gasoso e a quantidaderelativa
de H1
relativa
de H3 (ja que a massa dodrogenio e tres vezes
menor
do que amassa
dotrlcio
),
no finaleletrolise
a concentragao detricio
na aguaremanescente
e a concentragao detricio
inicial
.
Este metodo eprimeiras determinagoes de tricio em aguas que e
liberada
eraior
do que a quantidade-
-
iraior
do queer.pregado desde as
A
difusao termica
(CLUSIUS e DICKEL, 1939) e o metodoaplicado apenas para subst
&ncias
gasosas;
ela e produzida em um sistema que consiste dedois cillndros
concentricosverticals
onde a mistura gasosa (H2 e HT) e colocada entre eles
.
0 cilindro
ir.terno e aquecido e o
cilindro
externo e resfriado.
As moleculasrais
leves tendem asubir
enquanto que asmais
pesadasficam
na base.
Com omovimento
das moleculas,
ha umatendencia
a uma mas com o passar do tempo o equillbrio e atingido e oremistura
,gradiente de concentragao torna
-
se constante.
0 enriquecimento por cromatografia tambem e aplicado
scr.ente para isotopos gasosos
;
baseia-
se no fato de que a adsorgao-as colunas cromatograficas solidas e preferencial para as
D e HT em relagao as moleculas de H
.
2 2
:rleculas de HD,
0 enriquecimento por destilagao
,
usando colunas defracionamento
a pressaoreduzida,
aproveita o fato de que ae
maior
do que a pressao de rressao de vapor da agua leve (H O)v-pcr da agua
triciada
(HTO).
Devido
adificuldade
de transformar grandesquantidades
ie agua em hidrogenio,
semproduzir
fracionamento
isotopico naos metodos de enriquecimento a gas foram
-
udanga de fase,
restando a
eletrolise
e a destilagao;
dentre estes,
oicscartados
,
da UFC
foi
oDepartamento de
Fisica
-
icodo adotado noexige um tempo de operagao
r—riquecimento por
eletrolise
pois
com um fator de enriquecimento maior em relagao ao metodo
ia destilagao
.
Depois de enriquecidas
,
as amostrasficam
prontas parar.edigao no contador atraves de cintilagao llquida
.
2.1
.
ENRIQUECIMENTO POR ELETR6
LISEAntes de serein
eletrolisadas,
todas as amostras querhegam ao
laboratorio
saodestiladas
a pressaoatmosferica
pararc
-
ogao dos sais soluveis e outras impurezas, para uniformiza-
las rermos decondutividade
eletrica.
As amostras nao saorcsiiladas ate a secura
,
mas segundo IAEA (1976) o eventual efeitofracionamento isotopico
,
devido a destilagao incompleta,
e.
-
lignificante.
influenciam
Saomuitos
os parametros que oeletrolise
destacando-se entre elesiquecimento por a
o tipo de
eletrolito,
a densidade de corrente e a .:-geratura;atureza dos eletrodos (
PANE
,
1979).
2.1
.
1.
TEMPERATURA DE ELETR6
LISEA temperatura na qual se processa a eletrolise e de 1 a
-:
I pois nesta
faixa
a perda por evaporagao ereduzida
e o fatoriragao e
maior
;
para chegar a esta temperatura enecessario
-urn sistema de
refrigeragao
.
Antigamente se
utilizava
no Departamento deFisica
da'AFC uma cuba cheia de
agua destilada
refrigerada a 3°
C,
onde ascelulas de eletrolise ficavam imersas
;
a refrigeragao eraproduzida
atraves
de umaserpentina conduzindo
alcool a-
10°
C, comurn
pequeno
motor produzindo acirculagao
para que atemperatura
ficasse homogenea (Figura 2.1)
.
Com as celulas
imersas
na
agua
(que
sempre
contemimpurezas e
,
porisso
,
torna-
se urn condutor),
era necessariorevesti
-
lascom
uma camada isolante,
no caso verniz,
para evitarcurtos
circuitos eletricos.
Noentanto
,
pelo manuseio, a camada deverniz
era arranhada ecurtos
sempreaconteciam
.
Paradiminuir
osfoi instalado um dispositivo que desligava o sistema
problemas
,
ruando
isso
acontecia
e a celuladanificada
era retirada do-
rocesso para
colocagao denova
camada deverniz
.Como as celulas
ficavam imersas na
agua, otrabalho
da-
esagem eradificultado
,pois
elas devemser pesadas
completamentesecas
paraevitar erros
nos
calculos deenriquecimento
.
0
maior
problema desse sistema de refrigeragao era, no
entanto
, a bomba responsavel pela circulagao do alcoolna
serpentina, que
naoresistia
muito
tempo.
CONTROLE DE TEMPO CONTROLE DE TEMPERATURA E CURTO C1RCUITO BORBULHADORES FONTE REGULAVEL L ISOLANTE TERMICO MOTOR iiirrn BOMBA PARA ClRCULA(pAO TANOUE DE ALCOOL (-lO
°
C) UNIDADE REFRIGERADORA SERPENTI -NA TRO -CADORA DE CALOR /CUBA DE AfO INOXIDAVEL
REVESTIDA DE '
.
SOPOR0
*
0
AG1TAD0R
/
CELULA ELETROUT! CA
REVESTIDA DE VERNIZ
AGUA DESTILADA (- 3
°
C)Sistema antigo de enriquecimento e l e t r o l i t i c o
.
sugerido por Forster (1991)
,
foi
elaborado.
Essesistema
::~
.~iste de urn freezer
comercial
com algumas adaptagoes que estao i.rzutidas no item 2.2.
2.1
.
2.
ELETR6
LIT0A eletrolise e realizada
,
preferencialmente,
em meioilzalino e a solugao mais usada e a de hidroxido de sodio (NaOH)
.
fim de evitar contaminagao das amostras
,
ohidroxido
del
4»
sizio e
obtido
pela adigao de peroxido desodio
(Na^O^) a amostra
:: agua segundo KRAUSE e MUNDSCHENK (1978):
1/2
02
Na 0 + HO « 2 NaOH + 2 2 2 NaO + 2 H 0 <=> 2 NaOH + HO 2 2 2 2 2s reaqoes que ocorrem no anodo sao:
Of
+ 2 e 2 OH =» HO + 2 0 + 0 <=* 0_ + 24,6 Kcal 3 2o
f
2 1 HO + 0 <=> H 0 + 2 2 2 I no catodo: 2 H+ + 2 e =>Ht
2 1eletrolito
nao afete o fator de separagao, ela deve estar entre 1 e 2 0 % (CAMERON,
1967).
Fora desse limite a corrosao e acentuada.
Utiliza
-
se 1,
2 gramas de peroxido de sodio.
Como ovolume
final
deeletrolise
e de 10 m£,
a concentragao doeletrolito nao passa de 12 %
.
2.1
.
3.
DENSIDADE DE CORRENTEUm ampere
-
hora produz uma dissociagao de 0,336 m£ de agua.
Assim,
quantomaior
adensidade
de corrente na celula, menor o tempo gasto pelaeletrolise
.
2.1
.
4.
ELETRODOSAlguns
materials
apresentam um efeito catalitico queaumenta o fator de separagao /3
.
Esseefeito
parece depender dacapacidade do
material
manter uma camada dehidrogenio
quimisorvida em sua superficie
.
Dentre osmaterials
que facilmenteadsorvem
hidrogenio
estao o ferro,
o ago doce, a platina e opaladio
.
O
material escolhido
para o anodofoi
o ago inoxidavel,
pois
resiste
apossiveis
corrosoes
provocadas pelo peroxido de efacil
de ser encontrado e e capaz de trocar calor com omeio
.
0 material
escolhido
para o catodo foi o ago doce,
poisalem de adsorver hidrogenio, tem
baixo
custo.
Mesmo que o ago doce seja potencialmente bom
,
o fator de separagao dependecriticamente
das condigoes da superficiecatodica
.
Por isso,
ela deve ser tratada atraves da recapagem comacido fosforico
(fosfatizagao
) proposta por ZUTSHI e SAS-HUBICKI(1966)
,
afim
de aumentar o fator de separagao.
2.1
.
4.1.
FOSFATIZACAO
DASCfiLULAS
Urn parametro importante a considerar no enriquecimento
do
tricio
poreletrolise
e a superficie do catodo, que deve sereficiencia
fim
de aumentarquimicamente
do enriquecimento
.
0 processo quimicoutilizado
e o metodo de recapagem comacido
fosforico
(fosfatizagao) que e descrito atratada a a
seguir
.
Antes de
iniciar
a fosfatizagao enecessario
que ascelulas estejam limpas para
facilitar
a reagao; porisso
, elas saolavadas com acetona para
retirar
qualquer camada gordurosaadquirida no
manuseio
.
Em seguida, uma limpeza mais elaborada enecessaria
;
essa limpeza efeita
com acidocloridrico
(HCl, D =1
,19
) diluido 1 : 1 com agua.
Na primeira fosfatizagao usa-sedeixando
-
a mergulhada 15minutos
em
um
tubo PVC, compativeiscom
a celula.
de dimensoes
Depois lava
-
se com agua quente.
Afim
deagilizar
alavagem usa
-
se varios"
beakers"
comagua
eum
ebulidor paraferve
-
larapidamente
.
A celula deveser
lavada ateque
se tenhacerteza de que
nao
existe
mais
HCl.
Aseguir
deixa
-
se secarespontaneamente e enquanto isso
,
lava-
se o tubo PVCpara usa
-
lo novamente.
A fosfatizagao propriamente
dita
efeita
mergulhando acelula
em
acidofosforico
a 70°
C, seguindo as etapas descritasabaixo:
Coloca
-
se
aproximadamente 800m£
de acidofosforico em
um
"
beaker"
e ferve-
se lentamenteutilizando uma
chapa aquecedora.
O controle da temperatura e
feito
comum termometro
mergulhado noacido e quando ele atinge 70
°
Cdespeja
-
se o conteudo do"
beaker"
dentro do tubo PVC e mergulha
-
se a celula que deveficar no acido
de 15 a 20
minutos
,
quando entao a temperatura cai bastante,
sendonecessario retirar
acelula e reaquecer o acido ate que
ele cheguenovamente
a 70°
C(E necessario completar
o volume doacido
antesdo
aquecimento
,
pois
umaparte
eperdida
com
omanuseio)
.
Esse
processo e
repetido
ate completar uma hora de fosfatizagao(
3vezes)
.
iniciada
a
fosfatizagao propriamente dita,
pois ela nao deveencostar nas paredes do tubo PVC nem em nenhuma outra superflcie
para nao
ferir
a camada de fosfato de ferro formada.
Depois de
terminado
este processo a celula deveser
lavada novamente com bastante agua quente, repetindo o processo de lavagem descrito
anteriormente
.
Depois de secar a celula espontaneamente a fosfatizagao esta completa.
A fosfatizagao alem de aumentar o fator de separagao,
homogeniza a superficie da celula e
evita
ferrugem.
2.2
.
SISTEMA DE ENRIQUECIMENTOELETROLlTICO
A Figura 2.2 mostra um esquema geral do sistema de
enriquecimento por
eletrolise utilizado
no Departamento de Fisicada UFC
.
Este sistemaconsiste
de um freezercomercial
da marcaEsmaltec
, com
capacidade para 316litros
e potencia de 270 watts,
com algumas adaptagoes para receber as celulas
.
A tampa do freezerem
dimensao
compativel com a celula para suafoi
perfuradacolocagao e apoio e o furo
revestido
comnailon
.
Foi
instalada umahorizontal
divisoria
no
interior
do freezer e doisplaca
ventiladores
;
segundo na parte
inferior
.
Assim,
o primeiro
localizado
na parte superior da placa e oo ar pode circular homogenizando a temperatura
.
Na Figura 2.2 tambem pode
-
se ver urn controlador de tempo,urn
controlador de temperatura, uma fonte de correnteregulavel e borbulhadores
.
0 controlador de tempo marca e mede o tempo de
eletrolise
.
Apos decorrido o tempo programado, normalmente de 142 horas,
osistema
desligaautomaticamente
,evitando
o perigo debaixar muito o volume de agua na celula
.
0 controlador de temperatura e responsavel pelo
desligamento do sistema caso ela nao esteja na faixa ideal,
seja
,
1 a 4 C.
ou
Duas fontes ligadas em serie
,
uma brasileira da marcaDawer modelo FCC
-
3010D e a outra alema da marca Gossen modeloKonstanter 44T20R10
,
estabilizam
a corrente durante todo oprocesso
.
Os borbulhadores possibilitam urn controle visual da
atravessam o oleo de
velocidade
do processo.
As bolhas de H e 0As
silicone e
indicam
que aeletrolise
esta acontecendo normalmente eque os gases
liberados
estaoindo
para fora dolaboratorio
.
similar
a celula de FLORKOWSKI eA celula
eletrolitica,
GRABEZAK (1975) e MOZETO (1977) mostrada na Figura 2.3
,
e composta forma de cilindrosconcentricos
.
0 de urn anodo e urn catodo emfeito
de agoinoxidavel
e oco para receber o catodo que e anodo,urn tubo de ago doce com furos
,
para que o gas liberado possa sairda celula de onde passa a mangueira ligada ao borbulhador
.
A parte decima
do catodo onde elefica
apoiado no anodo e feita de PVCcom urn o
-
ring para vedagao.
Uma pega circular de teflon no fundoH
2V
o
2 BORBULHADORI t
OLEO DESILICONE
s=£> ANODO o /AGUA
o oCATODO
0ft
m
m
Esquema da celula
eletrolitica
.
Figure 2.3.
do catodo evita curtos circuitos eletricos e garante o volume
mlnimo
final
de eletrolise.
Asdimensoes
da celula estaomostradas na Figura 2.4
.
No processamento de amostras com concentragoes de
tricio
muito
baixas econveniente
eletrolisar
urn volume grande deamostra
.
Existem
tres procedimentos experimentais que podem serutilizados
: (i
) Celulas de adigao periodica,
que saorealimentadas
periodicamente commais
amostra obtendo-
semaiores
redugoes de volume, (ii
) Celulas de alimentagao contlnua,
que sao conectadasdiretamente a urn
reservatorio
e continuamente recarregadas.
(iii
)Celulas simples
,
onde toda a agua e eletrolisada de uma so vez ateNeste trabalho
utiliza
-
se o processo deatingir
o volumefinal
,adigao periodica
.
E
mais
comum ligar as celulas em serie, mas THEODORSSON(1974) faz
essa
ligagao em paralelo,
que permite,
senecessario
, a remogao de uma celula sem perturbar as demais.
Usa
-
se 10 celulaseletroliticas
ligadas emserie
: 2com
padrao,
para calcular o fator de separagao e o fator de1 celula com agua sem tricio para
enriquecimento das celulas
,
avaliar possiveis
contaminagoes e 7 celulas com amostras.
O padrao
utilizado
foi produzido pela Packard no dia21/10/1974 com uma
atividade
de 2,
13.106
Considerando
decaimento
radioativo,
± 3% dpm/g de