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BIDKAR MANUEL MONTERROSO RIVAS

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

Rio de Janeiro, Maio de 2002

A DEUS, POR NOSSO REENCUENTRO.

A MARTA, MINHA COMPAÑERA, MINHA AMIGA, MINHA ESPOSA

A MEUS PAIS, POR SER ELES

AGRADECIMENTOS A José Tavares Araruna Junior, orientador da dissertação, pelo apoio, confiança e sobre todo 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 Organização dos Estados Americanos OEA, pelo apoio financeiro recebido durante o curso.

RESUMO

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.

ABSTRACT

The present dissertation presents a laboratory study of electro-osmosis in a residual soil from

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.

SUMÁRIO

Lista de figuras ...................................................................................................................... VI Lista de tabelas ...................................................................................................................... IX 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 4.2. Descrição dos solos utilizados ........................................................................................ 44

4.2.1. Solo do campo experimental da PUC-Rio ................................................................... 45 4.2.2. Solo caulinítico ............................................................................................................. 46 4.2.2. Solo residual ................................................................................................................. 48 4.3. Procedimento de confecção do corpo de prova e início de ensaio .................................. 50 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 Referencias bibliográficas....................................................................................................... 79

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

VI

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

VII

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

VIII

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


12

Tabela 2.3. Tratamento eletroquímico de argilas com efeitos nas propriedades de


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

IX

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

XI

CAPITULO 1

INTRODUÇÃO

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

Capítulo 1. Introdução 2

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.

Capítulo 1. Introdução 3

Finalmente, o capítulo 6 apresenta as principais conclusões deste trabalho e sugestões para

futuros trabalhos.

CAPÍTULO 2

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

Soluçãode Argila

Movimento de PartículasGerando potencial Elétrico

Movimento dePartículas

∆E

(d)

__ +

ArgilaSaturada

H2O

Fluxo de água induzindoPotencial∆E

∆H

∆E

(b)

__cátodo

+ânodo

ArgilaSaturada

H2O

Gradiente elétrico induzindofluxo de água

∆E (DC)

(a)

__cátodo

+ânodo

Soluçãode Argila

Gradiente elétrico induzindoMovimento 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)

Capitulo 2. Aspectos Teóricos 5

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

EnsaioDescrição

wL % wP % IP wL % wP % IP

4 K1 K2 K

Solos deBundelkhand

53,745,241,8

18,421,218,8

35,324,123,0

35,230,729,2

17,814,215,1

17,416,514,1

BBP

Argila de Res.Station

Argila de Punjab

32,735,8

25,724,0

7,011,8

25,323,8

18,814,3

6,59,5

1B2B3B4B

Solos deBundelkhand

38,034,926,933,4

19,619,517,418,2

18,415,49,515,2

25,324,421,325,8

11,312,213,217,2

14,012,28,18,6

1Po. Algodão Negrode Poona

58,4 20,8 37,6 38,7 13,2 25,5

1 MS2MS4MS

Solos de Mysoreres. Station.

57,344,838,2

23,924,530,8

33,420,39,4

37,230,230,1

13,011,020,9

24,219,29,2

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 iniciob depois de 1 diac depois de 10 diasf depois de 90 dias

Distância do Anodo (cm) cátodoânodo

Teor

de

umid

ade

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

umid

ade

críti

ca w

k % p

or p

eso

0 10 20 40 50 60 70 8030

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 poro0

6

40,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

8

10

12

14

Eflu

ente

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.


Purga0,01 M NaOH0,01 M HCL0,01 M NaCl

0 42 6 8 10

10

50

40

30

20

Tempo (dias)

Vol

ume

do E

fluen

te (

mL

)

Fig. 2.5 Medições de fluxo vs tempo em ensaios de pequena escala em argilas cauliniticas saturadas edensidade 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

EnsaioDescrição Antes Depois do ensaio com DC

4 K1 K2 K

Solos de Bundelkhand6,77×10-11

2,51×10-10

2,42×10-11

4,83×10-10

1,60×10-8

1,79×10-8

BBP

Argila de Res. StationArgila de Punjab

6,47×10-10

7,35×10-111,09×10-7

9,92×10-8

1B2B3B4B

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 MS2MS4MS

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(OH4H2e4OH4

)Cátodo(H4Oe4OH2

22

22

−−

+−

+↑→+

+↑→−(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

Flux

o em

cm

3 * cm

-2 *

s-1

70 ×10-5

40

6

50

20

30

10

40 1 2 3 5 6 7 8 9 10

+*

*

++

++

+++

+++ *

***

**

Silte argilosoPó de quartzoArgila de LondresBentonita de NaAreia finaPó de micaCaulim comercialGel 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)

Flux

o (m

L)

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 20,32 3,0 10,23 3,0 20,34 3,0 10,25 3,0 10,2

Fig. 2.7 Curvas de fluxo (Hamed et al., 1991)


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)

Eflu

ente

de

volu

me

(mL)

5000

4000

3000

2000

1000

00 20 40 80 100 12060

Tempo (dias)

Vol

ume

eflu

ente

(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 deefluente 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 14400

20

40

60

80

100

Tempo (min)

Gra

u de

ade

nsam

ento

(%

)

c/eletro-osmoses/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)

Âno

do

Cát

odo

Amostra de solo

3

7

5

pHpe

netr

ação

cm

1

2

1

02

2

02

1

02

1

0

1

0

(I)

(V)

(II)

(III)

(IV)

b)

8

9

7

6

5

ânodo cátodoZona deconsolidação

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 DCNo. De

EnsaioDescrição

φ c kPa φ c kPa

4 K1 K2 K

Solos de Bundelkhand26,730,735,2

65,1257,4630,64

33,535,638,8

52,6762,2433,52

BBP

Argila de Res. StationArgila de Punjab

37,835,6

30,6410,22

38,036,5

33,5243,10

1B2B3B4B

Solos de Bundelkhand

22,525,333,838,2

81,4071,8259,3443,10

31,231,235,738,9

91,9381,4062,2462,21

1Po. Algodão Negro de Poona 18,3 119,70 27,8 119,701 MS2MS4MS

Solos de Mysore res. Station,20,833,020,3

100,5559,34110,12

28,735,730,7

110,1262,24112,04

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

Seç

ão

Ânodo

Dis

tanc

ia c

m

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.

0 100 400 500 600 800700200 300

2,5

0,5

1,0

1,5

2,0

3,0

Tempo (h)

Gra

dien

te d

e po

tenc

ial e

létri

co (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.

90060030000

1

2

3

4

5

Tempo (h)

Gra

dien

te e

létri

co (

V/c

m)

Ensaio pH inicialCD01 3,3CD02 3,5CD03 4,4CD04 1,7

Fig. 2.13 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos (Acar et al., 1994)

2.3.2. Coeficiente de Permeabilidade Eletro-osmótica, ke e Eficiência Eletro-

osmótica, ki

O 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

também que ke não depende necessariamente da composição granulométrica. Os resultados de


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. 1Solo No.916 diferentessolos

Nw=ρρww= concentração equivalente decations intercambiaveis na água

3,0

0 0,3 0,6 0,9 1,2 Nw

1,0

2,0

4,00

k e (

100/

wg

d) 1

0-5

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:

EtA

LQk

e

ee ××

×= (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

tAikQe ×××= (2.3)


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

tQI

k i

∆∆

= (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 detransporte 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

dependentes do tempo.


a) b)


300 600 900010-7

10-6

10-5

Tempo (h)

k e c

m2 /v

por

s


Ki c

m3 /A

por

s

3000 600 900Tempo (h)

10-2

10-1

1

Fig. 2.16 Gradiente de Potencial elétrico através dos eletrodos, para solos contaminados com Cd(II) (Acaret 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:

AV

LIka ×

×= (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)

Con

dutiv

idad

e A

pare

nte,

ka (

µS/c

m)

σσ 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

ALIV

dtdE

P uu == 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

variou entre 50 a 106 kW.h/m3. Segundo os autores a energia no ensaio CD02 foi maior por duas


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)

Gas

to d

e en

ergi

a E

u kW

h/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/diaVelocidade meia de fluxo: 2,9m/dia

a)Velocidade meia de fluxo: 1,9m/diaVelocidade meia de fluxo: 1,9m/dia

b)

Velocidade meia de fluxo: 0,2m/diaVelocidade 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 DAELETROCINESE

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

Con

cent

raçã

o fin

al/in

icia

l de

Pb(

II), c

f/ci

Ensaio No. Ci ( µµg/g)

Fig. 2.20 Taxas de concentração através das amostras (Hamed et al., 1991)


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

Con

cent

raçã

o no

rmal

izad

a de

Zin

co

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+.

Fig. 2.23 Eficiência de remoção de Cádmio (Acar et al., 1994)

CAPÍTULO 3

DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE ENSAIOS

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).

Capitulo 3 Sistema de Ensaio 32

-+ Superfície do solo

Águalivre Água livre

Amostra

Ânodo Cátodo

a)


Água livre

Amostra

b)

Ânodo Cátodo


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

Parafusosde fixação

Pedestal

Tubos de pressãoentre o coluna e

reservatorio.

Fig. 3.2 Célula fechada de eletroosmose proposta por Casagrande (1948)


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.

Becker

P i s t ã o

Fonte

D isco poroso

Elet rodode aço

F i og a l v a n i z a d o C á t o d o

Â n o d o

Amos t ra

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

Fig. 3.4 Esquema da célula de eletroosmose de Murayama et. al (1953)


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 papelEletrodos

FonteCompilador

pH-metro

PC

Reservatóriode água

Cátodo Ânodo

Transdutor

Fonte para otransdutor

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

FonteDC

Fig. 3.7 Esquema da célula desenvolvida por Eykhout et al., (1994)


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.

Provetagraduada

Hasterosqueavel

Anel de cobre(Ânodo)

Amostra

Base metálicaajustável

Hasterosqueavel

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,

• Temperatura,


• 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)

25,48 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

graduada de vidro de 10 cm3 de capacidade e resolução de 0,1 cm3 (detalhe na Fig. 3.10.c).


60 mm

Φ 4

0 m

m

36,5

Furo de φ ½ ”

Φ ½

”

Φ 2

”

Φ 2

¼”

Φ 4

”

8 m

m1”

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

φ40

25,4

36,5 60 25,4

8 furos φ 1/4" x 20 fios 25,4

3,45 30

18 4

46 3"

elet

rodo

de

aço

in

oxid

ável

elet

rodo

de

aço

in

oxid

ável

200 mm

φ 1

½”

φ 2”

φ 4”

φ 2

1/4”

φ 3

3/4”

φ 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

Fig. 3.12 Célula de Eletrocinese desenvolvida na PUC-Rio.


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

Figura 3.15 sua disposição.


a)

b) c)Fig. 3.14 equipamentos acoplados a) Fonte de corrente continua modelo MPC-303D fabricado pelaMinipa, b) pHmétro modelo 290A fabricado pela ORION, c) multímetro digital modelo ET-2070, da

Minipa.

Fig. 3.15 Equipamento montado.


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.

44

CAPÍTULO 4

SOLOS ESTUDADOS

4.1. INTRODUÇÃO

O presente capítulo apresenta uma descrição dos solos usados nos ensaios de avaliação das

células desenvolvidas, a metodologia usada para a confecção dos corpos de prova e a formulação

básica utilizada para a determinação das constantes eletro-osmóticas. Na descrição dos solos

estão apresentados os seus índices físicos.

4.2. DESCRIÇÃO DOS SOLOS UTILIZADOS

As características dos solos apresentados foram obtidas realizando ensaios segundo cada norma.

Para a preparação das amostras foi seguida a norma NBR06457, para a densidade dos grãos (Gs)

a norma NBR-06508, para a granulometria NBR-07181, o limite de liquidez usando a norma

NBR-06459, e limite de plasticidade com a norma NBR-07180.

pH do solo

Este ensaio foi feito com base no manual de métodos de análise de solo da Embrapa (1997). O

procedimento do ensaio foi colocar 10 g de solo em um copo plástico de 100 mL, depois são

adicionados 25 mL de líquido (água ou KCl 0,01 M). Agita-se a amostra com bastão de vidro

individual e se deixa em repouso por uma hora. Em seguida, agita-se novamente a amostra e

coloca a sonda do pHmetro, (ORION, modelo 290A mostrado no capítulo 3).

Capacidade de Troca de Cátions (CTC) por acetato de amônio

A definição do manual de métodos de análise de solo da (EMBRAPA, 1997), define a CTC como

“sendo a soma total dos cátions que o solo pode reter na superfície coloidal prontamente

disponível à assimilação pelas plantas. Estes cátions adsorvidos são removidos por soluções

Capítulo 4. Solos Estudados 45

salinas de amônio, cálcio, bário e soluções de ácidos diluídas e posteriormente determinados por

métodos volumétricos, de emissão ou absorção atômica.”

A técnica do acetato de amônio precisa de 12,5 g de solo, que são colocados em erlenmeyer de

250 mL e se adiciona 125 mL da solução de acetato de amônio a pH 7,0. Mistura-se com

movimentos circulares deixando em repouso por uma noite.

Seguidamente, pipeta-se 100 mL do líquido sobrenadante e passa para um depósito de plástico

com tampa, de onde são tiradas as alíquotas para determinação dos íons trocáveis.

O Na+ e o K+ são determinados pelo fotômetro de chama e o Ca++ e Mg++ pelo espectrometria de

absorção atômica.

4.2.1. Solo do campo experimental da PUC-Rio

O primeiro solo pertence ao campo experimental da PUC-Rio, considerado um solo coluvionar

maduro. As características gerais deste solo podem ser vistas nas Tabelas 4.1 e 4.2, e sua curva

granulométrica na Figura 4.1. Ele possui uma tonalidade bruno amarelada; textura argilo-arenosa

com poucos seixos de quartzo e lateríticos; estrutura granular, com aspecto homogêneo; e

constitui-se basicamente por quartzo, argilo-minerais (essencialmente caulinita) e óxidos de ferro

(Diniz, 1998).

Tabela 4.1- Características do solo do campo experimental da PUC-Rio (Beneveli, 2002)Índices Valor

Distribuição do tamanho das Partículas (%)Argila 59Silte 9Areia 32Pedregulho 1

Limites de Atterberg (%)Limite de Plasticidade 30,7Limite de Liquidez 56,3Índice de Plasticidade 25,6

Densidade das Partículas, Gs 2,762Classificação SUCS


Tabela 4.2 – CTC pela técnica do acêtato de amônio para o solo do campo experimentalda PUC-Rio

Elemento Valor

Complexo Intercambiáveis (cmol/kg)Lítio. Li+ 0Cálcio, Ca++ 2,6Magnésio, Mg++ 0Potássio, K + 44Sódio, Na+ 40Bário, Ba+ 0Estrôncio, Sr++ 0

Capacidade de troca Catiônica pela técnica do Acêtato de amônio (meq/100g de soloseco)

4,35

Solo Natural

Fig. 4.1 Curvas granulométricas solo do campo experimental, PUC-Rio (Beneveli, 2002)

4.2.2. Solo caulinítico

O segundo solo escolhido foi o caulim Extra Fino usado na indústria de papel, com grande pureza

de aproximadamente 95% (Carrillo, 2000). A figura 4.2 apresenta a sua curva de distribuição

granulométrica.


Fig. 4.2 Curva granulométrica do caulim extra fino (Carrillo, 2000)

A tabela 4.3 mostra os resultados de caracterização do material. Não foi possível obter o dado de

limite de plasticidade deste material porque ficava muito grudado e passa a ser se romper quando

é seco. Na tabela 4.4 apresenta-se os resultados do ensaio de capacidade de troca catiônica pela

técnica de acetato de amônio.

Tabela 4.3 – Características do solo caulinítico extra finoÍndices Valor


Limites de Atterberg (%)Limite Plasticidade n/dLimite de Liquidez 77Índice de Plasticidade n/d

Densidade das Partículas, Gs 2.61


Tabela 4.4 – CTC pela técnica do acetato de amônio para o caulim extra finoElemento Valor

Complexo Intercambiáveis (cmol/kg)Lítio. Li+ 0Cálcio, Ca++ 2,4Magnésio, Mg++ 0Potássio, K + 4,7Sódio, Na+ 13,0Bário, Ba+ 0Estrôncio, Sr+ 0

Capacidade de troca Catiônica pela técnica do Acetado de amônio (meq/100g de soloseco)

14,13

4.2.3. Solo residual

O terceiro tipo de solo utilizado foi um solo residual gnáissico oriundo da região de Duque de

Caxias, RJ. Um estudo de microscopia da fração grossa indicou a presença de quartzo, feldspato,

biotita e granada. Para análise da fração fina foi usada a difração de raios-X, que mostrou a

presença de caulinita, gibsita e traços de illita. A Tabela 4.5 apresenta os índices físicos e a

Tabela 4.6 a composição mineralógica. A Figura 4.3 mostra a curva granulométrica

correspondente.

Tabela 4.5- Características do Solo ResidualÍndices Valor


Limites de Atterberg (%)Limite de Plasticidade 38,2Limite de Liquidez 62,1Índice de Plasticidade 23,9

Densidade das Partículas, Gs 2,7Classificação pelo Sistema Unificado SM


Tabela 4.6 – Características físico-químicas do Solo ResidualÍndices Valor

Condutividade Elétrica (mS/cm at 250C) 0,06PH

H2O 4,9KCl 4,1

Matéria Orgânica (%) 1,5Sais Solúveis (cmol/kg)

K+ <0,01Na+ 0,01

Metais (mg/dm3)Mn 0Fe 5,2Cu 0,29Zn 0,56

Complexo Intercambiáveis (mg/L)Ca 2,6Mg 0K 42,0Na 58,0Li 0,0H 0,0

Capacidade de troca Catiônica pela técnica do Acetado de Sódio (meq/100g de soloseco)

6,30

Superfície Específica (m2/g) 14,05

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000Diâmetro dos grãos (mm)

Por

cent

agem

que

pas

sa (

%)

Fig. 4.3 – Curva granulométrica do solo residual


4.3. PROCEDIMENTO DE CONFECÇÃO DO CORPO DE

PROVA E INÍCIO DO ENSAIO

4.3.1. Solo do campo experimental PUC-Rio

O material foi inicialmente seco ao ar livre e depois peneirado na # 40, sendo em seguida

umedecido a 1,10 wL e compactado em um aparelho Proctor normal. Após a compactação, o

material foi levado para câmara úmida para ser moldado. Suas dimensões finais foram de 38,1

mm de diâmetro e 200 mm de comprimento. Apesar dos cuidados durante a colocação da amostra

no interior da célula os vazios existentes entre a amostra e a parede do acrílico não foram

preenchidos, o que permitiu a passagem de água e gerou um curto circuito (i=0), sem que os

outros fenômenos eletrocinéticos se desenvolvessem. Para solucionar este problema, foi

confeccionado um novo corpo de prova com aproximadamente 1,30 wL. Com isto, a amostra

ficou mais mole, o que fez com que ela se remoldasse mais facilmente e não gerasse o

espaçamento entre a célula e a amostra. O ensaio foi realizado durante dois dias, porém não foi

constatado fluxo.

4.3.2. Solo Caulinítico

O ensaio com o solo caulinítico foi preparado da seguinte forma:

1. Previamente uma base de acrílico é acoplada na base da célula como mostra o detalhe da

Figura 4.4. Um papel filtro No.40 é colocado entre a base e a célula para evitar saída de

material e contaminação externa,

2. A amostra de solo é seca ao ar, triturada para quebra de torrões e depois peneirada na #40,

3. Depois misturada mecanicamente com água destilada com teor de umidade a 1,25 ωL,

4. O pH da água é nivelado segundo programa de ensaios que será descrito no capítulo 5,

5. O solo é colocado na célula em camadas com ajuda de um vibrador mecânico, com isso

evitando bolhas de ar. O corpo de prova é vibrado ainda por um tempo de 20 minutos para


que o restante do ar seja expulso do solo. Depois, é deixado por aproximadamente uma hora

em repouso, enquanto se preparam os reservatórios dos eletrólitos.

6. Uma vez a célula preenchida, vibrada e repousada o primeiro reservatório do eletrólito é

acoplado,

7. A base de acrílico é desmontada e então o segundo reservatório é acoplado.

8. Os dois reservatórios são preenchidos com água destilada para o seu correspondente pH,

9. São colocadas as pipetas graduadas e ligados os cabos aos eletrodos,

10. O ensaio inicia quando a fonte, com a voltagem desejada é ligada.

Figura 4.4 Detalhe da base de acrílico com a amostra

4.3.3. Solo residual

Na preparação do corpo de prova segue-se as seguintes etapas:

1. A amostra é preparada no equipamento que consiste em uma base de acrílico, como mostrou

a Figura 4.4, esta é acoplada na base da célula. Um cilindro de PVC é conectado na parte do

topo da célula. Este cilindro têm o mesmo diâmetro que a célula, como mostra a Figura 4.5. A

tensão de 0,50kPa é satisfeita colocando pesos acima de um êmbolo de PVC,


a) vista de perfil b) vista de cimaFig. 4.5 vistas do Cilindro, do êmbolo de PVC e da pedra porosa

2. Uma pedra porosa e um papel filtro No.40 são colocados entre o solo e o êmbolo para

permitir a saída da água e evitar saída de material. Na base só é colocado o papel filtro,

3. A amostra de solo é seca ao ar, triturada para quebra de torrões, e peneirada na # 40,

4. É misturada mecanicamente com água destilada, com pH, determinado para cada ensaio,

5. O teor de umidade é de aproximadamente 1,25 ωL, para garantir a saturação do corpo de

prova,

6. O material é depositado pela parte superior para encher a célula e o cilindro de PVC, vibrando

quando necessário e repousado por um tempo de 40 minutos,

7. Os pesos são colocados em intervalos de tempos variados acima do êmbolo de PVC, como

mostra a Fig. 4.6


Fig. 4.6 Arranjo do ensaio de eletrocinese

8. Uma vez concluído esta etapa, a tensão é aliviada, o excesso de material é retirado e utilizado

para calcular o teor de umidade,

9. Na parte do topo é trocado o papel filtro e acoplado o reservatório do eletrólito enchendo-o de

água destilada,

10. A base de acrílico é desmontada e o segundo reservatório acoplado. Também é cheio de água

destilada,

11. São colocadas as pipetas graduadas e ligados os cabos aos eletrodos,

12. O ensaio inicia quando a fonte, com a voltagem desejada, é ligada,

13. Ao longo do ensaio e a certos intervalos, são medidos o fluxo diretamente das buretas, o pH e

a intensidade de corrente.


Para determinar quando o corpo de prova entra em equilíbrio com a tensão imposta

monitoravam-se os deslocamentos do êmbolo tão logo quanto a carga era aplicada. A Fig. 4.7

ilustra o procedimento.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 20 40 60 80 100

Tempo (h)

Des

loca

men

to (

mm

)

Fig. 4.7 Curva tipo, deslocamento versus tempo, na célula eletrocinética

55

CAPITULO 5

ANÁLISE DOS RESULTADOS

5.1. INTRODUÇÃO

No presente capítulo apresenta-se a análise dos resultados obtidos nos ensaios eletro-osmóticos

realizados com os solos caulinítico e residual gnaíssico. O programa de ensaios foi dividido em

duas partes: a primeira abordou a eficiência das células eletrocinéticas e a segunda parte

focalizou o processo eletrocinético no solo residual. Na primeira etapa foram realizados 14

ensaios com o caulim, que foram divididos em dois grupos:

1) Nos primeiros 9 ensaios foram estudadas as variações do gradiente de potencial elétrico (gpe)

aplicado mostrados na Tabela 5.1. Na segunda bateria de ensaios, estudou-se o efeito da

variação do pH da solução no fluxo eletro-osmótico. A variação do pH foi obtida através de

acidificação por adição de HCl e a alcalinização por adição de NaOH. Esta acidificação foi

executada de forma controlada, através da utilização de um pHmetro. O mesmo cuidado foi

utilizado para a alcalinização da solução. O teor de umidade inicial (wi) variou entre as

amostras como mostra a Tabela 5.1, devido as dificuldades no processo de fabricação das

amostras, erros na pesagem do solo e na medição da água ao tempo de espera para a

montagem da célula. Em ambos os casos, tentou-se colocar 1,25 wL. No caso do caulim os

valores variaram de 1,01 a 1,37 wL e no solo residual foram de 1,11 a 1,44 wL. Os ensaios

foram realizados a temperatura controlada de laboratório. As medições indicam uma média de

22°C.

2) No estudo do solo residual gnaíssico foram efetuados 6 ensaios. Os primeiros três ensaios

foram com a célula de 50 mm de comprimento em que os valores do gradiente de potencial

elétrico variaram conforme mostra a Tabela 5.1. Os outros três ensaios foram realizados com

a variação do pH da solução. Para a execução destes ensaios utilizou-se a célula de 200 mm

de comprimento e as características desta bateria de ensaios estão ilustradas na Tabela 5.1.

Capítulo 5 Análise dos Resultados 56

Tabela 5.1 Ensaios realizados com caulim e solo residualEnsaios com diferente gpe.No. doensaio

Comprimento daamostra (mm)

Tipo de Solo gpe (V/cm) pH dasolução

Teor de umidade inicial(%)

Densidade inicial (g/cm3)

001 50 Caulim 0,5 7 90,29 n/d002 50 Caulim 1,0 7 105,70 n/d003 50 Caulim 1,5 7 82,22 n/d004 50 Caulim 2,0 7 105,00 n/d005 200 Caulim 0,625 7 80,85 1,24006 200 Caulim 0,750 7 95,22 n/d007 200 Caulim 0,875 7 85,09 1,58008 200 Caulim 1,000 7 83,81 n/d009 200 Caulim 1,125 7 94,59 n/d010 50 Solo residual 1,00 7 86.6 1,56011 50 Solo residual 1,50 7 89,51 1,55012 50 Solo residual 2,00 7 84.45 1,57

Ensaios com diferente medidas de pH. (na água).013 50 Caulim 1,0 12 77,40 n/d014 50 Caulim 1,0 10 83,60 n/d015 50 Caulim 1,0 8 78,91 1,52016 50 Caulim 1,0 7 105,7 n/d017 50 Caulim 1,0 5 95,96 n/d018 200 Solo residual 1,0 7 81,86 1,45019 200 Solo residual 1,0 4,5 46,11 1,59020 200 Solo residual 1,0 11,5 82.6 1,48

n/d nestes ensaios o desenvolvimento inicial não foram determinados.


5.2 RESULTADO DOS ENSAIOS.

5.2.1. Avaliação das células

A seguir são mostrados os valores obtidos para a análise da avaliação das células, sendo

distribuídas primeiramente de acordo com a variação de gradiente de potencial elétrico

(gpe) e a variação de pH. A segunda parte apresenta os resultados do comportamento do

solo residual gnaíssico, com a mesma seqüência de análise.

5.2.1.1. Variação de gpe na célula de 50 mm

Fluxo

Quatro ensaios estavam previstos nesta etapa porém só dois foram concluídos. No primeiro

ensaio não foi obtido nenhum resultado pois quando o gpe de 0,5 V/cm foi aplicado, não se

observou fluxo eletro-osmótico. A ausência de fluxo deve-se possivelmente ao fato de o

gpe e o tempo transcorrido não terem sido suficientes para permitir o início do fluxo. No

ensaio onde foi aplicado um gpe de 2,0 V/cm, a força dentro da célula foi tão grande e

rápida que o material rompeu antes de se iniciar o fluxo. O material foi lançado para o

reservatório do eletrólito como mostra a Figura 5.1. Um gradiente muito alto provocou o

transporte elevado de partículas sólidas, além da falta de compactação, que também ajudou

a provocar esta reação. Isto aconteceu no lado do cátodo, o que indicou a direção do fluxo.


Fig. 5.1 Detalhe da célula onde o material foi carreado

A Figura 5.2 mostra os resultados dos ensaios realizados com caulim na célula de 50 mm

de comprimento. Pode-se observar como o fluxo no ensaio de 1,0 V/cm se iniciou quase 24

horas depois, tornando-se praticamente constante, com uma vazão muito baixa. O ensaio

foi finalizado após 90 horas. No ensaio de 1,5 V/cm temos uma diferença em relação ao

fluxo gerado no ensaio anterior. O fluxo começou nas duas primeiras horas, e aumentou

durante o intervalo das 10 as 20 horas. Entre as 15 e 17 horas de ensaio, o fluxo sofreu um

incremento grande e já nas últimas horas ele tendeu a se estabilizar. O aparecimento de

trincas, apesar de ter um teor de umidade menor que o ensaio de 1 V/cm (82,22 vs

105,22%), provavelmente devido à falta de compactação e ao aumento do gpe, fez com que

este ensaio fosse finalizado bem antes que o primeiro, chegando só na metade do tempo. A

falta de compactação permitiu a geração de bolhas de ar no corpo de prova, que por sua

vez, causa a formação de fissuras e o aumento da condutividade hidráulica. Efeitos

semelhantes foram observados por Wang (1953). Bjerrum (1967) comprovou em seus

ensaios que as bolhas de ar são produto do fenômeno de eletrólise e que a ocorrência das

trincas deveriam ser esperadas. Por último, a taxa de fluxo não é constante e depende do

tempo como afirma Hamed et al. (1991).


0

3

6

9

12

15

18

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3/s

)*10

-5

1 V/cm 1,5 V/cm

Fig. 5.2 Variação do fluxo eletro-osmótico devido a diferente gpe

Coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (ke)

A Figura 5.3 mostra o coeficiente de permeabilidade eletro-osmótico (ke) em função do

tempo. Os ensaios realizados com solo caulinítico na célula de 50 mm em que o pH da

solução era de 7, os resultados indicaram que ke sofre um aumento com o passar do tempo.

Este aumento foi maior em função do gpe, concordando com os resultados apresentados de

Hamed et al.(1991), e Acar et al. (1994). Os resultados também mostraram que o ke não é

constante para um solo e a tendência foi a aumentar devido a formação e introdução dos

produtos gerados pela eletrolise nos eletrodos e os câmbios químicos que ocorrem ao longo

da massa de solo.

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tempo (h)

k e (

cm2/V

po

r s)

X10

-5

1,5 V/cm 1 V/cm

Fig. 5.3 Variação do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica (ke) devido a diferente gpe


5.2.1.2 Variação de gpe na Célula de 200 mm

Fluxo eletro-osmótico devido a variação de gpe

Todos os ensaios programados para esta célula foram concluídos. Nesses ensaios o fluxo

iniciou-se nas duas primeiras horas como mostra a Figura 5.4. O ensaio de 0,625 V/cm

mostra que o fluxo iniciou-se logo após a aplicação do gpe na célula. Após 15 horas de

ensaio, a amostra começou a apresentar trincas o que pode ter gerado um aumento do fluxo

devido à formação de caminhos preferenciais. Pôde-se observar por inspeção visual a

existência de partículas no reservatório do eletrólito do cátodo, devido aos processos

físico-químicos e mecânicos. Pelo efeito anterior, observou-se uma forte socavação na área

do cátodo depois de quase 24 horas de ensaio. O ensaio de 0,750 V/cm mostrou que, apesar

de ter um teor de umidade inicial maior (ω= 95,22%), apresentou a mesma tendência inicial

de fluxo como mostra a Figura 5.2. Neste ensaio as trincas apareceram mais rapidamente do

que no ensaio de 1 V/cm e como conseqüência menor tempo de ensaio. Isto pode ser

explicado pelo gpe maior. Para um gpe de 0,875 V/cm e w de 85,09% o fluxo caiu pela

metade em comparação ao primeiro ensaio de 0,625 V/cm, porém segue um

comportamento similar, isto é, o fluxo inicia quase de imediato com formação de trincas

chegando a um máximo de fluxo seguido de um decréscimo. Pêlos resultados dos ensaios

anteriores (gpe de 0,625 e 0,750 V/cm), decidiu-se refazer o ensaio porém com tempo

maior de vibração que os demais para ajudar a saída das bolhas de ar. Seu teor de umidade

foi de 83%, sendo mais baixo que o anterior. Como nos demais ensaios, apareceram as

trincas e este terminou quando a trinca alcançou toda a área transversal do corpo de prova.

A partir deste ensaio iniciou-se a pensar na possibilidade de compactar mais as amostras. A

conseqüência deste fato foi o desenvolvimento do mecanismo descrito no capítulo 4 item

4.3.2.


0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

)x10

-5

0,625 V/cm 0,75 V/cm 0,875* V/cm 0,875 V/cm 1,0 V/cm 1,125 V/cm

Fig. 5.4 Variação do fluxo eletro-osmótico devido a diferente gpe

O fluxo nos ensaios de 1,0 V/cm e de 1,125 V/cm é menor que nos anteriores. O pico do

ensaio de 1 V/cm apresentou-se em um tempo de aproximadamente 8 horas, no entanto,

para o ensaio de 1,125 V/cm não foi desenvolvido. O comportamento errático do ensaio na

última parte foi devido ao efeito das trincas que também ocorreu pelo aumento do gpe, o

que acelerou a sua formação. Os resultados sugerem que para materiais não compactados

na célula de 200 mm os gradientes devem ser menores a 1 V/cm, para obter uma boa

eficiência.

Coeficientes de permeabilidade eletro-osmótica (ke)

Os coeficientes de permeabilidade eletro-osmótica ke atingem valores de ordem de 10-5

cm2/V por s. Pode-se observar um mesmo padrão para ensaios com diferentes gradientes

aplicados. A curva com o gradiente menor (0,625 V/cm) apresenta os maiores valores de ke.

Destes resultados, podemos dizer que, como ocorre com a célula de 50 mm, o ke não é

constante para um mesmo solo e a tendência é descer devido à formação e à introdução dos

produtos gerados pela eletrólise nos eletrodos. Também podemos dizer que as trocas

químicas que ocorrem ao longo da massa de solo ocorrem mais rapidamente cada vez que o

gpe aumenta.


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

0 10 20 30 40 50 60

Tempo (h)

k e (

cm2 /V

po

r s)

x10-5

0,625 V/cm 0,75 V/cm 0,875* V/cm 0,875 V/cm 1,0 V/cm 1,125 V/cm

Fig. 5.5 Variação do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica devido a variação de gpe

5.2.1.3 Comparação entre Células

Variações de Fluxo eletro-osmótico

A eficiência das duas células foi verificada pela análise dos gráficos de fluxo vistos nas

Figuras 5.2 e 5.4 e que estão agrupados na Figura 5.6 para efeito de comparação. A célula

de 50 mm mostra uma variação grande no fluxo com o tempo. Para os dois ensaios com

uma diferença de tempo de 45 horas o de maior gpe obteve um melhor resultado. Também

deve-se notar que de 4 ensaios só 2 puderam ser concluídos. Na célula de 200 mm, para os

diferentes gpe aplicados, mostra-se um tempo de ensaio com pouca variação e com fluxo

oscilando entre 5×10-5 cm3/s com um gpe de 1,0 V/cm e 25×10-5 cm3/s com um gpe de

0,625 V/cm enquanto que na célula de 50 mm o fluxo varia de 1×10-5 cm3/s com um gpe de

1,0 V/cm a 16×10-5 cm3/s com gpe de 1,5 V/cm. Para o ensaio de 1V/cm, na célula de 50

mm teve-se um fluxo máximo de 1×10-5 cm3/s num tempo de 90 horas em oposição a célula

de 200 mm onde o fluxo máximo foi de 5,5 ×10-5 cm3/s num tempo de 8 horas o qual

manteve-se constante até o final do ensaio.


0

5

10

15

20

25

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

)x10

-5

1.0 V/cm, 50 mm 1,5 V/cm, 50 mm 0,625 V/cm, 200 mm

0,875* V/cm, 200 mm 1,0 V/cm, 200 mm 1,125 V/cm, 200mm

Fig.5.6 Comparação entre dois tipos de ensaios com diferente gpe

5.2.1.4. Variação do pH

Célula de 50 mm

Através dos resultados de fluxo apresentados na Fig.5.7 pode-se observar que para valores

de pH>7, o fluxo máximo é alcançado rapidamente. A medida que o pH inicial nos

eletrólitos torna-se menos alcalino, o fluxo vai apresentar um retardamento no tempo para

alcançar seu fluxo máximo. O anterior deve-se ao avanço da frente de H+ que é mais rápido

e a troca de íons afeta o fluxo eletro-osmótico. A geração de uma frente ácida ou básica nos

reservatórios dos eletrólitos é demostrada pela equação 2.1

)Ânodo(OH4H2e4OH4

)Cátodo(H4Oe4OH2

22

22

−−

+−

+↑→+

+↑→−(2.1)

Na Figura 5.9 pode-se observar que as curvas de pH> 7 apresentam um comportamento

similar, isto é, tem um fluxo inicial alto e depois apresentam uma queda, novo aumento, e

por último tende estabilizar-se. As trocas nos valores do pH inicial pode ser a razão por

estas diferenças significativas no total de fluxo alcançado como afirmam Acar et al. (1994).

As diferentes taxas de fluxo são indicativos do efeito do pH na carga na superfície da

partícula como afirmam Street e Buchanan (1956). Em todos os casos o fluxo vai na

direção do cátodo. No entanto, o ensaio que tem o pH mais baixo apresenta pouco fluxo


acaba nas primeiras 25 horas. Este ensaio foi de novo feito e ainda assim o fluxo acabou

antes que o resto dos ensaios. Nas soluções básicas o fluxo aumenta rapidamente e depois

tende a ser constante. No caso de soluções neutras o fluxo está entre estas duas tendências.

O efeito do pH no potencial zeta (ζ) pode ser o responsável pêlos diferentes

comportamentos no fluxo como sugerem Shapiro e Probstein (1993). Porém o potencial

zeta (ζ) nos solos não é constante por a heterogeneidade neles.

0

5

10

15

20

25

30

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

)x10

-5

pH = 12 pH= 10 pH=8 pH= 7 pH=5,2* pH=5,2

Fig.5.7 variações de fluxo com variação de pH na solução. gpe = 1 V/cm

5.2.2. Comportamento do solo residual

5.2.2.1. Variação de gpe

Os resultados dos ensaios com o solo residual correspondem à segunda bateria de ensaios

programada. Quando o gpe foi aplicado o fluxo foi do cátodo para o ânodo. O que indica

que o potencial zeta é positivo, Shapiro et al. (1993). Segundo este pesquisador o sinal

deste potencial pode afetar a quantidade de fluxo eletro-osmótico, porque a transferência de

líquido com alto pH do cátodo podem passar ao corpo de prova e modificar nesta zona o

valor do potencial zeta a valores negativos. Neste momento, o fluxo pode ter uma

diminuição ou parar até que se estabeleça um equilíbrio de cargas no meio.


Fluxo eletro-osmótico na variação do gpe

A Fig. 5.8 mostra os resultados de fluxo para diferentes gradientes de potencial elétrico na

célula de 50 mm. Pode-se apreciar uma melhora no comportamento dos resultados que nos

mostrados na seção anterior com caulim, devido ao fato de todos ter sido compactados

previamente. As trincas não voltam a se apresentar, porém existe uma diminuição do fluxo.

Os ensaios mostraram um comportamento errático, provavelmente devido às reações

químicas resultantes do processo eletrocinético no solo. Esta suposição está baseada na

variação de pH evidenciada nos reservatórios eletrolíticos como mostra a Fig. 5.9. Pode-se

apreciar nas duas figuras que quando o fluxo alcança seu valor máximo, no mesmo tempo

os valores das frentes ácida e básica estão quase no seu valor máximo.

0

0,5

1

1,5

2

0 25 50 75 100 125 150

tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

) x

10-5

1 V/cm 1,5 V/cm 2,0 V/cm

Fig. 5.8 Variações de fluxo eletro-osmótico devidos a diferente gpe na célula de: 50 mm


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

0 25 50 75 100 125 150

Tempo (h)

pH

epg=1V/cm (ânodo) epg=1,5 V/cm (ânodo) epg=2 V/cm (ânodo)

epg=1 V/cm (cátodo) epg=1,5 V/cm (cátodo) epg=2 V/cm (cátodo)

Fig. 5.9 variações de pH devidas a diferente gpe no solo residual na célula de 50 mm


A Permeabilidade eletro-osmótica ke varia ao longo do ensaio. Observa-se também que ela

é independente da magnitude do gradiente de potencial, contudo esta variação e pequena. A

Figura 5.10 evidencia o anterior, também pode-se apreciar que as variações entre as curvas

são pequenas e para propósitos práticos, pode ser considerado como independente do

gradiente de potencial elétrico.

0

0,025

0,05

0,075

0 25 50 75 100 125 150

Tempo (h)

k e (

cm2 /V

po

r s)

x 1

0-5

epg=1V/cm epg=1.5V/cm epg=2V/cm

Fig. 5.10. Variações de ke devidos a diferente gpe na célula de 50 mm


Eficiência de transporte eletro-osmótico (k i)

A eficiência de transporte eletro-osmótico (ki) pode ser calculada pela seguinte relação

tQI

k i

∆∆

= (4.5)

onde I é a corrente aplicada, ∆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. A Figura 5.11 mostra os

resultados calculados. Pode-se observar que o ki alcançou seu valor máximo no inicio dos

ensaios, e logo decresce. Com base nos resultados pode-se afirmar que ki não é dependente

do gradiente de potencial elétrico (gpe), porém dependente do tempo. Mesmas tendências

foram apresentados por Casagrande, (1983) e Acar et al., (1994). O comportamento errático

pode ser devido a os câmbios químicos que acontecem ao longo do corpo de prova e as

reações devidas a os produtos da eletrolise. No decorrer dos ensaios a maior eficiência foi

detectada no ensaio com um gpe de 1,0 V/cm. Porém este ensaio foi o que apresentou

menor fluxo eletro-osmótico.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 25 50 75 100 125 150

Tempo (h)

k i (

cm3 /A

po

r s)

x10

-5

epg=1V/cm epg=1.5V/cm epg=2V/cm

Fig. 5.11 Variações na eficiência eletro-osmótica devido a diferentes gpe na célula de 50 mm


Corrente

A corrente alcança o máximo valor quando um gpe é aplicado através de uma amostra de

solo, como mostra a Figura 5.12. O pico da curva é alcançado rapidamente nos ensaios

onde o gpe é maior. Em um tempo maior a tendência do potencial é a diminuir. A mesma

figura mostra que a corrente é diretamente proporcional ao gradiente de potencial elétrico

(gpe).

0

8

16

24

32

40

48

56

64

72

80

0 25 50 75 100 125 150

Tempo (h)

Co

rren

te (

x 10

-6 A

)

epg=1 V/cm epg=1.5 V/cm epg=2 V/cm

Fig. 5.12 Potencial de corrente devido a diferente gpe na célula de 50 mm

Condutividade aparente k a

Na Figura 5.13 são mostrados os resultados da condutividade aparente. Pode-se observar

uma queda de ka no decorrer do ensaio o que significa um aumento na resistência oferecida

e para manter a mesma corrente seria necessário um aumento de Voltagem. A

condutividade aparente é uma boa aproximação da condutividade atual do solo, porém só

nas primeiras etapas da eletro-osmose. Hamed et al. (1991) sugerem que a queda no ka

pode ser devido a variações significativas nas concentrações eletrolíticas através da célula.


0

1

2

3

4

5

6

7

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tempo (h)

k a (

A/V

po

r cm

) x

10-6

1 V/cm 1,5 V/cm 2,0 V/cm

Fig. 5.13 Variações na condutividade aparente devida a diferentes gpe na célula de 50 mm

Consumo energético

Outro dado interessante para ser mostrado neste tipo de solo é o consumo energético por

unidade de volume de solo (kW/m3). Este dado pode ser calculado através dos ensaios

eletrocinéticos de laboratório através da formulação fornecida por Acar et al. (1997)

LAVI

dtdE

P uu ×

×== 2.2)

A Figura 5.14 mostra que o gasto de corrente é diretamente proporcional ao gradiente de

corrente elétrica aplicado. Observa-se que o gradiente de potencial elétrico de 1,5 V/cm

resulta ter o consumo mais constante. O consumo varia entre 1,0 e 10,5 kWh/m3. Se

considerarmos o custo atual de energia na cidade de Rio de Janeiro de R$ 0,30 kW.h (US$

0,13 kW.h), podemos dizer que o fluxo eletro-osmótico alcançará um custo máximo de R$

2,99 (US$ 1,30) por kW.h/m3. Porém se consideramos um gpe de 1 V/cm o custo é menor

cerca de R$ 0,70 (US$ 0,30) kw.h/m3. O que pode ser considerado um valor adequado para

emprego em projeto.


0

2

4

6

8

10

12

0 25 50 75 100 125 150

tempo (h)

Pu

(kW

h/m

3 )

epg = 1 V/cm epg= 1,5 V/cm epg= 2 V/cm

Fig. 5.14 Consumo energético devido a diferente gpe na célula de 50 mm e pH~7

5.2.2.2. Variação do pH

Fluxo eletro-osmótico por variação de pH

As variações do pH nos ensaios provocaram diferentes taxas de fluxo. A Figura 5.15 mostra

que o fluxo eletro-osmótico desenvolve-se mais rapidamente em um ambiente inicial

alcalino, porém há uma redução drástica devido as reações químicas decorrentes da

eletrólise. No ensaio com um ambiente inicialmente neutro o fluxo apresenta uma

magnitude inferior ao ambiente alcalino, porém os efeitos da eletrólise são evidenciados em

uma menor escala e assim a redução do fluxo é gradual. Já no ensaio com ambiente inicial

ácido, houve um certo retardamento no estabelecimento do pico de fluxo devido ao menor

teor de umidade inicial do corpo de prova. Porém, foi neste ensaio que percebeu-se a menor

redução na magnitude do fluxo, possivelmente devido a menor variação de pH durante o

ensaio. Podemos dizer que neste ambiente ácido o fluxo eletro-osmótico é intenso e se

mantém por maior tempo.

Na verdade, a figura 5.16 indica que a hipótese anterior é válida porque a variação do pH

foi mais no ensaio alcalino, depois foi o neutro e por último no ácido. Estos resultados

reforçam a hipótese da influência da eletrólise na magnitude do fluxo.


0

2

4

6

8

10

12

0 20 40 60 80 100 120

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

)x10

-5

pH=4.5 pH=7.0 pH=11.5

Fig.5.15 Variação do fluxo eletro-osmótico com variação de pH na célula de 200 mm

0

2

4

6

8

10

12

14

0 20 40 60 80 100 120

Tempo (h)

pH

pH=4,2 (cátodo) pH=4,2 (ânodo) pH=11,5 (cátodo)pH=11,5 (ânodo) pH=7,0 (cátodo) pH=7,0 (ânodo)

Fig. 5.16 Variação de pH na célula de 200mm em ensaios com diferentes pH na solução


A Figura 5.17 mostra os valores obtidos de ke. Eles mostraram uma semelhança em forma

com os resultados obtidos por Hamed et al. (1991). Este coeficiente aumenta rapidamente

no início do ensaio e depois reduz seu valor com o tempo. Isto pode ser devido aos

processos físico-químicos que ocorrem durante o ensaio como foi demostrado na seção

anterior do fluxo.


0,00

0,15

0,30

0,45

0,60

0 20 40 60 80 100 120

Tempo (h)

k e (c

m2 /V

por

s)

x10-5

pH= 7,0 pH= 4,5 pH=11,5

Fig.5.17 Variações do coeficiente de permeabilidade eletro-osmótica na célula de 200 mm

Teor de umidade

Por último são mostrados os resultados da variação do teor de umidade (w), dos ensaios

com diferentes pH. Os resultados da Figura 5.18 mostram uma redução em ambos extremos

da célula. O efeito no lado do cátodo deve-se possivelmente a que cria-se sucção porque o

fluxo tomo esta direção, já no lado do ânodo a perda de água pode ser devido a falta de

homogeneidade nos corpos de prova. Porém esta variação pode considerar-se como erro

experimental devido a que as amostras retiradas do corpo de prova nas extremidades

permanecem mais em contato com a atmosfera no processo de extração. Pode-se também

apreciar que, a variação menor no teor de umidade é quando o pH é neutro.

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Distancia normalizada ao ânodo

Teo

r d

e u

mid

ade

no

rmal

izad

a

pH=11,5 pH=7,0 pH= 4.5

Sentido do fluxo

Fig. 5.18 Variação de umidade no interior do corpo de prova


Temperatura

A Figura 5.19 mostra os resultados de um ensaio com um teor de umidade (w) de 52%,

uma densidade de 5,24 g/cm3 e uma corrente máxima de 40 µΑ, realizado para medir

variações de temperatura nos reservatórios dos eletrólitos da célula de 50 mm, com ajuda

de um data logger portátil AHLBORN modelo ALMENO 2290-8. Pode-se observar que os

resultados de temperatura dos eletrólitos são bastante semelhante às do meio ambiente.

Considerando que a faixa de medição dos termopares estende-se até 1200°C, pode-se

afirmar, para efeitos de projeto, que a eletrocinese não cria uma variação de temperatura.

Um fato interessante é a enorme variação de temperatura verificada no período noturno. O

ensaio foi realizado durante o período de racionamento de energia, e por medida de

precaução, os aparelhos de ar-condicionado do laboratório eram desligados as 18:00 h

quando a energia elétrica do Campus iniciava a ser suprida por um grupo de geradores

elétricos. Assim tão logo os aparelhos de ar-condicionado eram desligados, a temperatura

ambiente se elevava em torno de 4°C. Durante o expediente a temperatura ambiente se

mantinha praticamente constante.

21,5

22,0

22,5

23,0

23,5

24,0

24,5

25,0

25,5

26,0

26,5

27,0

18:00:00 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00 0:00:00 6:00:00 12:00:00 18:00:00

Tempo (h)

Tem

per

atu

ra (o C

)

ânodo cátodo temp. ambiente

Fig. 5.19 Variação da temperatura dos eletrólitos

Comprimento das amostras

A Figura 5.20 mostra a comparação entre os resultados dos ensaios com gpe de 1 V/cm, o

que corresponde a uma tensão de 5,0 V, com 86,6% de teor de umidade e 7,94 g/cm3 para a


célula de 50 mm e 20 V, 81,86% de teor de umidade e 4,92 g/cm3 para a célula de 200 mm.

O método de compactação, descrito no capítulo 3, foi aplicado nestes ensaios. Após 20h o

fluxo em cada corpo de prova (c.p.) tendeu a estabilizar em um patamar cerca de 0,5 x10-5

cm3/s para o c.p. de 50 mm e 5x10-5 cm3/s para o c.p. de 200 mm. O maior fluxo

evidenciado no corpo de prova de 50 mm pode estar relacionado com o maior teor de

umidade inicial.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 20 40 60 80 100 120 140

Tempo (h)

Flu

xo (

cm3 /s

) x

10-5

1,0 V/cm, 50 mm 1 V/cm, 200 mm

Fig.5.20 Comparação entre comprimento das células de 50 e 200 mm diferente gpe e pH~7

Dada a pequena magnitude dos fluxos e considerando que ambos estão na mesma ordem de

magnitude, pode-se considerar, para efeitos práticos, que o comprimento dos corpos não

influencia o fluxo eletro-osmótico.

CAPITULO 6

CONCLUSÕES

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. A primeira, uma célula bipartida que acomodava corpos de prova

com 200mm de comprimento e 38mm de diâmetro, apresentou uma séria limitação devido as

reações decorrente da aplicação do gradiente elétrico: a variação volumétrica do corpo de prova.

A variação volumétrica fez com que caminhos preferenciais de fluxo se formassem entre a

parede rígida da célula e o corpo de prova, gerando um curto circuito e impedindo a eletrocinese.

Assim, resolveu-se utilizá-la somente com amostras reconstituídas. Já a segunda, uma célula que

acomodava corpos de prova com 50mm de comprimento e 38mm de diâmetro, atendeu as

expectativas de projeto.

O programa experimental consistiu de uma bateria de ensaios em um solo coluvionar do Campo

Experimental da PUC-Rio, um solo processado (caulim) e um solo residual gnaissico de Duque

de Caxias. Os dois primeiros solos foram empregados nos ensaios destinados a avaliar o

desempenho das células. Já o terceiro serviu para avaliar o potencial de emprego da eletro-

osmose em solos tropicais.

Os resultados dos 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 do teor de umidade

através dos corpos de provas foram ínfimas. Na verdade as pequenas diferenças observadas nas

extremidades dos corpos de provas podem ser consideradas erros experimentais, já que os

mesmos permanecem mais tempo em contato com a atmosfera durante o processo de extração.

Capítulo 6 Conclusões 76

Um fato curioso foi a indepedência dos parâmetros que avaliam a eficiência eletro-osmótica com

o gradiente elétrico aplicado. De fato, constatou-se serem insignificantes as variações tanto da

permeabilidade eletro-osmótica quanto da eficiência eletro-osmótica com a magnitude do

gradiente elétrico aplicado, sugerindo uma independência de ambos parâmetros em relação ao

gradiente. 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 energético

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. Assim, pode-se considerar que nos ensaios

realizados não ocorreu a formação de gradientes térmicos que pudessem interferir no fluxo

eletro-osmótico.

A eletrólise é a responsável pela alteração de pH nos eletrólitos e no corpo de prova. Há algum

tempo já se beneficia da geração de uma frente ácida para precipitar e desorver metais pesados e

carreá-los pelo fluxo eletro-osmótico em solos contaminados. Nos ensaios realizados no solo

residual observou-se que os efeitos da eletrólise eram evidenciados rapidamente, e em questão de

dias havia uma estabilização de pH nas soluções dos reservatórios. 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 ácida, seguida de uma solução inicialmente neutra e um menor fluxo em uma

solução inicialmente básica.

Devido à extensa duração dos ensaios era extremamente tediosa a determinação do fluxo, da

intensidade de corrente e do pH das soluções. Recomenda-se a automatização dos ensaios e a

determinação de outros parâmetros de interesse como o teor de oxigênio dissolvido e a

condutividade elétrica.

No tocante às células, verificou-se a formação de trincas em ensaios onde eram aplicados

elevados potenciais elétricos. Acredita-se que a aplicação de uma tensão confinante no corpo de

prova venha a minimizar este problema, e ao mesmo tempo, possibilitar a realização de ensaios

com amostras indeformadas.

77

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