relatório física experiental
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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIAS ENERGÉTICAS E
NUCLEARES PROTEN/UFPE – CRCN-NE/CNEN
TRANSPORTE DE ÁGUA E SOLUTOS EM SOLOS (NU-972/04CR)
ENSAIO EM LABORATÓRIO POR MEIO DE COLUNA DE SOLO PARA
DETERINAÇÃO DOS PARÂMETROS HIDRODISPERSIVOS
José Angelim
Recife
2011
INTRODUÇÃO
Os fenômenos de transporte em solos podem ser definidos como sendo o
movimento de determinado composto em meio a uma ou mais camadas de solo, em
ambiente saturado ou não. A compreensão desses mecanismos e a análise e modelagem
numérica do problema, associadas a programas de monitoramento de campo, permitem
a avaliação da migração de determinados compostos no subsolo e águas subterrâneas
[1]. Essa modelagem necessita de um ensaio em laboratório reproduzindo o ambiente de
campo e para que esse ensaio seja corretamente executado é necessário um
planejamento das atividades que serão desenvolvidas.
O presente ensaio buscou gerar dados através de ensaio em coluna de solo com
percolação de KBr como traçador devido ao fato do mesmo não ser adsorvido pela
maioria dos solos e modelá-los através de um modelo CDE (modelo de convecção-
dispersão).
Além disso, buscou-se a compreensão dos mecanismos de fenômenos de
transporte em solo.
METODOLOGIA
Solo utilizado
A amostra de solo utilizada neste estudo foi proveniente das margens do açude
Cajueiro localizado no município de Tuparetama – PE, nas profundidades de 50 à 70
cm.
Porém para o desenvolvimento do ensaio foi necessária a preparação do solo. Os
procedimentos para a preparação do solo utilizado no ensaio seguiram a seguinte ordem:
1. Destorramento do solo;
2. Peneiramento do solo (2 mm);
3. Determinação das medidas da coluna de solo e seus componentes (diâmetro,
altura, área volume, peso).
A análise granulométrica e textural classificou o solo utilizado da seguinte forma.
Tabela 1. Percentual das Frações de Argila, Silte e Areia - Textura e Classificação.
Argila % Silte % Areia % Textura Classificação
2,8 1,5 95,4 Arenoso Aluvial
Montagem da coluna de solo
Para a montagem da coluna as dimensões da base e o comprimento foram
determinados através da utilização de uma trena. Os valores das dimensões da coluna
foram utilizados na determinação do volume interno. A coluna utilizada possuía 5,05
cm de diâmetro interno ( ) e 20 cm de comprimento ( ) e como volume da coluna
( ) encontrou-se o seguinte valor:
(1)
Além disso, os componentes que formariam a coluna foram pesados para que
fosse possível, após o preenchimento, encontrarmos a massa do solo.
Figura 1. Coluna de solo.
Após a montagem da coluna, a massa total foi determinada em uma balança
semi-analítica, a massa de solo foi encontrada ( ) e a densidade da coluna ( ) foi
calculada através da seguinte equação:
(2)
Planejamento do ensaio de coluna
Para os ensaio com a coluna foi feito um planejamento da metodologia de
análise a partir dos dados iniciais:
Tabela 2. Dados para o planejamento do ensaio.
Densidade
do solo ( )
Diâmetro
da coluna
(D)
Comprimento
da coluna
( ) Vazões (Q)
Comprimento
de capilar do
traçador
(Ccap)
Diâmetro
do capilar
(Dcap)
1,55 g/cm3 5,05 cm 20 cm 0,84 cm
3/min, 1,32
cm3/min e 1,98 cm
3/min
183 cm 0,2 cm
A partir desses dados foram calculados os valores de parâmetros que seriam
utilizados no ensaio com a coluna e o tempo de duração dele.
Porosidade ( )
Os espaços existem nas partículas que formam qualquer tipo de solo são
chamados de poros. As somas desses espaços podem ser maiores ou menores, tornando
a matéria mais ou menos densa. O cálculo da porosidade do solo utilizado foi:
(4)
Onde é a densidade dos grãos presentes no solo e o seu valor é de 2,65 g.cm-3
em
amostra que tem em sua constituição básica sílica.
Volume de Poros ( )
A partir da porosidade e do volume da coluna construída no laboratório foi
possível a determinação do valor do volume de poros. O volume de poro expressa o
volume total de espaços vazios na coluna construída e pode ser calculado da seguinte
forma:
(5)
O volume de poros refere-se ao volume total dos poros presentes na coluna e
esse valor torna-se importante para o ensaio com a coluna, pois é a partir dele que se
calcula o tempo de ensaio total e o tempo de coleta, além de dizer o volume que será
coletado por intervalo de tempo.
Volume de Coleta ( )
O volume de coleta ( ) foi estabelecido de forma que fosse obtido um número
de pontos ajustáveis na região da curva de eluíção. Estipulou-se um número de pontos
mínimo igual a 25. Ou seja,
(6)
Tempo de coleta ( )
O tempo de coleta foi estabelecido pela razão entre o volume de coleta e a vazão
da bomba peristáltica que foi utilizada no ensaio (estabelecida a partir do ensaio com o
permeâmetro de carga constante).
(7)
Esse tempo foi utilizado para programar o tempo de coleta no coletor
automático.
Volume de traçador no capilar ( )
Saber o volume de traçador no capilar de injeção é importante para descobrir
quando será iniciada a injeção na coluna de solo e não obter valores errados. A equação
do volume do capilar foi:
(8)
Com esse volume e com a vazão da bomba foi possível calcular o tempo entre o
pulso inicial e a injeção na coluna ( ).
O tempo entre o pulso inicial e a injeção na coluna foi:
(9)
Tempo total de ensaio ( )
O tempo total de ensaio foi necessário para que fosse feita uma programação das
atividades que seriam desenvolvidas no menor espaço de tempo e sem interrupções. O
tempo total foi calculado de forma que fossem passadas as seguintes soluções na coluna
de solo:
1 Vp de solução eletrolítica – 1 Vp de traçador – 2 Vp de solução eletrolítica
Ou seja, o tempo total foi calculado de forma que 4 volumes de poros passassem
pela coluna a uma vazão conhecida. E com isso tivemos que:
(10)
Preparação da solução eletrolítica
Para preparação da solução eletrolítica foi feita a determinação da condutividade
elétrica da solução da pasta de solo. A preparação da pasta de solo consistiu em
umedecer 100 g da amostra de solo por 24 h com água deionizada. Passado esse tempo,
a pasta foi filtrada e a condutividade elétrica foi determinada. A partir da condutividade
elétrica encontrada foi preparada uma solução de CaCl2 (cloreto de cálcio) com a
mesma condutividade elétrica a partir de uma curva de condutividade versos
concentração molar do sal.
Figura 2. Concentração x Condutividade elétrica de solução eletrolitica.
Encontrou-se para a pasta de solo uma condutividade de 0,295 mS.cm-1
e para
solução eletrolítica foi feita uma solução de 0,003 mol.L-1
.
Ensaio com a coluna
Antes do ensaio com a coluna, saturou-se o solo com água deionizada por
capilaridade ascendente por meio de um tubo de Mariolte até o equilíbrio com limite
superior da coluna.
Figura 3. Coluna de solo sendo saturada.
Foi feita a calibração do coletor de amostra de forma que os tubos de coleta de
amostra eram trocados quando passava o tempo de coleta calculado.
Figura 4. Coletor de amostra.
Calibrou-se a bomba peristáltica através da coleta de amostra durante o tempo de
coleta calculado, esperando um volume de coleta igual ao volume calculado. A vazão da
bomba peristáltica apresentou um erro menor que 1 %.
Figura 5. Bomba peristáltica.
Após a calibração da bomba inicio-se o ensaio com a coluna de solo.
Modelagem dos dados
Os dados encontrados no ensaio da coluna foram trabalhados no software
“STANMOD” utilizando o modelo CDE (modelo de convecção-dispersão).
(11)
Onde, R é o retardo, C é a concentração, t é o tempo, D é dispersão, z é o comprimento
e v é a velocidade.
Figura 6. Interface do STANMOD.
Inicialmente foi selecionado o tipo de problema, para a modelagem, usou-se o
problema inverso (estimação de parâmetro).
O tipo de modelo utilizado foi o CDE (modelo de convecção-dispersão)
equilíbrio determinístico.
Os códigos de entrada e saída de código de dados selecionados foram
dimensionais para o tempo e o espaço.
As unidades de comprimento da coluna, tempo e concentração foram centímetro,
minutos e adimensional, respectivamente.
O modo de concentração foi Cf.
O número máximo de interações selecionado foi de 200.
Os parâmetros de reação e transporte que foram modelados foram a D (dispersão
hidrodinâmica) e a R (retardo). O valor de MU (fator de degradação) foi 0. E o valor da
velocidade foi calculado para cada vazão utilizada.
A velocidade foi encontrada através da equação de Darci. A velocidade foi
encontrada pela razão entre o fluxo ( ) dividido pela porosidade ( ):
(12)
E o fluxo foi igual à razão da vazão (Q) pela área interna da base da coluna de
solo utilizada no ensaio ( ).
(13)
A concentração do pulso de entrada foi igual a 1 e tempo de aplicação do
traçador foi 1 volume de poro.
Para as condições iniciais, a concentração na coluna foi zero.
A outra condição inicial é que não houve produção de traçador.
Quanto à estrutura dos dados selecionado foi uma curva Breakthrough, com o
numero total de pontos para cada ensaio e com uma posição de 20 cm.
Os dados encontrados no ensaio com a coluna alimentaram o STANMOD.
Quanto a discretização de espaço, o número de posição de saída foi 1 e o
incremento do espaço também. O valor inicial da posição de saída foi 20 e os números
do tempo de saída foi o número total de pontos. O incremento do tempo foi referente ao
tempo de coleta de cada ensaio e o valor inicial do tempo de saída foi o tempo para a
primeira coleta da solução. Além disso, o código de impressão de saída foi de
concentração versos tempo.
Após a alimentação dos dados foi obtida a curva da concentração em função do
tempo e a outros parâmetros como a dispersão hidrodinâmica (D) e a retardo (R).
Número de Peclet
Um parâmetro que auxilia na determinação do tipo de transporte predominante é
o número de Peclet (Pe), definido para o ensaio de coluna como,
(14)
onde L é a altura ou comprimento da coluna de solo.
Para número de Peclet maiores ou iguais a 10 o fluxo é predominantemente
advectivo [2].
Figura 7. Tipo de transporte dominante em função do número de Peclet [2].
A obtenção do número de Peclet foi possível após a utilização do modelo CDE
no software STANMOD para encontrar o valor da dispersão (D).
Dispersividade ()
A dispersividade foi encontrada pela razão entre a dispersão (D) e a velocidade
(v).
(15)
Ou seja, há uma relação linear entre a velocidade e a dispersão. A razão entre a
dispersão e a velocidade é uma constante. Essa constante é uma propriedade intrínseca
do solo conhecida como dispersividade (λ). Através dos três valores de D encotrados
pelas diferentes vazões, tornou-se possível a determinação da dispersividade.
RESULTADO E DISCUSÃO
Modelagem com o STANMOD
O software STANMOD no programa CTXFIT gerou as curvas abaixo. Os
valores modelados se aproximaram dos valores encontrados com um r2 > 0,9. Além
disso, tanto as curvas modelada como a curva encontrada com os pontos do ensaio
mostraram se comportar como um traçador (quando o tempo igual a 1 a concentrações
foram iguais a 0,5).
Figura 8. Curvas modeladas e encontradas nos ensaios de coluna (na curva A Q=0,84 cm3.min
-1, na
curva B Q=1,32 cm3.min
-1, na curva C Q=1,98 cm
3.min
-1).
Na região entre 1,25 e 1,75 volumes de poros a curva B se comportou de forma
não simétrica. Isso ocorreu provavelmente pelo problema de travamento do coletor de
amostra ocorrido duas vezes durante o ensaio ou pelo traçador não ter sido preparado
com a adição de cloreto de cálcio.
A B
C
Através da modelagem dos dados obtivemos a dispersão (D) e o fator de retardo
(R). O fator de retardo encontrado foi igual ao esperado para um traçador ideal (R = 1),
onde a velocidade do traçador é igual a velocidade da solução que passou pela coluna.
Tabela 3. Parâmetros de transporte de soluto encontrado por meio do ensaio com coluna e
modelagem CDE.
Curva Parâmetro Valores
A D 0,019 cm2.min
-1
A Pe 109,58
B D 0,039 cm2.min
-1
B Pe 84,41
C D 0,0453 cm2.min
-1
C Pe 109,58
Além desses parâmetros foram obtidos os valores da dispersividade (λ) e do
número de Peclet (Pe). O número de Peclet indicou que o transporte do soluto foi
convectivo (Pe>10). As curvas A e C geraram valores de Pe iguais e a curva B um valor
de aproximadamente a metade dos outros. Isso foi devido às falhas ocorridas durante o
ensaio.
Figura 9: curva que relaciona dispersão e velocidade.
Após o ajuste da curva de linearização entre a velocidade e a dispesão
confirmou-se que a curva de eluição B foi obtidas com falhas, sendo necessário refaze-
la. A dispersividade foi numericamente igual ao coeficiente angular da curva gerada
entre os três pontos que relacionam a velocidade (v) com a dispersão (D). Ou seja, o
valor da dispesividade foi igual a 0,1974 cm.
CONCLUSÃO
O traçador utilizado (KBr) não foi adsorvido pelo solo, os parâmetros
encontrados pelo modelo CDE reforçou os resultados confirmando que ele é um bom
traçador e que pode ser utilizado em trabalhos futuros com essa finalidade.
REFERÊNCIA
[1] THOMÉ, A; KNOP, A. Movimento de contaminantes no solo. Disponível em:
<http://www.upf.br/coaju/download/contaminantesII.pdf> Acessado em: 23/11/2011.
[2] THOMÉ, A.; KNOP, A. MOVIMENTO DECONTAMINANTES NO SOLO.
Disponível em:<HTTP://www.upf.br/coaju/download/contaminantesll.pdf> Acessado
em: 04/12/2011