TRANSPORTE DE POLUENTES NOS SOLOS

TRANSPORTE DE

POLUENTES NOS SOLOS

PEF3304 – Poluição do Solo

EPUSP

Engenharia Ambiental

Maria Eugenia Gimenez Boscov

Poluentes que dissolvem na água do

solo

Poluentes imiscíveis

Transporte de massa (soluto) nos

interstícios de um meio poroso saturado

(solo).

PRINCIPAIS MECANISMOS

Advecção

Dispersão mecânica

Difusão

Reações químicas

Dispersão mecânica + difusão = Dispersão hidrodinâmica

Advecção

Processo pelo qual o soluto é carregado

pela água em movimento, com

concentração constante, e velocidade média

u = v/n.

Lei de Darcy (1854)

ikv ou AikAvQ

Δz

ΔHi

v = velocidade de percolação

k = coeficiente de permeabilidade ou

condutividade hidráulica

i = gradiente hidráulico

A = área da seção transversal ao fluxo

v

vv

u

Av

A

Q = v A = u Av

Av = n A

u = v / n

Soluto Fluxo médio

Distância

Concentraçãorelativa

c/c 0

0

1

Soluto Fluxo médio

Distância

1

Concentraçãorelativa

c/c 0

0

Injeção contínua de soluto

Injeção instantânea de soluto

Dispersão hidráulica ou mecânica

Mistura que ocorre durante a advecção

Escala microscópica, dentro do volume dos vazios:

velocidade varia em magnitude e direção através

de qualquer seção transversal de um vazio

velocidades são diferentes em diferentes vazios

(razão entre área superficial e rugosidade

relativas ao volume de água no vazio)

tortuosidade, ramificação e interpenetração de

vazios: linhas de fluxo microscópicas variam

espacialmente em relação à direção média de

fluxo

injeção contínua de soluto

direção do

fluxo médio

fluxo uniforme


t1 t2 t3

fluxo uniforme

injeção instantânea de soluto

t1 t2 t3


direção do

fluxo médio

fluxo uniforme


t1 t2 t3

fluxo uniforme


t1 t2 t3


direção do

fluxo médio

fluxo uniforme


t1 t2 t3

fluxo uniforme


t1 t2 t3

Fluxo médio

Distância

1

Concentração

relativa

c/c 0

0

componente advectivo

Fluxo médio

Distância

1

Concentração

relativa

c/c 0

0

componente

advectivo

Instante t1

Instante t2

(Barcelona et al., 1990)

partículas de soluto ocupam um volume cada

vez maior

espalhamento nas direções longitudinal e

perpendiculares à direção do fluxo médio

a concentração de soluto diminui à medida que o

espalhamento envolve volumes crescentes, ou

seja, a dispersão causa a diluição do soluto

algumas moléculas de água e soluto se movem

mais rapidamente e outras mais devagar que a

velocidade média do fluxo

Dispersão mecânica é um espalhamento em

relação à direção média devido à variação da

velocidade em magnitude e direção no espaço

dos vazios

Difusão

Fluxo de partículas de soluto (íons ou

moléculas) das regiões de maior para as de

menor concentração.

Primeira lei de Fick (1855):

z

cDJ wd,difusão

J = fluxo de massa

Dd,w = coeficiente de difusão

c = concentração

z = distância

Dd,w = f(massa e raio molecular; valência e raio

iônico; composição química, viscosidade e constante

dielétrica da solução; concentração; condições

ambientais de pressão e temperatura)

validade para argilas (1960): coeficientes de

difusão menores (colisões com partículas

sólidas, tortuosidade, adsorção)

(T’ entre 0,01 e 0,5)

T'DD wd,d

z

cDnJ ddifusão

Reações químicas

Adsorção-desadsorção (sorção-dessorção)

Ácido-base

Solubilização-precipitação

Óxi-redução

Complexação

Biodegradação ou síntese microbiana

Decaimento radioativo

Adsorção

Processo físico-químico pelo qual uma

substância é acumulada entre fases

Substâncias dissolvidas em um líquido se

acumulam em uma interface sólido-líquido

Superfícies das partículas de argilo-

minerais são carregadas eletricamente com

carga negativa

Adsorção de cátions e moléculas polares na

superfície das partículas de argila

Isotermas de adsorção

Equilíbrio dinâmico entre a concentração do soluto remanescente na solução e a concentração do mesmo na superfície sólida.

S massa de soluto adsorvido por unidade de massa de adsorvente sólido

C concentração de soluto na solução (massa de soluto por volume de solução)

S= f (C)

Adsorção linear

S = Kd C

S quantidade de soluto adsorvido por

unidade de adsorvente sólido

Kd coeficiente de distribuição ou de

adsorção

C concentração de equilíbrio no líquido

ed.CK S

ε

ef .CK S

e

eL

MC1

MCK S


linear

Freundlich

Langmuir

e

e

C1

C S

sK


Não linear

generalizada


0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 10 20 30 40 50

C

S

Linear

Freundlich

Langmuir

Formulação teórica

Concentração

fluxo de massa

nV

m

V

mc

solução

tΔA

ΔmJ

z

J

t

(nc)

Equação da continuidade

z

J(z)

J(z+ z)

m=c.z. A.n

A

z

No volume x y z, no intervalo de tempo t:

m = c x y z n

m´= c´ x y z n

m = m´- m = c´ x y z n - c x y z n

m = c x y z n

J = J(z+ z)-J(z)

m = J x y t

c x y z n = - J x y t

uncvcJadvecção

z

cnDJ dhdispersão

n

vαDαuDDDD dddmddh

z

cnDJ ddifusão

fluxo por advecção

fluxo por difusão

fluxo por dispersão hidrodinâmica

c = concentração de soluto na água dos poros

nc = massa de soluto em solução em um

volume unitário do domínio (msoluto = cVsolução

= cnV = cn)

= massa específica seca do solo

S = grau de adsorção

S = massa de soluto adsorvida na parte sólida

em um volume unitário do domínio (msoluto =

Sms = SV = S)

t

cρK

t

Sρ

t

(nc)d

Variação da massa de soluto no domínio

devido à adsorção

c = concentração de soluto na água dos poros

n = porosidade

= massa específica seca do solo

S = grau de adsorção

t = tempo

Kd = coeficiente de distribuição ou adsorção

transporte de poluentes em solo saturado,

homogêneo e isotrópico em fluxo

unidimensional com adsorção linear:

z

cu

z

cD

t

c

n

ρK1

2

2

dhd

Fator de retardamento

c

ddu

uK

n

ρ1R

z

cu

z

cD

t

cR

2

2

hld

ANALOGIA ENTRE A PRIMEIRA LEI

DE FICK E A LEI DE DARCY

J nDc

zn D id d c * *

v kH

zk i

ANALOGIA ENTRE A SEGUNDA LEI

DE FICK E A EQUAÇÃO DE

ADENSAMENTO DE TERZAGHI

c

tnD

c

zd *

2

2

u

tC

u

zV

2

2

Fluxo através do solo

Hipótese:

fluxo não modifica o solo

Ji velocidade de fluxo

Lii coeficiente de condutividade

Xi agente motriz

iiii XLJ

Fluxos simultâneos de tipos diferentes com

um único agente motriz.

Lij coeficiente de acoplamento

jiji XLJ

Exemplo: gradiente hidráulico em água contaminada

causa fluxo advectivo.

Fluxos acoplados

Lei de Darcy fluido

Lei de Fourier calor

Lei de Ohm eletricidade

Lei de Fick substâncias químicas

Os coeficientes das equações acima são quantidades diretamente

mensuráveis.

z

cDJ d

z

TKJ T

z

Hkv

z

V

R

1i

GRADIENTE

FLUXO Carga

hidráulica

Temperatura Eletricidade Concen-

tração

química

Fluido Lei de Darcy Termo-osmose Eletro-osmose Osmose

química

Calor Transferência

de calor

isotérmica

Lei de Fourier Efeito Peltier Efeito

Dufour

Corrente Corrente Termo-eletricidade:

efeito de Seebeck

Lei de Ohm Potenciais

de

membrana e

difusão

Íon Advecção Difusão térmica de

eletrólito: efeito

Soret

Eletro-forese Lei de Fick

DISPERSIVIDADE

▪ D = a u

(Freeze & Cherry, 1979)

▪ Tabela aT e aL para diversos aqüíferos (Anderson, 1979)

▪ (Domenico & Schwartz, 1990)

aT/aL 0,1

aT/aL 0,3 para depósitos de areias e pedregulhos

▪ Gelhar et al. (1985), a partir de ensaios de campo em 55 locais

aL = (x2/100)m para x 100m

aL = 100m para x > 100m

▪ Rowe et al. (1995), a partir de Gelhar et al. (1985)

Limite inferior

aL (x/100)m para x 1000m

aL = 10m para x > 1000m

Limite superior

aL (x4/100)m para x 10m

aL 200m para x > 10m

Compatibilidade

Constância das propriedades mecânicas e

hidráulicas após percolação de lixiviado

Granulometria, limites de consistência,

adensamento, resistência

Difratometria, microscopia eletrônica de

varredura, fluorescência

Produtos químicos podem atacar minerais do solo ou

modificar estrutura do solo

Minerais dissolvidos sob variação acentuada de pH

Estrutura do solo é fortemente influenciada pelas forças

de repulsão entre as partículas (floculação, dispersão,

contração, expansão)

Espessura da camada dupla depende da temperatura, da

constante dielétrica e da concentração do fluido

intersticial e da valência do íon

Secundariamente: do tamanho do cátion, do pH do

fluido e da adsorção de ânions na superfície da partícula

Simulação de fluxo em revestimento

de fundo de aterro de resíduos

aterro

argila

areia/pedregulho

base impermeável

concentração de topo

ct=c0 em t=0

L

Hf

H

h

va

vb

concentração de base cb

FLUXO DE SOLUTOS EM MASSA

z

cDncvnf e

z

cDncunJ d

t

0e0 d

z

cDncvnAm

t

00 d

z

cDncvnAm

▪ Advecção e difusão

▪ Advecção, difusão e dispersão

z

cDncvnf

z

cDncunJ dh

)t,c(gt

cn

z

f

(1) Balanço de massa

(2) Reação geoquímica

t

cK)t,c(g

z

f

t

c)Kn(

(3) (1)+(2)

z

cDncvnf

(4) Fluxo por advecção, difusão e dispersão

2

2

z

cDn

z

cvn

z

f

(5) (3)+(4)

2

2

z

cD

z

c

t

c

n

K1

Condições de contorno

d),c(fH

1c)t(c

t

00

f

0

c(t) concentração na superfície no tempo t

c0 concentração máxima

Hf altura equivalente de percolado

f0 fluxo na superfície (z=0)

(adaptado de Rowe & Booker, 1985)

AdsorçãoVelocidade

doaqüífero

Espessurada

camada

Concentraçãomáxima na base

cbmax/c0

K=0 vb=1 m/ano H=0,5 m 0,4

H=5,0 m 0,0045

vb=10 m/ano H=0,5 m 0,1

H=5,0 m 0,007

K=10 vb=1m/ano H=0,5 m 0,1

H=5,0 m 0,004

vb=10m/ano H=0,5 m 0,03

H=5,0 m 0,0005

NA

Dreno de Base

Camada de solo de Proteção

Solo compactado de

impermeabilização de fundo

h

h

h

h

3

2

1

0

Manta PEAD (2 mm)

Solo Residual

Natural

NP

hw

(de Mello & Boscov, 1998)

Simulações

Espessura da camada de solo compactado: 1 m e 1,5 m

Condutividade hidráulica da camada de solo

compactado: 10-9 m/s e 10-8 m/s

Coeficiente de adsorção da camada de solo

compactado: 1 mL/g, 10 mL/g e 50 mL/g

Carga de percolado sobre o revestimento de fundo:

0,5 m, 1,5 m e 3 m

Velocidade de base: 1,6 m/ano a 18,9 m/ano

Com e sem geomembrana

0 500 1000 1500 2000

Tempo (anos)

0

20

40

60

80

100C

/ C

0 (%

)

topo do revestimento impermeabilizante

sob a geomembrana

aqüífero

Clay liner:H = 1,5 m Hw = 1,5 m k = 10-9 m/s Kd = 1 mL/g

0 500 1000 1500 2000

Tempo (anos)

0

10

20

30

40

C / C

0 (%

)

va = 1,6 m/ano

va = 1,9 m/ano

va = 2,9 m/ano

va = 3,8 m/ano

va = 18,9 m/ano

CONCENTRAÇÕES NO AQÜÍFERO

Clay liner: H = 1,5 m; Kd = 1 mL/g; Hw = 0,5 m

Com geomembrana

0 500 1000 1500 2000

Tempo (anos)

0

20

40

60

80

100C

/ C

0 (%

)

k=10-8m/s; com GM

k=10-8m/s; sem GM

k=10-9m/s; com GM

k=10-9m/s; sem GM


Clay liner: H = 1 m; Kd = 1 mL/g; Hw = 0,5 m

0 1000 2000 3000 4000

Tempo (anos)

0

20

40

60

80

100C

/ C

0 (%

)

Kd = 1 mL/g

Kd = 10 mL/g

Kd = 50 mL/g


Clay liner: H = 1,5 m; Hw = 0,5 m; k = 10-9 m/s

Sem geomembrana

TRANSPORTE DE POLUENTES NOS SOLOS

Documents

Transcript of TRANSPORTE DE POLUENTES NOS SOLOS