DRENAGEM ELETRO-OSMÓTICA DE UM RESÍDUO CAÚSTICO
J. T. Araruna Jr.
Departamento de Engenharia Civil, PUC - Rio
L. F. S. Villar
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal de Minas Gerais
T. M. P. de Campos
Departamento de Engenharia Civil, PUC - Rio
RESUMO: O presente trabalho apresenta os resultados de um programa de ensaios eletrocinéticos
realizados em resíduo em forma de lama, proveniente do processamento da bauxita para obtenção
da alumina. Constatou-se que as reações químicas decorrentes da aplicação prolongada de um
potencial elétrico influenciam a magnitude do volume drenado e a eficiência da drenagem eletroosmótica e que a intensidade destas reações varia de acordo com o material empregado como
eletrodo.
floculantes, caso a taxa de adição seja inferior
a 100 g/t.
A drenagem eletro-osmótica torna-se
atrativa em problemas geotécnicos que
envolvam materiais de baixa permeabilidade.
O uso da drenagem eletro-osmótica tem sido
restrito à aplicações onde as técnicas
convencionais são inadequadas ou em
problemas em que o custo é um fator
secundário, incluindo a estabilização de solos
(Casagrande, 1983), barragens de rejeitos e,
mais
recentemente,
a
remoção
de
contaminantes de solos degradados (Segall and
Bruel, 1992).
No caso da disposição de rejeitos em
barragens, a aplicação prolongada de corrente
contínua resultará na variação de pH na
solução que, por sua vez, poderá modificar o
balanço das forças inter-partículas e do fluxo
eletro-osmótico. Nesse sentido, o presente
trabalho visa fornecer alguns dados acerca da
influência de alguns fatores que afetam o fluxo
eletro-osmótico em rejeitos de processamento
de bauxita, incluindo: (1) a influência da
diferença de potencial (d.d.p.) aplicada e (2) o
material do eletrodo.
As determinações das propriedades índice
do rejeito foram realizadas no Laboratório de
Geotecnia da Pontifícia Universidade Católica
1. INTRODUÇÃO
Os rejeitos de processamento mineral são
geralmente de difícil drenagem e disposição, e,
em alguns casos, constituem não somente em
uma perda importante de recursos naturais,
como também riscos ambientais (Lockhart,
1983a). Os resíduos contendo fração argila são
bastante comuns e geralmente formam uma
estrutura caracterizada por poros de pequena
dimensão e retém bastante água.
Na redução do volume de resíduos dispostos
sob a forma de lama, é conveniente empregar
procedimentos simples e baratos, como a
drenagem e a sedimentação.
O processo de drenagem de sedimentos é
influenciado pela dimensão e distribuição de
seus poros. O fluxo hidráulico é mínimo para
partículas e poros com dimensões coloidais
(i.e., àqueles com dimensão entre 10-6 a 10-3
mm). Nestes casos, as taxas de drenagem e/ou
sedimentação podem ser majoradas com a
adição de floculantes. Tal adição, entretanto,
acarreta além de custos adicionais, a
modificação das propriedades do fluido
drenado. Não obstante os impactos econômicos
e ambientais, alguns autores, incluindo
Lockhart (1983b), recomendam a adição de
251
O potencial zeta pode ser estimado através
da seguinte equação (Mitchell 1993):
do Rio de Janeiro (PUC-Rio) enquanto que os
ensaios de eletrocinese foram realizados no
Laboratório de Geotecnia Ambiental da
Universidade Estadual do Norte Fluminese
(UENF).
ζ =
σδ
D
(2)
onde σ é a densidade de carga específica e δ
(10 na Figura 1) é a distância entre a superfície
da partícula e o centro do plano das cargas
móveis.
A vazão, q, é dada pela produto da
velocidade de percolação com a área de vazios
transversal à direção de fluxo, nA, onde n é a
porosidade e A é a área transversal à direção
de fluxo. Sendo assim:
2. ELETRO-OSMOSE
Quando um potencial elétrico, ∆E (1 na
Figura 1), é aplicado a uma massa de solo
úmida, os cátions (2 na Figura 1) são atraídos
ao catodo (4 na Figura 1) e os anions (3 na
Figura 1) ao anodo (5 na Figura 1). À medida
que os íons migram, eles carregam consigo a
sua água de hidratação. Já que existe uma
maior quantidade de cátions do que anions na
camada dupla (6 na Figura 1), há um fluxo
“líquido” (7 na Figura 1) em direção ao catodo.
 ζ D  ∆E
A
q = vA =  n
 η  ∆L
(3)
A permeabilidade eletro-osmótica, ke, pode
ser obtida através de uma analogia à Lei de
Darcy:
ke =
(4)
A Eq. (4) sugere que a permeabilidade
eletro-osmótica independe da dimensão das
partículas, em contraposição à condutividade
hidráulica, que é função do quadrado do
diâmetro das partículas. Mitchell (op. cit.)
sugere que, devido a esta independência, o
potencial elétrico é mais eficaz no transporte
de fluidos em solos finos do que o potencial
hidráulico.
Por outro lado, o fluxo gerado pelo
gradiente hidráulico está restrito à água contida
nos poros, i.e. a água livre, conforme ilustra a
Figura 2. Já o fluxo gerado pelo gradiente
elétrico, além de carrear o fluido contido nos
poros, também transporta a água de hidratação
dos íons, segundo ilustra a Figura 1.
A eficiência do fluxo eletro-osmótico pode
ser avaliada em termos do volume de água
drenada por unidade de carga transportada, ki
(m3/A.h):
Figura 1 – Fluxo eletro-osmótico (adaptado de
Lee & Lee (1998)
Segundo Mitchell (1993), o fluxo “líquido”
é governado pelo balanço entre a força elétrica
que causa a movimentação dos íons e suas
águas hidratadas e a força de atrito entre os
íons e suas águas hidratadas e a partícula de
solo (8 na Figura 1). De acordo com a teoria de
Helmholtz e Smoluchowski (circa 1914), a
velocidade de percolação, v (9 na Figura1),
pode ser expressa da seguinte forma:
 ζD  ∆E
v =  
 η  ∆L
 ζD 
=  n
∆E × A  η 
∆L
q
(1)
onde D é a constante dielétrica do fluido, η é a
viscosidade e ∆E/∆L é o gradiente elétrico. O
potencial zeta, ζ, é o potencial elétrico no
plano de deslizamento eletrocinético, e
depende da composição química das fases
líquidas e sólidas (Eykholt & Daniel 1994).
ki =
252
q
I
(6)
onde I é a corrente elétrica (Mitchell 1993). O
consumo elétrico, P (W), é dado por:
P = ∆E × I =
∆E × q
ki
Já no anodo, a molécula de água é
oxidada produzindo gás oxigênio:
2 H 2 O − 4e − → O2 ↑ +4 H +
(7)
(10)
Caso se utilize anodos de ferro, a principal
reação será a oxidação do ferro, que levará a
sua dissolução de acordo com:
Fe 0 → Fe 2+ ↓ +2e −
(11)
Os metais presentes na massa de solo
podem se precipitar tanto como óxidos ou
hidróxidos, ou como complexos de carbonatos
ou fosfatos. O produto final da precipitação,
por sua vez, dependerá dos constituintes
químicos da água dos poros, do pH e da
densidade de corrente.
Figura 2 – Fluxo hidráulico (adaptado de Lee
& Lee (1998)
MATERIAIS E MÉTODOS
O
material
usado
no
programa
experimental, chamado lama neutralizada, é
produto da adição de ácido sulfúrico à lama
vermelha tradicional, que é como são
conhecidos os resíduos resultantes do Sistema
Bayer, usado para a obtenção da alumina das
bauxitas. Neste Sistema, se faz uma digestão
da bauxita com soda cáustica, o que faz com
que as lamas vermelhas possuam um pH em
torno de 13 a 14. O ácido sulfúrico, neste caso
específico, é adicionado para reduzir este pH
para em torno de 8 a 9, antes do resíduo ser
lançado num reservatório. As características
deste material estão descritas na Tabela 1.
A célula consiste de uma base plástica
confeccionada com PVC, 1 na Figura 4, a qual
foi usinada para permitir a inserção dos
anodos, 2 na Figura 4, e dos catodos, 3 na
Figura 4.
A quantidade de água extraída através do
processo de eletrocinese é medida visualmente
através de uma proveta graduada, 4 na Figura
4, ou automaticamente através de uma balança
eletrônica, não indicada na Figura 4, que é
conectada a um microcomputador. A base
metálica ajustável, 6 na Figura 4, permite o
acoplamento da proveta graduada ao prato da
balança eletrônica. O ajuste é feito por
intermédio das hastes rosqueáveis, 5 na Figura
Já o consumo elétrico por unidade de
volume (kW.h), é dado por:
P ∆E
× 10 −3
=
q
ki
(8)
A aplicação prolongada de um campo
elétrico em uma massa de solo pode causar
variações em seu estado e em suas
propriedades, além da geração de fluxo. Estas
variações podem ser benéficas, como o
adensamento eletro-osmótico, ou nocivas
como a decomposição dos eletrodos, já que o
potencial elétrico age como uma bomba
empurrando os elétrons para o catodo e
removendo-os do anodo. Para manter a
neutralidade elétrica, ocorrem reações de
oxidação e redução no interior da massa de
solo. No catodo, os íons ou moléculas recebem
elétrons e são posteriormente reduzidos. Já no
anodo, os eletrons são liberados dos íons e as
moléculas são oxidadas.
De acordo com Segal & Bruell (1992), a
principal reação que ocorre no catodo é a
produção de gás hidrogênio a partir da
molécula de água:
2H 2O + 2e − → H 2 ↑ +2OH −
(9)
253
4, que também possibilitam o nivelamento da
célula.
Tabela 1 – Características
Neutralizada (Villar, 1990)
Item
Composição químicamineralógica
Fe2O3
Al2O3
CaO
SiO3
TiO2
Granulometria (sem adição de
defloculante)
Areia fina
Silte
Granulometria (com adição de
defloculante)
Areia fina
Silte
Argila
Área superficial específica média
Limites de Consistência (sem
secagem ao ar)
LL
LP
IP
Densidade das partículas
da
modelo B374 foi empregado na determinação
de pH. O critério usado para finalização do
ensaio foi a constância nas leituras de corrente
elétrica com o tempo.
Lama
Valor
49,5%
17,5%
9,5%
5%
3%
35%
65%
20%
55%
25%
34,5 m2/g
Figura 4 – Diagrama esquemático da célula de
eletro-osmose
60%
36%
24%
3,5
Os ensaios de eletrocinese foram realizados
em uma célula desenvolvida por Araruna Jr. &
Laurindo (1998), cujo diagrama esquemático
está ilustrado na Figura 4.
O procedimento de ensaio está descrito na
Figura 5. Basicamente, em uma primeira fase
permitia-se a drenagem de uma forma lenta e
gradual da lama neutralizada. Esta fase
prolongava-se até que não fosse constatada
uma variação temporal do fluxo. O fluxo foi
monitorado através da leitura do nível d’água
em uma proveta graduada com resolução de
0,1 mL.
A segunda fase consistia da aplicação de um
potencial elétrico por intermédio de uma fonte
Tektronix modelo PS 280. Durante a aplicação
do potencial vários parâmetros foram
monitorados, incluindo a corrente elétrica, o
pH do efluente e o volume drenado. Um
multímetro digital da Hewlett Packard modelo
34401A foi utilizado para monitorar a corrente
elétrica, enquanto que um pHmetro Micronal
Figura 5 – Procedimento de ensaio
254
na adjacências do catodo. Estas trincas
apareciam concomitantemente com a produção
de gases no anodo. Com o passar do tempo,
apareciam também trincas circulares no anodo
seguidas de trincas radiais que se iniciavam no
anodo e progrediam na direção do catodo.
A Eq. (10) indica que a molécula de água é
oxidada no anodo, produzindo gás oxigênio e o
cátion H+. Este cátion é carreado pela extrusão
do fluido, majorando o pH da amostra no
sentido do fluxo. A variação foi evidenciada no
efluente, onde a concentração do ion H+
aumentou cerca de 30.000 vezes.
As Figuras 6 e 7 ilustram a influência da
aplicação do potencial elétrico na drenagem
eletro-osmótica. Em termos gerais, quando se
compara a magnitude do volume drenado
observa-se que a magnitude do fluxo é
proporcional à d.d.p. aplicada.
O volume drenado é mínimo nos primeiros
instantes, posto que é gerado pelo processo de
drenagem
natural,
porém
aumenta
significativamente quando da aplicação da
d.d.p. Com o decorrer do ensaio, há uma queda
na umidade da lama neutralizada.
Ao se aplicar a d.d.p., a corrente elétrica
cresce drasticamente, conforme ilustra a Figura
7. Sua magnitude é proporcional a d.d.p.
aplicada. À medida que o escoamento se
processa, o rejeito vai perdendo umidade no
sentido do fluxo, aumentando a sua resistência
elétrica e, como conseqüência, a corrente
decresce assimptoticamente.
Em cada ensaio, foram determinadas
variações de peso e umidade da amostra, numa
tentativa de magnificar a importância da
evaporação, como também da produção de
gases devido a reações químicas nas
vizinhanças dos eletrodos.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
O programa consistiu de ensaios que
visavam a avaliar a eficiência do potencial
elétrico e do tipo de eletrodo na drenagem
eletro-osmótica. Ao todo, foram realizados 5
ensaios, cujas características estão listadas na
Tabela 2.
A Tabela 2 indica que a perda de massa
durante os ensaios realizados foi bem maior
que a quantidade de fluido drenado. Os
resultados indicam que a perda de massa foi
devida não somente a extrusão do fluido pela
aplicação do potencial elétrico, mas também
devido a evaporação e produção de gases. A
produção
de
gases
foi
evidenciada
primeiramente no anodo e, com o passar do
tempo, no catodo.
A quarta e a quinta colunas da Tabela 2
listam a perda de umidade da amostra nas
vizinhanças
do
catodo
e
anodo,
respectivamente.
Os
resultados
não
surpreenderam pois a máxima perda de
umidade ocorre sempre na direção contrária ao
fluxo.
À medida que se processava a drenagem
eletro-osmótica, trincas circulares se formavam
Tabela 2 – Características dos Ensaios
Ensaio Eletrodo Perda
de Perda de umidade Perda
de
massa
catodo
umidade anodo
(g)
(%)
(%)
1
0V
60
37,55
1V-5V Ferro
91
57,73
66,93
2
20V
Ferro
90
58,47
98,50
20V
Cobre2
91
56,73
88,93
2
20V
Grafite
99
55,66
88,27
Volume
drenado
(mL)
1,1
5,8
26,5
20,3
18,2
pH
pH
inicial final
9,0
9,0
9,0
9,0
9,0
9,0
13,5
13,5
13,6
13,9
1 – neste ensaio a variação de umidade é um valor médio, obtido pela média dos valores de três
determinações em pontos diversos da amostra
2 – os eletrodos de ferro e cobre utilizados foram eletrodos empregados em processo de soldagem,
enquanto que os eletrodos de grafite foram obtidos de pilhas AA.
255
25
20
15
ki (m3/A.h)
volume drenado (mL)
30
5V
10
1V
5
0
0
10
20
30
40
50
60
0,0004
0,00035
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
tempo (h)
0V
0
1a5V
consumo (kW.h)
corrente (mA)
400
300
5V
1V
100
0
20
30
40
50
60
25
30
20V
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
tempo (h)
1a5V
20
Figura 8 – Volume de água drenada por
unidade de carga transportada
500
10
15
5V
600
0
10
tempo (h)
Figura 6 – Influência da d.d.p. na drenagem
eletro-osmótica
200
5
20 V
5
10
15
20
25
30
tempo (h)
20 V
Figura 7 – Corrente gerada durante a drenagem
eletro-osmótica
5V
20 V
Figura 9 – Consumo elétrico por unidade de
volume
A influência da magnitude do potencial
elétrico aplicado é melhor evidenciada através
das Figuras 8 e 9. Na Figura 8, observa-se que
o volume de água drenada por unidade de
carga transportada para o ensaio onde foi
aplicado uma d.d.p. de 5V é superior no início
do ensaio. Contudo à medida que a umidade do
amostra decresce nas proximidades do anodo,
este valor passa a ser inferior ao ensaio onde
foi aplicado uma d.d.p. de 20V. Estes
resultados sugerem que a aplicação de um
menor potencial pode levar a uma melhor
eficiência do processo nos instantes iniciais.
Porém, à proporção que há uma maior perda de
umidade na região dos anodos, é necessário
que se aplique um maior potencial para
majorar a eficiência do processo.
Os resultados apresentados na Figura 9
corroboram com esta afirmativa. Observa-se
que, nos instante iniciais, o consumo elétrico
por unidade de volume é menor no ensaio onde
foi aplicado uma d.d.p. de 5 V. Contudo, a
partir de um certo instante, o consumo cresce
significativamente até atingir um valor
superior ao consumo para o ensaio de 20 V.
O material do eletrodo influencia as reações
químicas no processo de eletro-osmose. As
reações de oxidação, dissociação e precipitação
que ocorrem nos anodos afetam a eficiência do
processo. A influência dos anodos de grafite,
cobre e ferro foram comparadas com base no
volume drenado, na corrente gerada,
quantidade de água drenada por unidade de
carga transportada e no consumo elétrico por
unidade de volume, para um potencial de 20 V.
As Figuras 10 a 13 apresentam os resultados.
A Figura 10 mostra que o maior volume
drenado foi obtido através da utilização de
anodos de ferro. Os anodos de cobre e grafite
apresentaram
resultados
semelhantes.
Constatou-se que os anodos de ferro foram os
que apresentaram menor grau de alteração,
seguido dos anodos de cobre e de grafite. Nos
anodos de grafite, as reações químicas foram
mais intensas, resultando em 1) uma
dissolução parcial dos anodos, 2) uma
mudança na coloração e 3) em enrijecimento
do rejeito nas imediações dos anodos.
256
grafite suplanta o de cobre. É neste instante
que ocorrem as reações químicas nos anodos
de grafite. Os resultados revelam ainda que o
ensaio realizado com anodos de ferro foi o que
apresentou menor consumo elétrico.
volume drenado (mL)
30
25
20
15
10
5
0
5
10
15
20
25
30
corrente (A)
0
tempo (min)
cobre
ferro
grafite
Figura 10 – Influência do material do anodo na
drenagem eletro-osmótica
Os resultados revelaram, de uma maneira
geral, que as reações químicas influenciaram
na magnitude do volume drenado e que, quanto
maior a intensidade das reações, menor a
eficiência da drenagem eletro-osmótica.
A Figura 11 apresenta a evolução da
magnitude da corrente elétrica durante a
drenagem eletro-osmótica. A corrente cresce
significativamente até atingir um valor de pico.
É neste instante que começam a aparecer
trincas radiais nos anodos. À medida que o
rejeito perde umidade, a corrente elétrica
decresce até atingir um valor assimptótico.
A Figura 12 apresenta a eficiência do
processo eletro-osmótico para os diversos
materiais. Observa-se que o volume de água
drenada por unidade de carga transportada é
maior nos instantes iniciais para o anodo de
grafite. Contudo, à medida que as reações
químicas se intensificam, a eficiência do
grafite decresce. Já para o ensaio realizado
com anodos de ferro, percebe-se uma menor
eficiência em relação ao grafite nos instantes
iniciais, contudo no decorrer do ensaio, a
eficiência vai aumentando, até que supera os
demais materiais. O volume de água drenada
por unidade de carga transportada para o
ensaio com anodos de cobre é menor, quando
comparado com os outros materiais, nos
instantes iniciais da drenagem eletro-osmótica.
No entanto, no decorrer do ensaio, a eficiência
do cobre suplanta a do grafite, ficando,
contudo, menor que a do ferro.
Por outro lado, o ensaio com eletrodos de
cobre é o que apresenta o maior consumo
elétrico por unidade de volume nos instantes
iniciais, conforme ilustra a Figura 13. À
proporção que a drenagem eletro-osmótica
evolui, o consumo do ensaio com anodos de
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
5
10
15
20
25
30
tempo (h)
ferro
cobre
grafite
ki (m3/A.h)
Figura 11 – Corrente gerada para anodos de
ferro, cobre e grafite durante a drenagem
eletro-osmótica
0,00009
0,00008
0,00007
0,00006
0,00005
0,00004
0,00003
0,00002
0,00001
0
0
5
10
15
20
25
tempo
ferro
cobre
grafite
Figura 12 – Volume de água drenada por
unidade de carga transportada para diversos
materiais
consumo (kW.h)
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
25
tempo (h)
ferro
cobre
grafite
Figura 13 - Consumo elétrico por unidade de
volume para anodos de cobre, grafite e ferro
Os resultados apresentados nas Figuras
12 e 13 revelam que há uma correlação entre a
eficiência da drenagem eletro-osmótica e as
reações químicas. Constatou-se que o material
257
da eletrocinese. II Encontro de Geotecnia e
Meio Ambiente. Rio Claro, São Paulo, 19 e
20 de novembro.
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que apresentou o menor consumo elétrico e a
maior quantidade de água drenada por unidade
de carga transportada foi o que apresentou
maior resistência ao ataque químico.
5. CONCLUSÕES
Os resultados dos ensaios de eletrocinese
realizados em uma lama neutralizada
proveniente da obtenção de alumina da bauxita
revelaram
que
as
reações
químicas
influenciaram na magnitude do volume
drenado e na eficiência da drenagem eletroosmótica. De uma maneira geral, quanto maior
a intensidade das reações, menor a eficiência e
a magnitude da drenagem eletro-osmótica.
Observou-se ainda que a intensidade
das reações químicas varia para diferente tipos
de materiais. Constatou-se que os anodos de
grafite obtidos de pilhas AA foram os mais
atacados, e por conseguinte, o ensaio que
empregou este material foi o que apresentou
menor eficiência e maior consumo elétrico. Já
os anodos de ferro foram os que apresentaram
menor grau de alteração e por conseguinte
apresentaram uma maior eficiência e menor
consumo elétrico.
6. REFERÊNCIAS
Araruna Jr., J.T. e Laurindo, A.L.P. (1998).
Desenvolvimento de uma célula para o
estudo de descontaminação de solos através
258