COBRAMSEG 2010: ENGENHARIA GEOTÉCNICA PARA O DESENVOLVIMENTO, INOVAÇÃO E SUSTENTABILIDADE. © 2010 ABMS.
Efeito do Potencial Elétrico na Remediação de Um Solo Residual
Contaminado com Cádmio
Rodrigo Zorzal Velten
VOGBR – Recursos Hídricos e Geotecnia Ltda., Belo Horizonte, Brasil, [email protected] /
[email protected]
Dario Cardoso de Lima
Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa, Brasil, [email protected]
Maurício Paulo Ferreira Fontes
Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa, Brasil, [email protected]
Carlos Alexandre Braz de Carvalho
Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa, Brasil, [email protected]
Paulo Sérgio de Almeida Barbosa
Universidade Federal de Viçosa – UFV, Viçosa, Brasil, [email protected]
RESUMO: Aborda-se no presente trabalho a influência da ddp no tratamento eletrosmótico de um
solo residual de gnaisse, de comportamento geotécnico laterítico, da Zona da Mata Norte de Minas
Gerais, Brasil, quando contaminado com cádmio, empregando-se a técnica de extração seqüencial
para a avaliação quantitativa do processo de remediação. No programa de ensaios de laboratório,
trabalhou-se com a aplicação das diferenças de potencial elétrico (ddp) de 5, 15 e 30 V. A análise
dos resultados obtidos mostrou que: (i) o coeficiente de condutividade eletrosmótica do solo não
apresentou variação significativa com as ddp aplicadas; e (ii) o gradiente elétrico aplicado
influenciou o processo de remoção de cádmio, sendo que os melhores resultados, em geral, foram
obtidos com uma ddp aplicada de 30 V.
PALAVRAS-CHAVE: Descontaminação de solos, Eletrosmose, Diferença de Potencial Elétrico,
Ensaios de laboratório.
1
dessorção. Por sua vez, a dessorção depende da
força de ligação com que esses elementos são
retidos nos colóides do solo, a qual pode ser
gerada por ligações eletrostáticas ou por forças
coulombianas, resultando na formação de
complexos de esfera externa, sendo este um
processo facilmente reversível. Mas, outros
processos de ligação dos metais pesados
resultam na formação de complexos de esfera
interna, de liberação mais lenta e difícil
(adsorção específica de cátions).
Uma técnica que tem sido empregada para a
remediação de áreas contaminadas por
diferentes poluentes, tais como metais pesados,
é a eletrosmose, sendo que Alshawabkeh et al.
(1999) citam alguns aspectos que devem ser
considerados de modo criterioso, antes de se
INTRODUÇÃO
O impacto ambiental causado pela adição de
metais
pesados
ao
solo
depende,
fundamentalmente, de três processos que
controlam o destino e a biodisponibilidade dos
metais, como segue (Pierangeli et al., 2005): (i)
remoção dos metais da solução do solo por
meio da adsorção pelos seus colóides; (ii)
liberação do metal das partículas do solo por
dessorção; e (iii) dissolução-precipitação do
metal como fase independente da matriz do
solo. No entanto, segundo esse autor, a
biodisponibilidade dos metais pesados é função
de suas concentrações na solução do solo, que
dependem da liberação dos elementos retidos
em seus componentes sólidos, por meio da
1
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como a gibbsita (Velten, 2008). A Tabela 1
apresenta as classificações, segundo os
Sistemas USC (Vargas, 1977) e TRB (DNIT,
2006), bem como os seguintes parâmetros
geotécnicos (Velten, 2008): granulometria,
limite de liquidez (LL), limite de plasticidade
(LP), índice de plasticidade (IP), índice de
atividade de Skempton (Ac), peso específico
dos sólidos (γs) e parâmetros de compactação
(wot e γdmax) determinados na energia do ensaio
Proctor normal.
aplicar de forma bem sucedida a técnica de
remediação eletrocinética in-situ, tais como:
tipo de solo; tipo, concentração e mistura de
contaminantes; nível de corrente e potencial
elétrico; efluente químico; tipo, configuração e
espaçamento dos eletrodos; e, custos do
processo, em especial considerando-se gastos
com energia elétrica.
Mais recentemente, Chang e Liao (2006),
dentre outros aspectos de interesse prático da
remediação
eletrosmótica
de
solos
contaminados, referem-se à sua aplicabilidade
em trabalhos de laboratório e de campo,
eficiência elevada na remoção de diferentes
contaminantes e aplicabilidade em solos
contaminados
de
baixa
condutividade
hidráulica.
Estes autores referem, também, que um alto
potencial elétrico pode melhorar a mobilidade
iônica de contaminantes e aumentar os índices
de reações eletroquímicas, particularmente no
ânodo, produzindo, portanto, mais prótons e
decrescendo assim o transporte eletrosmótico.
Considerando-se que na literatura técnica
especializada há carência de relatos que
analisem o efeito da diferença de potencial
elétrico (ddp) no processo de descontaminação
eletrosmótica dos solos, em especial dos solos
tropicais, aborda-se no presente trabalho a
influência desta variável na remediação de um
solo tropical contaminado com cádmio.
2
MATERIAIS E MÉTODOS
2.1
Materiais
Figura 1. Local de coleta do solo estudado.
Tabela 1. Parâmetros geotécnicos e classificações
geotécnicas da amostra de solo, segundo os Sistemas
TRB e USC.
Parâmetros Geotécnicos
Unidade
Valor
%
38
Areia (2 mm < φ ≤ 0,06 mm)
%
37
Silte (0,06 mm < φ ≤ 0,002 mm)
%
25
Argila (φ ≤ 0,002 mm)
LL
%
79
LP
%
41
IP
%
38
[IP/(% ≤
1,52
Ac
2mm]
kN/m3
27,33
γs
%
30,50
wot
kN/m3
13,90
γdmax
TRB
A-7-5 (18)
Classificação geotécnica
USC
MH
2.1.1 Solo
No presente trabalho empregou-se uma amostra
de um solo residual maduro de gnaisse, com
horizonte B latossólico e granulometria arenosilto-argilosa, que foi coletada no Alto dos
Barbados (Figura 1), no Campus da
Universidade Federal de Viçosa (UFV), no
local de coordenadas geográficas de posição 20º
45’ 11,1” de latitude Sul e 42º 51’ 31,2” de
longitude
Oeste
de
Greenwich.
Mineralogicamente, é um solo com a presença
de goethita e outros óxidos de ferro, como a
hematita, e também de óxidos de alumínio,
2.1.2 Contaminante
O metal pesado cádmio foi escolhido para a
presente pesquisa, devido ao fato de ser
comumente encontrado em áreas contaminadas,
tendo como fonte materiais eletrônicos e pilhas,
bem como por apresentar uma adsorção
2
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específica intermediária pelos minerais
argilosos do solo.
Trabalhou-se com uma solução mono
espécie contendo cádmio, na forma de nitrato
de cádmio [Cd(NO3)2] de 100 mg.L-1, que foi
adicionada à amostra de solo em quantidade
dependente do teor de umidade da mesma e
considerando o quantitativo de água necessário
para levá-la a um concentração de cádmio da
ordem de 10 a 12 mg/kg (CETESB-SP, 2001),
em relação ao peso de solo seco. O sal de
cádmio utilizado foi o nitrato de cádmio tetra
hidratado da Riedel-de Haen, com 99% de
pureza, com quatro moléculas de água e peso
molecular de 308,48 g.
•
•
•
2.2.1
Descontaminação
eletrocinéticos
2.1.3 Célula Eletrocinética
via
fenômenos
Para
a
realização
dos
ensaios
de
descontaminação de solos via fenômenos
eletrocinéticos, adotou-se a seguinte seqüência:
• secagem ao ar da amostra de solo passando
na peneira de 2 mm;
• adição de água e da solução de nitrato de
cádmio de concentração conhecida à
amostra de solo, com a finalidade de levá-la
à sua umidade ótima e, também, à
concentração de cádmio na faixa de 10 – 12
mg de Cd.kg-1 de solo seco;
• após a adição da solução contaminadora,
deixou-se a amostra de solo em repouso por
20 dias para depois prosseguir os ensaios.
Esse tempo de repouso foi determinado
como ótimo em estudos prévios realizados
com o intuito de se analisar o efeito da
incubação na descontaminação de solos via
fenômenos eletrocinéticos (Velten, 2008);
• ao fim do período de repouso adotado,
foram coletadas amostras para:
• realização de ensaios químicos de
extração seqüencial (Egreja Filho, 2000)
e determinação do pH no Laboratório de
Mineralogia do Departamento de Solos
(DPS) da UFV,
• moldagem de corpos-de-prova em um
molde cilíndrico de acrílico de 5,0 cm de
diâmetro por 10,0 cm de altura, na
energia do ensaio Proctor normal, para
uso nos ensaios eletrosmóticos a serem
realizados sob cada ddp adotada.
Empregou-se
uma
célula
eletrosmótica
projetada e construída por Damasceno (2003),
adaptando-se à mesma um conjunto de
eletrodos de grafite, em contrapartida aos
originais que eram de cobre. A Figura 2
apresenta um croqui esquemático da célula
utilizada.
Figura 2. Vista tridimensional da célula eletrocinética
empregada no presente trabalho, segundo Damasceno
(2003).
2.2
preparação de corpos-de-prova cilíndricos
nos parâmetros ótimos de compactação da
energia Proctor normal, para a realização
dos ensaios de descontaminação;
realização dos ensaios de descontaminação
via fenômenos eletrocinéticos, aplicando-se
as diferenças de potencial elétrico de 5, 15 e
30 V; e
coleta de amostras dos corpos-de-prova
antes e após a realização dos ensaios de
descontaminação, para análise química
através do método de extração seqüencial
proposto por Egreja Filho (2000).
Métodos
O programa de estudo abrangeu:
3
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principalmente os minerais que constituem a
fração argila. Nessa metodologia de extração
seqüencial, as cinco amostras de cada corpo-deprova froam submetidas a contínuas extrações,
com extratores diferentes em cada etapa e com
poder de extração maior à medida que o
processo foi prosseguindo, sendo que o extrator
atuou modificando a interação do metal com a
fase sólida, promovendo a sua solubilização
para que pudesse ser dosado por um método
analítico conveniente. Para isso, foi necessário
determinar o teor de umidade do solo antes da
extração ser iniciada. A extração foi realizada
em quatro etapas, como se mostra na Tabela 2.
•
após a confecção dos corpos-de-prova, os
mesmos foram colocados na célula
eletrosmótica para a realização dos ensaios
de descontaminação, preenchendo-se os
compartimentos do ânodo e do cátodo com
água destilada, além dos tubos de entrada e
saída de água, no nível desejado,
finalizando a montagem das células;
• depois da montagem, a célula eletrocinética
foi deixada em repouso por 24 horas, para
verificação da ocorrência de possíveis
problemas
operacionais,
tais
como
vazamentos;
• decorrido o tempo de 24 horas, realizou-se o
ensaio de descontaminação por um período
de tempo de, aproximadamente, 216 horas
(9 dias), em que cada corpo-de-prova foi
submetido a uma ddp pré-definida (5, 15 e
30 V), deixando-se a corrente elétrica variar
no decorrer do ensaio; os eletrodos, um no
cátodo e outro no ânodo, ficaram espaçados
de uma distância de 180 mm, implicando
num gradiente elétrico de 28, 83 e 167 V/m,
respectivamente;
• os ensaios foram realizados à temperatura
controlada de 20°C ±1°C.
• ao final do ensaio, cada corpo-de-prova foi
extraído da célula eletrosmótica, para fins
de determinação do seu teor de umidade e
da concentração de cádmio através do
método de extração seqüencial (Egreja
Filho, 2000), trabalhando-se com cinco
seções diferentes do mesmo.
Para a determinação da concentração de
cádmio presente na solução e nos extratos das
extrações seqüenciais feitas nas amostras de
solo antes do processo de descontaminação e
em cada corpo-de-prova ao final do ensaio de
descontaminação, utilizou-se o método de
Espectrofotometria de Absorção Atômica de
Chama
(AAS),
no
Laboratório
de
Espectrofotometria Atômica do DPS/UFV.
Tabela 2. As quatro etapas do processo de extração
seqüencial, com o extrator usado e a forma química
determinada em cada uma delas.
Etapa
Extrator
Determinação
A
Metais solúveis na
Água destilada
solução do solo
Metais trocáveis
B
(fracamente
0,1 mol L-1 de CaCl2
adsorvidos)
C
Solução composta por
Metais adsorvidos
0,167 mol L-1 de
especificamente
-1
Na2HPO4, 0,03 mol L de
(fortemente
-1
NaF e 0,0083 mol L de
adsorvidos)
EDTA
D
Digestão nítricoMetais na fração
perclórico
residual
Maiores detalhes sobre o processo de
extração sequencial empregado podem ser
vistos em Velten (2008).
3
RESULTADOS
3.1
Parâmetros Eletrocinéticos
As Tabelas 3 e 4 apresentam parâmetros
geotécnicos obtidos antes e após os ensaios de
descontaminação dos corpos-de-prova.
Tabela 3. Parâmetros geotécnicos obtidos nos ensaios de
descontaminação: teor de umidade inicial (wi); teor de
umidade final (wf); grau de saturação inicial (Sri); grau de
saturação final (Srf).
ddp Tempo
wi
wf
Sri
Srf (%)
(V) (horas)
(%)
(%)
(%)
5
216,48 29,95 35,59 88,61
99,01
15
222,92 30,50 37,07 88,20
99,35
30
217,12 29,95 36,31 86,97 100,00
2.2.2 Análises Químicas
Empregou-se a técnica de análise de extração
seqüencial já referida, com o objetivo de se
determinar as diferentes formas químicas que o
contaminante pudesse estar ligado ou
interagindo com os minerais do solo,
4
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Tabela 4. Coeficiente de condutividade eletrosmótica
obtido após estabilização de fluxo (ke).
ddp (V)
ke estabilizado (x 10-7 cm2/s*V)
5
27,988
15
10,704
30
10,918
Figura 4. Resultado da extração seqüencial obtida antes e
após os ensaios de descontaminação via fenômenos
eletrocinéticos para a diferença de potencial aplicada de
15 V.
14
C [mg.kg-1]
C [mg.kg-1]
inicial
Cd trocável
Cd2+ residual
8
6
2
0
3
4
5
Distância em Relação ao Cátodo [x 2,0 cm]
Figura 3. Resultado da extração seqüencial obtida antes e
após os ensaios de descontaminação via fenômenos
eletrocinéticos para a diferença de potencial aplicada de
5 V.
14
Cd2+ solúvel
Cd2+ trocável
12
Cd2+ adsorvido especificamente
Cd2+ residual
C [mg.kg-1]
10
8
6
4
2
0
inicial
1
2
3
4
2
3
4
5
Pelos resultados apresentados nas Figuras 3
a 5, observa-se que o contaminante migrou no
sentido cátodo-ânodo, em especial nas frações
solúvel para 5 V e atraída eletrostaticamente
para 30 V, com o aumento do potencial
aplicado. Já para a fração fortemente adsorvida
(extração C), o comportamento foi quase
constante em cada seção do corpo-de-prova,
para todas as ddp aplicadas. Mas, nesta fração,
os resultados obtidos para 15 V diferem
daqueles das obtidos para 5 e 30 V, destacandose que o melhor resultado para a fração trocável
(extração B) foi obtido nesta ddp. Por fim, com
relação à fração residual (extração D), os
contaminantes migraram no sentido ânodocátodo e, também, observou-se que a
concentração final diminuíu à medida que
aumentou-se a ddp aplicada.
Para se analisar com mais precisão a
quantidade extraída de cádmio em cada extrator
da extração seqüencial, realizou-se, também, a
comparação das áreas inicial e final abaixo da
curva concentração versus distância do cátodo
obtida em cada extração. Com isto, pode-se
verificar com mais precisão a validade dos
comentários apresentados. A Tabela 5 apresenta
os resultados finais das quantidades de cádmio
4
2
1
Distância em Relação ao Cátodo [x 2,0 cm]
Figura 5. Resultado da extração seqüencial obtida antes e
após os ensaios de descontaminação via fenômenos
eletrocinéticos para a diferença de potencial aplicada de
30 V.
Cd2+ adsorvido especificamente
1
6
0
2+
inicial
8
2
Cd2+ solúvel
10
Cd2+ residual
4
Os resultados obtidos com a extração
seqüencial estão ilustrados nas Figuras 3 a 5.
12
Cd2+ adsorvido especificamente
10
Análise de Extração Seqüencial
14
Cd2+ trocável
12
Pela Tabela 4 observa-se que os valores de
ke podem ser considerados da mesma ordem de
grandeza, para fins práticos.
3.2
Cd2+ solúvel
5
Distância em Relação ao Cátodo [x 2,0 cm]
5
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solo analisada:
• para fins práticos, a diferença de potencial
elétrico não foi fator significativo no valor
do
coeficiente
de
condutividade
eletrosmótica;
• o gradiente elétrico se mostrou fator
significativo para a remoção de cádmio;
• para todas as ddp aplicadas, observou-se
que o cádmio na fração residual migrou no
sentido ânodo-cátodo, comprovando que a
forte acidificação do ânodo resulta em
destruição dos constituintes do solo,
facilitando, assim, a remoção de elementos
químicos, bem como que a alcalinização do
cátodo resulta em deposição e precipitação
de contaminantes no mesmo; e
• os melhores resultados, em geral, foram
obtidos com uma ddp aplicada de 30 V.
retiradas em cada extração, em comparação
com as quantidades iniciais, em porcentagem.
Tabela 5. Porcentagem de cádmio removida pelo
processo eletrocinético em cada etapa da extração
seqüencial.
ddp
% de cádmio removida durante o processo
(V)
eletrocinético em cada etapa da extração
seqüencial
Solúvel Trocável
Adsorvido
Residual
especificamente
5
50,64
15,38
30,09
28,13
15
-18,07
20,49
6,90
61,19
30
96,98
12,91
29,94
69,11
Assim, face aos resultados obtidos, observase que houve forte influência da ddp aplicada
no processo de remediação eletrosmótica, sendo
que um aumento da mesma resultou em maior
extração de contaminante. Considerando a
mineralogia do solo em estudo, conclui-se que a
presença de goethita e outros óxidos de ferro e
de alumínio influiu consideravelmente nos
fenômenos de adsorção e remoção do
contaminante utilizado.
Outro fato observado com os resultados
obtidos foi o acúmulo de cádmio na fração
residual e em todas as ddp aplicadas nas
proximidades do cátodo. Isso comprova o que
foi relatado na literatura, em que a forte
acidificação do solo no ânodo resulta em
destruição até dos minerais do solo, resultando
em facilidade de remoção de contaminantes,
bem como que a forte alcalinização do cátodo
pode provocar fenômenos de precipitação dos
contaminantes na forma de hidróxidos ou sais
insolúveis, podendo bloquear o meio poroso.
Concluindo, observa-se que os melhores
resultados obtidos para o solo estudado foi para
a diferença de potencial elétrico aplicado de
30 V, o que resultou num maior gradiente
elétrico.
4
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos são devidos à CAPES, pela
concessão de bolsa de mestrado ao primeiro
autor.
REFERÊNCIAS
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Practical Aspects of In-Situ Electrokinetic Extraction,
Journal of Environmental Engineering, January, 9 p.
CETESB/SP – Companhia de Tecnologia de Saneamento
Ambiental (2001). Relatório de estabelecimento de
Valores Orientadores para Solos e Águas
Subterrâneas no Estado de São Paulo, São Paulo –
SP, 232 p.
Chang, J-H., Liao, Y-C. (2006). The effect of critical
operational parameters on the circulation-enhanced
electrokinetics, Journal of Hazardous Materials,
B129, 186 – 193.
Damasceno, V. M. (2003). Condutividade Eletrosmótica
e Descontaminação de um Solo de Comportamento
Laterítico da Zona da Mata Norte de Minas Gerais
via Fenômenos Eletrocinéticos. Universidade Federal
de Viçosa, Viçosa-MG, Dissertação de Mestrado Departamento de Engenharia Civil, 81 p.
DNIT - DEPARTAMENTO NACIONAL DE INFRAESTRUTURA DE TRANSPORTES (2006). Manual
de pavimentação. Diretoria de Planejamento e
Pesquisa, Coordenação Geral de Estudos e Pesquisa,
Instituto de Pesquisas Rodoviárias, IPR - Publicação
719. Rio de Janeiro, RJ, 274 p..
Egreja Filho, F. B. (2000). Extração seqüencial de metais
CONCLUSÕES
A análise dos resultados obtidos no presente
trabalho permite concluir que para a amostra de
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pesados em solos altamente intemperizados:
utilização de componentes – modelo e planejamento
com misturas ternárias na otimização do método.
Viçosa: Universidade Federal de Viçosa, Tese de
Doutorado – Departamento de Solos, 287 p.
Pierangeli, M. A., Guilherme, L. R. G., Curi, N., Silva,
M. L. N., Lima, J. M., Costa, E. T. S. (2005). Efeito
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Vargas, M. (1977). Introdução à Mecânica dos Solos.
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Velten, R. Z. (2008). Condutividade Eletrosmótica e
Remediação de Solos Contaminados com Cádmio via
Eletrosmose. Universidade Federal de Viçosa,
Viçosa-MG,
Dissertação
de
Mestrado
–
Departamento de Engenharia Civil, 165 p.
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