Ana Júlia Pereira Pinto Mergulhão

Injeção de nitrato de amônio em solo residual por eletrocinese

e seu efeito sobre a sobrevivência da microbiota nativa

Dissertação de Mestrado

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Área de concentração: Geotecnia.

Orientador: Prof.o José Tavares Araruna Júnior Co-orientadora: Prof.ª Denise Maria Mano Pessôa

Rio de Janeiro Outubro de 2002

Ana Júlia Pereira Pinto Mergulhão

Injeção de nitrato de amônio em solo residual por eletrocinese

e seu efeito sobre a sobrevivência da microbiota nativa

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre pelo Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. Área de concentração: Geotecnia. Aprovada pela comissão Examinadora abaixo assinada.

Prof.o José Tavares Araruna Júnior Orientador

Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof.ª Denise Maria Mano Pessôa Co-orientadora

Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof.o Tácio Mauro de Campos Departamento de Engenharia Civil – PUC-Rio

Prof.ª Selma Gomes Leite Departamento de Engenharia Civil – COOPE/UFRJ

Prof.o Ney Augusto Dumont Coordenador Setorial do Centro Técnico Científico – PUC-Rio

Rio de Janeiro, 10 outubro de 2002

Todos os direitos reservados. É proibida a reprodução total ou parcial do trabalho sem autorização da universidade, da autora, do orientador e da co-orientadora.

Ana Júlia Pereira Pinto Mergulhão Graduou-se em Engenharia Civil na PUC/Rio de Janeiro (Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro) em 2000/1. Durante a graduação desenvolveu trabalhos de iniciação científica nas áreas de geotecnia experimental e ambiental em conjunto com a Agência Nacional de Petróleo. Ingressou no curso de Mestrado em Engenharia Civil (Geotecnia) no ano de 2000/2, atuando na área de Geotecnia Ambiental. A pesquisa envolveu estudos de transporte de nutrientes através de solos residuais tropicais em ambiente laboratorial via eletrocinese. Publicou 3 trabalhos no decorrer do Mestrado com premiação(2): “Bioestimulação de Microbiota em Solo Residual através da Injeção de Nitrato de Amônio por Eletrocinese(1)”, “Avaliação da Eficácia da Eletrocinese na Bioestimulação de Bactérias Heterotróficas em Solos tropicais(2)” e “Laboratory investigation of eletroosmosis flow efficiency in a residual soil from gneiss(3)”. Apresentou 4 seções de posters em congressos relacionados a sua dissertação de Mestrado. Fez estágio de Docência durante o seu curso de Mestrado na graduação no curso de Engenharia Civil na disciplina Introdução à Engenharia Ambiental.

Ficha Catalográfica

Mergulhão, Ana Júlia Pereira Pinto Injeção de nitrato de amônio em solo residual

por eletrocinese e seu efeito sobre a sobrevivência da microbiota nativa / Ana Júlia Pereira Pinto Mergulhão; orientador: José Tavares Araruna Júnior; co-orientadora: Denise Maria Mano Pessôa. – Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil, 2002.

[19], 94 f. : il. ; 30 cm 1. Dissertação (mestrado) – Pontifícia

Universidade Católica do Rio de Janeiro, Departamento de Engenharia Civil.

Inclui referências bibliográficas 1. Engenharia Civil – Teses. 2. Eletrocinese. 3.

Transporte de nutrientes. 4. Solo residual. I. Araruna, José (José Araruna); Mano, Denise (Denise Mano); II. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Civil. III. Título.

CDD:624

Á minha mãe, meus avós e meu amor Ataliba,

pelo carinho e apoio.

AAggrraaddeecciimmeennttooss À Deus pelos momentos de conforto espiritual. À minha família que apesar da distância sempre esteve presente com carinho e confiança. Ao meu amor Carlos Ataliba pelo apoio incondicional em todos os momentos, pelo companheirismo, carinho e por todo o seu amor, te amo. Aos meus orientadores José Tavares Araruna Júnior e Denise Mano Pessôa, obrigada

pela paciência, pelos conhecimentos transmitidos, por encorajar-me a completar este

trabalho e em especial, pela amizade.

Ao Professores do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio, em especial ao Professor Franklin pelos momentos imprescindíveis dispensados ao meu trabalho. Aos Funcionários da PUC-Rio, pela dedicação e amizade, em especial a Ana Roxo, Lenilson, Cristiano e Fátima. As minhas amigas Larylou e Flavinha pelos momentos confidenciais, de compreensão e incentivos. Aos amigos, Luís, Maris, Saré, Fred, Patrícia, Sumaya e Bello, companhia sempre agradável nos momentos de descontração, adoro vocês! Aos amigos da sala 608, Cassiló, Lulu, Nelly, Betania, Bidkar, Ciro, Flávio (Figura) e Pedro pela convivência prazerosa de muitos risos.

Aos amigos do Laboratório de Geotecnia da PUC-Rio Mestre William, Sr. José, Josué Anna Paula, Yuri, Matilde, Cláudio Rabe e Eudes pela ajuda e companheirismo. Ao meu amigo Amaury sempre disposto a ajudar. A minha orientadora “extra” Patrícia que sempre esteve disposta a ensinar e ajudar nos momentos microbiológicos mais difíceis. Aos companheiros de luta Ulisses e Alexandre que disponibilizaram seus sábados e domingos em prol desse trabalho. Aos meus colegas do chopp Suzana, Rodrigo & Suzana, Vânia, Viviane & Antônio, Cleide, Isabelle, Júlio, Fabrícia, Nilton, Douglas, Anderson, Ricardo, Rose, Pedrinho, Patrícia, Galera do vôlei e Wal. À CAPES, ANP e à PUC-Rio, pelo apoio financeiro e auxílios concedidos que foram primordiais a realização desse trabalho. A todas as pessoas que de alguma forma me estimularam ou me ajudaram.

RReessuummoo

Mergulhão, Ana Júlia Pereira Pinto; Tavares Jr., José Araruna; Pessôa, Denise Maria Mano. Injeção de nitrato de amônio em solo residual por eletrocinese e seu efeito sobre a sobrevivência da microbiota nativa. Rio de Janeiro, 2002. 113p. Dissertação de Mestrado – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Solos residuais são geralmente pobres em nutrientes. Isto prejudica a aplicação

da atenuação natural monitorada em sítios contaminados com compostos orgânicos

no Brasil. Para que o processo de biodegradação obtenha sucesso torna-se necessário

à adição de nutrientes inorgânicos essenciais, como o fosfato e o nitrato, na massa de

solo. Contudo, este processo deve ser estritamente controlado buscando atingir o

equilíbrio de carbono:nitrogênio (C/N) mais favorável. Em solos com baixa

condutividade hidráulica a adição de compostos inorgânicos na amostra de solo pode

ser alcançada através da eletrocinese. O programa experimental desenvolvido neste

trabalho objetivou avaliar a viabilidade do transporte de nitrato de amônio em um

solo residual maduro do Município de Duque de Caxias através da eletrocinese. O

programa também buscou acessar a variação na microbiota em decorrência da

exposição prolongada de um campo elétrico. Os resultados obtidos no programa

experimental revelaram que o nitrato de amônio pode ser transportado facilmente

através de solos residuais. Também foi observado que houve um aumento de uma

ordem de magnitude na população microbiana dentro da amostra de solo após a

aplicação do potencial elétrico. Resultados preliminares indicaram que a eletrocinese

pode ser uma alternativa para estimular a biorremediação de contaminantes orgânicos

em solos residuais.

Palavras-chaves

Eletrocinese; transporte de nutrientes; solo residual.

AAbbssttrraacctt

Mergulhão, Ana Júlia Pereira Pinto; Tavares Jr., José Araruna; Pessôa, Denise Maria Mano. Injection of ammonium nitrate in residual soil via electrokinetic and his effect on the survival of the native microbiota. Rio de Janeiro, 2002. 113p. MSc. Dissertation – Departamento de Engenharia Civil, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro.

Residual soils are generally poor in nutrients. This minimizes potential

application of monitored natural attenuation of sites contaminated with organic

compounds in Brazil. In order to allow the biodegradation process it is necessary to

add essential inorganic nutrients, such as phosphate and nitrate. However this process

must be strictly controlled in order to attain the most favorable C/N balance. In soils

with low hydraulic conductivity the addition of inorganic compounds through the soil

mass could well be achieved by electrokinetics. An experimental programme was

carried out on mature residual soil samples from Duque de Caxias aiming on

assessing the feasibility of ammonium nitrate transport via electrokinetics. The

programme also evaluated the change in microbiota due the prolonged exposure to an

electrical field. Results have shown that ammonium nitrate can be easily transported

through residual soils. It was also observed one-order magnitude microbial

population increase within the soil mass after the application of DC current.

Preliminary results indicated that electrokinetics could well be used to enhance

bioremediation of organic contaminants in residual soils.

Keywords

Electrokinetic; nutrients transport; residual soil.

SSuummáárriioo

1. Introdução

2. Aspectos Teóricos

2.1. Microbiologia do solo

2.2. Eletrocinese em solos

2.2.1. Dupla Camada Difusa

2.2.2. Eletro-Osmose

2.2.3. Equações de Fluxo Hidráulico e Eletro-osmótico combinados

2.2.4. Potencial de corrente

2.2.5. Eletroforese

2.2.6. Migração Iônica

2.2.7. Eletrólise

2.3. Remediação em solos

2.3.1. Remediação Eletrocinética

2.4. Biorremediação

2.4.1. Biorremediação Eletrocinética

3. Descrição do Programa Experimental

3.1. Caracterização Geotécnica do Solo Estudado 3.1.1. Perfil Geotécnico

3.1.2. Análises Físicas

3.1.2.1. Teor de umidade (ω)

3.1.2.2. Peso Específico (γ)

3.1.2.3. Densidade dos Grãos (Gs)

3.1.2.4. Granulometria

3.1.2.5. Índices de Consistência

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3.1.2.6. Condutividade Hidráulica

3.1.3. Análises Físico - Químicas

3.1.3.1. Teor de Matéria Orgânica (M.O.)

3.1.3.2. Capacidade de Troca Catiônica (CTC) pela técnica do Azul de

Metileno e Superfície Específica

3.1.3.3. Ânions Trocáveis

3.1.3.4. Determinação da concentração de nitrato

3.1.4. Análises Mineralógicas

3.1.5. Análises Microbiológicas

3.2 Descrição da Célula Eletrocinética

3.3 Metodologia do Ensaio

3.4. Ensaios Realizados

4. Ensaios Realizados

4.1.Bateria 1: Avaliação do efeito da compactação do solo na prensa

oedométrica sobre a sobrevivência dos microrganismos

4.2. Bateria 2: Avaliação da eficiência do processo eletrocinético

4.3.Bateria 3: Influência da eletrocinese sobre a sobrevivência dos

microrganismos

4.4. Bateria 4: Avaliação do transporte de nutrientes via eletrocinese e

da influência do transporte de nitrato sobre a

sobrevivência/crescimento de microrganismos

4.5. Consumo energético

5. Conclusões e sugestões

6. Referências bibliográficas

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LLiissttaa ddee ffiigguurraass

Figura 2.1 - Localização de bactérias e fungos em agregados do solo

(Moreira 2002)

Figura 2.2 - Efeito da concentração eletrolítica na potencial Dupla

Camada Difusa (Mitchell, 1993)

Figura 2.3 – Distribuição potencial mostrando o plano de deslizamento

do potencial zeta (Mitchell,1993)

Figura 2.4 –Representação esquemática da eletro-osmose

Figura 2.5- Forças sobre condições de fluxo constante adaptado de

Bernatzik, 1948 (apud Wang, 1953)

Figura 2.6 – Esquema de transporte de água por eletro-osmose em

vários tipos de argila de acordo com o conceito de Donnan (Mitchell,

1993)

Figura 2.7- Ilustração esquemática do comportamento do potencial zeta

na caulinita em presença de íons metais (Mitchell, 1993)

Figura 2.8 - Caso unidimensional de fluxo hidráulico e eletro-osmótico

combinados (adaptado por Wang, 1952)

Figura 2.9 – Representação esquemática do potencial de corrente

Figura 2.10- Representação esquemática da Eletroforese

Figura 2.11 - Representação esquemática da migração iônica

Figura 2.12 – Reações de oxidação e redução na superfície da

partícula (Burton & Segall, 1992)

Figura 2.13 - Modelo esquemático mostrando os processos que

ocorrem no solo durante aplicação de um campo elétrico

Figura 2.14 – Modelo esquemático da atividade microbiana

Figura 2.15 – Concentrações iniciais e finais em amostras de solo

(caulinita e caulinita misturada com bentonita), Thevanaygam, 1998

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Figura 3.1 - Perfil de intemperismo de solo residual jovem localizado

em talude de corte na Rodovia Washington Luís, BR 040 -

km 111

Figura 3.2 - Coleta e amostragem em perfil de intemperismo de solo

residual jovem localizado em talude de corte na Rodovia

Washington Luís, BR 040 - km 111, Rua Emília Garcia s/n

Figura 3.3 - Curva granulométrica do solo estudado

Figura 3.4 -Coeficiente de condutividade hidráulica kh obtido através de

permeâmetro de parede flexível

Figura 3.5 - Coluna de cádmio

Figura 3.6 - Difratograma de raios X, método do pó (normal) e

sedimentadas (glicolada e aquecida)

Figura 3.7 - Diluições de 10-1 a 10-5 de 1g da amostra de solo em água

destilada estéril em tubos de ensaio

Figura 3.8 - Diagrama esquemático do método de derramamento em

placa

Figura 3.9 - Detalhes da célula de eletrocinese. a) fixador do eletrodo;

b) eletrodo; c) reservatório (eletrólitos); d) reservatório

para amostra de solo de 50 mm de comprimento

Figura 3.10 - Célula de eletrocinese

Figura 3.11 - Eletrodo de aço inox 316. a) eletrodo; b) detalhe do

fixador de eletrodo engatado no reservatório e o eletrodo

Figura 3.12 - Experimento montado: célula de eletrocinese, fonte

Minipa e multímetro digital

Figura 3.13 - Detalhe do encaixe da pipeta graduada na luva de PVC

encaixada no reservatório da célula de eletrocinese

Figura 3.14 - Potenciômetro digital Orion, modelo – 290A

Figura 3.15 - Detalhe da base de acrílico usada como suporte da parte

central da célula de eletrocinese no ensaio

Figura 3.16 - Compactação da amostra

Figura 4.1 - Ensaio de compactação na prensa oedométrica. a) detalhe

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do cilindro de PVC ajustado na bacia da prensa

oedométrica; b) ensaio montado

Figura 4.2 - Variação da população microbiana conforme o acréscimo

de tensão

Figura 4.3 - Volume acumulado percolado durante os ensaios

eletrocinéticos

Figura 4.4 - Variações de temperatura nos eletrólitos durante o ensaio

eletrocinético

Figura 4.5 - Detalhe da célula eletrocinética com: a) amostra de solo

fissurada na região próxima ao eletrólito do anodo; b)

presença de bolhas no eletrólito (catodo)

Figura 4.6 - Variações de pH nos eletrólitos durante os ensaio

eletrocinéticos

Figura 4.7 - Variação no pH ao longo da célula eletrocinética

Figura 4.8 - Variação da corrente nos ensaios eletrocinéticos

Figura 4.9 - Variação de umidade no corpo de prova

Figura 4.10 - Valores de ke durante o ensaio eletrocinético

Figura 4.11 - Valores de ki durante o ensaio eletrocinético

Figura 4.12 - Exemplos de placas de petri com morfologia das colônias

em vários estágios do experimento eletrocinético. a)

amostra de solo após a compactação; b) amostra de solo

após a aplicação do potencial elétrico; c) solução do

eletrólito (afluente) no final do ensaio; d) solução do

eletrólito (efluente) no final do ensaio

Figura 4.13 - Análises microbiológicas realizadas no solo em várias

etapas do ensaio eletrocinético

Figura 4.14 - Distribuição da população microbiana em solo residual

imediatamente após o término da aplicação do potencial

elétrico

Figura 4.15 - Distribuição da população microbiana em solo residual

incubado por uma semana após o término da aplicação

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do potencial elétrico

Figura 4.16 - Volume acumulado percolado com diferentes

concentrações de nitrato

Figura 4.17 - Valores de corrente para ensaios com diferentes

concentrações de nitrato

Figura 4.18 - Valores do coeficiente de condutividade eletro-osmótica

para ensaios com diferentes concentrações de nitrato

Figura 4.19 - Valores do coeficiente de eficiência eletro-osmótica para

ensaios com diferentes concentrações de nitrato

Figura 4.20 - Ensaio EK 18 mostrando uma coluna de água no catodo

formada a partir de gases aprisionados nesse eletrólito; a)

ensaio com a coluna de água formada no catodo; b)

gases aprisionados nesse eletrólito

Figura 4.21 - Detalhes da célula eletrocinética. a) formação de bolhas

no eletrólito do catodo; b) trincas e microfissuras no corpo

de prova

Figura 4.22 - Detalhe do eletrólito do anodo. a) deposição de íons no

eletrodo do anodo; b) coloração amarelada no eletrólito do

anodo

Figura 4.23 - Corrosão ocorrida nos eletrodos depois do ensaio de

eletrocinese

Figura 4.24 - Valores de pH em ensaios com e sem injeção de nitrato

Figura 4.25 - Comportamento do íon nitrato no corpo de prova

Figura 4.26 - Distribuição de UFC/g ss x concentrações de NO3- no

corpo de prova, antes (T0) e imediatamente após o

término da aplicação do potencial elétrico

Figura 4.27 - Distribuição de UFC/g ss x concentrações de NO3- no

corpo de prova, antes (T0) e após uma semana de

incubação

Figura 4.28 - Consumo energético em ensaios eletrocinéticos com

diferentes concentrações de nitrato de amônio

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LLiissttaa ddee ttaabbeellaass

Tabela 2.1 - Notações usadas referidas as coordenadas cartesianas

Tabela 3.1 - Características físicas do solo estudado

Tabela 3.2 - Características químicas do solo estudado

Tabela 4.1 – Índices físicos medidos no solo para as condições iniciais

Tabela 4.2 - Índices físicos iniciais e finais dos corpos de provas

Tabela 4.3 - Índices físicos iniciais e finais dos corpos de provas

Tabela 4.4 - Valores das concentrações iniciais de nitrato de amônio

injetadas nos ensaios realizados

Tabela 4.5 – Valores de U.F.C/g ss medidos no corpo de prova.

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LLiissttaa ddee AAbbrreevviiaattuurraass ee SSíímmbboollooss

1/k distância entre a superfície da partícula e o centro de gravidade

da DCD

A área transversal da amostra de solo

C concentração do azul de metileno

CC corrente contínua

CTC capacidade de troca catiônica

D coeficiente de difusão

d.d.p. diferença de potencial

DCD dupla camada difusa

e índice de vazios inicial

e0 índice de vazios inicial

ee carga elétrica unitária

ef índice de vazios final

F constante de Faraday

g.p.e gradiente de potencial elétrico

grad H gradiente hidráulico

grad ψ gradiente de potencial elétrico

Gs densidade dos grãos

H potencial hidráulico aplicado

I corrente elétrica

ie gradiente elétrico aplicado

Ip índice de plasticidade

j componentes da densidade de corrente elétrica

k constante de Boltzmann

ke coeficiente de condutividade eletro-osmótica

kh coeficiente de condutividade hidráulica

ki constante de eficiência eletro-osmótica

L comprimento

MO teor de matéria orgânica

n porosidade

n0 porosidade inicial nf porosidade final ni concentração do íon

ni0 concentração iônica no fluido livre do poro

pH porcentagem de hidrogênio

Pu consumo de energia por unidade de volume de solo

Q volume de fluxo hidráulico

QR resistividade aparente elétrica

R constante de Reynolds para gases

S grau de saturação

S0 grau de saturação inicial

SE superfície específica

Sf grau de saturação final SM areia siltosa

T temperatura

t tempo

T0 tempo inicial

TEAs terminal aceptor de elétrons

U.F.C./mL unidade formadora de colônia por mililitro de água

UFC/g ss unidade formadora de colônia por grama de solo seco

UFC/g unidade formadora de colônia por grama de solo

ui mobilidade iônica específica

V volume

v velocidade de fluxo eletro-osmótico

w peso da água

Wa peso seco da amostra seca

zi carga do íon

wF→

∆ força hidráulica de percolação

→

∆F força resultante

dF→

∆ força de empuxo sobre as partículas de solo

emF→

∆ força elétrica na água intersticial na camada móvel

efF→

∆ força elétrica nas partículas adsorvidas na camada

rF→

∆ força resistente contra o fluxo na água intersticial

sF→

∆ força resultante nas partículas de solo devido a ação

combinada de fluxos hidráulico e eletro-osmótico

pF→

∆ resultante das pressões intergranulares sobre a superfície de

contorno no elemento

ε permissividade estática do meio

φ diâmetro

γ final peso específico final

γ peso específico

γd peso específico seco

γinicial peso específico inicial

γnat peso específico natural

ρ densidade de carga

σ’ tensão efetiva

ω teor de umidade

ω0 teor de umidade inicial

ωf teor de umidade final

ωL limite de liquidez

ωP limite de plasticidade

ψa potencial elétrico aplicado

ψ potencial elétrico

ζ potencial zeta

“Conservação não significa imobilismo;

conservar é usar racionalmente, é utilizar de

acordo com técnicas próprias que permitam a perpetuação do recurso

natural renovável”.

H.E.Strang

11

IInnttrroodduuççããoo

A necessidade de recuperar áreas contaminadas nas últimas duas décadas tem

levado ao desenvolvimento de técnicas in situ e ex situ para remediação de solos

contaminados.

O solo residual estudado neste trabalho é comumente encontrado no estado do

Rio de Janeiro. Este solo é geralmente pobre em nutrientes, o que prejudica a

biorremediação e a aplicação da atenuação natural monitorada em sítios

contaminados. Para que o processo de biodegradação obtenha sucesso torna-se

necessário à adição de nutrientes inorgânicos essenciais na massa de solo, como o

fosfato e o nitrato. Contudo, este processo deve ser estritamente controlado buscando

atingir o equilíbrio de carbono e nitrogênio (C/N) mais favorável. Em solos com

baixa condutividade hidráulica a adição de compostos inorgânicos no solo pode ser

alcançada através da eletrocinese.

Dentre os elementos biogeoquímicos essenciais à sobrevivência dos seres

vivos que percorrem o meio ambiente temos o nitrogênio que pode ser fator limitante

em seu crescimento. Segundo Braga et al. (2002), o nitrogênio desempenha um

importante papel na constituição das moléculas de proteínas, ácidos nucléicos,

vitaminas, enzimas e hormônios, elementos esses, vitais aos seres vivos.

A atmosfera é rica em nitrogênio (78%) e, apesar de sua abundância, somente

um grupo seleto de organismos consegue utilizar esse nitrogênio gasoso. O

envolvimento biológico no ciclo de nitrogênio é muito mais extenso que no ciclo do

carbono que se encontra em pequenas quantidades na atmosfera (0,032%).

Grande parte do nitrogênio existente nos organismos vivos não é obtida

diretamente da atmosfera, uma vez que a principal forma de nutriente para os

produtores são os nitratos (NO3-). Esses nitratos são frutos da decomposição de

matéria orgânica, na qual o nitrogênio do protoplasma é quebrado em uma série de

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compostos orgânicos e inorgânicos por bactérias com funções especializadas em cada

parte do processo. Os nitratos podem, ainda, ser obtidos por meio de bactérias

fixadoras de nitrogênio e das descargas elétricas que ocorrem na atmosfera.

Para um entendimento mais amplo do ciclo do nitrogênio devem ser

entendidos quatro mecanismos importantes existentes: a) fixação do nitrogênio

atmosférico em nitrato; b) amonificação; c) nitrificação; d) desnitrificação.

A fixação do nitrogênio pode ser feita por processos físicos (ação de

relâmpagos ou processos industriais de produção de fertilizantes), mas ocorre,

principalmente, por meio biológico, representando 90% da fixação realizada no

planeta. A fixação biológica é feita por bactérias de vida livre, por bactérias

fotossintéticas, por algas (cianofíceas) e por bactérias associadas às raízes de plantas

leguminosas, também chamadas de organismos simbióticos (Mota, 1997).

A fixação do nitrato por via biológica é, de longe, a mais importante. Dos 140

a 700mg/m2/ano fixados pela biosfera como, somente cerca de 35mg/m2/ano são

fixados por mecanismos físico-químicos (Odum, 1971). Dentro da fixação por via

biológica os organismos simbióticos produzem uma quantidade que é no mínimo cem

vezes maior do que aquela produzida pelos organismos de vida livre (Kormondy,

1976).

O processo de amonificação tem o seu início quando o nitrogênio fixado é

dissolvido na água do solo, ficando disponível para as plantas na forma de nitrato. As

plantas, por sua vez, transformam os nitratos em diferentes moléculas, as que contêm

nitrogênio e as orgânicas nitrogenadas, que são essenciais à vida.

Quando o nitrogênio orgânico entra na cadeia alimentar, serve de alimento

para os animais (consumidores) como moléculas orgânicas. A partir de suas

excreções e da decomposição de resíduos vegetais e animais, os compostos

nitrogenados são mineralizados por bactérias. Este processo produz gás amônia (NH3)

e sais de amônio (NH4), completando, então, a fase de amonificação no ciclo do

nitrogênio.

Esses produtos que foram mineralizados são convertidos à forma de nitrito e

depois, pelo processo de nitrificação, são convertidos em nitrato, pela ação de

bactérias quimiossintetizantes. Desses nitratos, uma parte é absorvida pelas plantas

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para a formação de novos compostos orgânicos e outra parte é absorvida pelas

bactérias desnitrificantes, que transformam o nitrato em nitrogênio gasoso (N2), o

qual retorna a atmosfera.

A partir do ciclo do nitrogênio percebemos a importância deste elemento e

vemos a necessidade da sua presença no meio ambiente. Assim, torna-se imperativo o

estudo de métodos alternativos de introdução de nitrogênio no meio físico.

O presente projeto buscou investigar em ambiente laboratorial o transporte de

nutrientes, especificamente o nitrato de amônio, utilizando a técnica da eletrocinese

em solo residual com baixos teores de nitrogênio, assim como, a influência dessa

técnica e do nitrato na sobrevivência e crescimento dos microrganismos. O solo

estudado é proveniente de rocha gnáissica mais comumente encontrado no Estado do

Rio de Janeiro. O uso dessa técnica teve como intuito melhorar as condições do meio

para uma futura aplicação da biorremediação, promovendo o transporte de elementos

necessários a biodegradação de contaminantes até a população de microorganismos

do solo contaminado. A biorremediação in situ vem sendo estudada mais

intensamente devido à possibilidade de biodegradação dos contaminantes, através de

microrganismos, promovendo a destruição do contaminante e não somente sua

remoção. Essa técnica é considerada mais barata que as convencionais, causando

menos perturbações para o meio ambiente externo e também possibilita o tratamento

de uma maior quantidade de solo.

Essa dissertação é constituída de cinco capítulos, apresentando neste capítulo

uma breve introdução ao tema da pesquisa desenvolvida.

No capítulo 2 apresentam-se os aspectos teóricos necessários ao entendimento

dos fenômenos envolvidos no processo eletrocinético e a biorremediação

eletrocinética. O capítulo 3 descreve os materiais, métodos e o procedimento

experimental utilizados nos ensaios, assim como, a descrição da célula eletrocinética

desenvolvida no Laboratório de Geotecnia e Meio Ambiente da PUC-Rio. No

capítulo 4 tem-se um resumo dos ensaios realizados e seus propósitos, e as análises

dos resultados. Finalmente, o capítulo 5 apresenta as principais conclusões deste

trabalho e sugestões para trabalhos futuros.

22

AAssppeeccttooss TTeeóórriiccooss

Contaminação de solos, águas superficiais e subterrâneas, sedimentos e ar

com produtos químicos tóxicos e perigosos são considerados um dos maiores

desafios na atualidade por serem nocivos ao homem e ao meio ambiente.

Várias técnicas de remediação de solos contaminados tem sido

desenvolvidas e aplicadas tanto in situ como ex situ.

A biorremediação eletrocinética é uma técnica que tem como principal

intuito a degradação dos contaminantes e não somente a sua disposição como

convencionalmente é feito em métodos usuais. A biorremediação torna-se atrativa

por ser uma técnica viável economicamente.

O desenvolvimento desta tecnologia requer um entendimento dos

fenômenos acoplados dos fluxos envolvidos simultaneamente, como fluxos de

fluidos, eletricidade e contaminantes com influências combinadas de gradientes

hidráulicos, elétricos e químicos, assim como, a composição mineralógica e

biológica do solo.

O presente capítulo irá abordar os aspectos teóricos necessários ao

entendimento do fenômeno eletrocinético em solos e sua aplicação na

biorremediação de áreas contaminadas.

22..11

MMiiccrroobbiioollooggiiaa ddoo ssoolloo

O solo é formado por três fases: líquida (água com materiais dissolvidos),

gasosa (os mesmos gases da atmosfera, porém em diferentes proporções) e sólida.

Sendo que a fase sólida é composta de partículas minerais de várias formas,

tamanhos e características químicas, raízes de plantas, populações de organismos

macro e microscópicos vivos e com metabolismo ativo ou dormente, e matéria

orgânica em vários estágios de decomposição. De um modo geral, esta fase

representa em torno de 45% do volume total, o espaço poroso (fase líquida e

25

gasosa) 50% e a matéria orgânica 5%(incluindo organismos vivos), no entanto, a

proporção entre as três fases varia em função do solo e das condições ambientais

(Moreira 2002).

O autor descreveu a composição do solo como:

• A matéria inorgânica do solo é essencialmente composta de cálcio,

magnésio, potássio, sódio, fosfato, sílica, alumínio, ferro e

pequenas quantidades de outros elementos. A matéria orgânica de

carboidratos, proteínas e lipídeos. Entretanto, a água, depende da

precipitação, clima e drenagem, sendo muito importante na

dissolução de compostos inorgânicos e orgânicos, tornando-se

disponíveis aos organismos vivos presentes no solo.

• Os gases encontrados no solo são essencialmente dióxido de

carbono, oxigênio e nitrogênio. No entanto, as proporções são

diferentes das encontradas na atmosfera, observando-se elevada

concentração de dióxido de carbono e baixa concentração de

oxigênio. Os gases estão principalmente entre as partículas de solo

ou dissolvido na água do mesmo.

• O solo considerado fértil contém um grande número de seres vivos,

que vão desde formas microscópicas (microrganismos) até formas

maiores (insetos, minhocas, répteis, etc.). Sem os microrganismos,

principalmente as bactérias, o solo tornar-se-ia rapidamente

impróprio a vida, visto que, esses, ou decompõem matéria orgânica

em produtos mais simples ou transformam os elementos químicos

(nitrogênio, carbono, e outros) reciclando-os. Assim, fazem com

que os torne disponíveis novamente para a reutilização no meio,

fundamentais para a cadeia alimentar e ciclos biogeoquímicos.

Moreira (2002) relata que a presença de um microrganismo em um

determinado solo é função das condições ambientais dominantes e que seu

sucesso em qualquer habitat irá depender da extensão e rapidez de sua resposta

fisiológica a essas condições. Os microrganismos, de modo geral, são bastante

versáteis em adaptar-se a mudanças ambientais e algumas espécies podem

sobreviver em condições extremas de salinidade, temperatura, pressão e pH. Ou

seja, limitações físicas (água, aeração, porosidade, adesão) e químicas

26

(disponibilidade de nutrientes e toxicidade de elementos como metais pesados)

passíveis de ocorrer nos solos, não se tornam limitantes a sobrevivência, pois

muitas espécies são capazes de se adaptar. Entretanto, o tamanho e a forma das

células microbianas refletem as condições ambientais. Em condições de nutrição

reduzidas a razão superfície/volume aumenta, isto é, as células microbianas ficam

mais alongadas formando, às vezes, filamentos de modo a aumentar a superfície

de contato com o solo e ter maior acessibilidade a nutrientes. Já em condições de

seca ocorre o inverso, a razão superfície/volume diminui e as células se tornam

esféricas para diminuir perdas de água.

Moreira (2002) reitera a importância dos microrganismos que começa

desde a gênese do habitat onde vivem, pois nos estágios iniciais de formação do

solo, o carbono e o nitrogênio são elementos deficientes; deste modo, espécies

fotossintéticas e fixadoras de nitrogênio são primordiais na colonização primária

de rochas. Além da agregação, eles estão também envolvidos no intemperismo

através de participação em reações que liberam prótons, nutrientes inorgânicos e

ácidos orgânicos.

A porcentagem de microrganismos no solo aumenta significantemente de

acordo com o tipo de solo. Por isso é importante a natureza dos materiais que

fornecem carbono, nutrientes e energia, assim como a dinâmica dos fatores físico-

químicos que afetam o metabolismo celular e sua disponibilidade de substrato.

Como o solo é um ambiente descontínuo a acessibilidade aos nutrientes e

substratos é mais importante que seu conteúdo total.

Os microrganismos têm propriedades superficiais específicas relacionadas

ao tipo de carga dominante, a natureza dos compostos orgânicos excretados e a

existência de grupos da superfície celular que determinam o tipo de ligação com

as partículas de solo. A interação entre superfícies de microrganismos e colóides

afeta aspectos importantes da população microbiana, como a sobrevivência,

sucessão e interações entre organismos, além de sua atividade. A Figura 2.1,

extraída de Moreira (op. cit.) ilustra a localização de bactérias e fungos em

agregados do solo.

27

Areia (2 00 µm)

Silte

Argila (2 µm)

Matéria Orgânica

Íons Metálicos

Bactérias (2 µm)

Hifa Fúngica ( 5 µm)

Figura 2.1 - Localização de bactérias e fungos em agregados do solo (Moreira 2002).

Segundo Moreira (2002) a interação entre bactérias e superfícies sólidas

dos solos ocorre através de mecanismos como: carga negativa da superfície da

célula microbiana com carga positiva da argila ou carga positiva da célula com pH

baixo com carga negativa da argila.

A predominância de cargas positivas nas células microbianas aumenta a

estabilidade do complexo argila-bactéria, uma vez que a maioria das partículas de

argilas tem carga líquida negativa. O ponto isoelétrico pode variar entre as

espécies bacterianas. Além das células microbianas, os substratos também

interagem com as partículas coloidais, ficando mais ou menos concentrados ou

acessíveis para os microrganismos. Pode-se considerar que os efeitos decorrentes

dessas interações sejam positivos, sendo eles: o aumento da concentração de

substratos orgânicos e inorgânicos no micro-habitat, o contato da célula/substrato,

o tamponamento contra mudanças de pH, a retenção de água e proteção contra

predadores. Porém, nestas situações também podem ocorrer efeitos negativos

como: redução na disponibilidade de O2, devido ao aumento na viscosidade,

polimeração de substratos orgânicos, inativação de enzimas e imobilização

irreversível das células, impedindo, assim sua locomoção em outros sítios.

De acordo com Pelczar (1997), o solo é um dos principais reservatórios de

vida microbiana. Esses microrganismos normalmente se encontram em baixa taxa

de reprodutividade havendo a necessidade da adição de nutriente ao solo. Com

28

essa adição a população microbiana e sua atividade crescem rapidamente até que

os nutrientes sejam consumidos, retornando a baixos níveis de atividade.

Pelczar (op.cit.) sugere que a capacidade microbiana de catabolizar

diferentes compostos orgânicos, naturais ou sintéticos, e inorgânicos, extraindo

desses compostos, fontes nutricionais e energéticas, foi o que possibilitou o

emprego desses agentes biológicos, em novas tecnologias, como solução aos

problemas gerados pelos rejeitos lançados no meio ambiente.

22..22

EElleettrroocciinneessee eemm ssoollooss

Eletrocinese é definida como um transporte físico-químico de cargas,

partículas carregadas e umidade no meio poroso. A presença da dupla camada

difusa promove diversos fenômenos eletrocinéticos no solo, o qual pode resultar

em outros movimentos de fases diferentes devido à aplicação do campo elétrico.

Dentre os fenômenos eletrocinéticos que podem ocorrer acoplados, temos: eletro-

osmose, potencial de corrente, eletroforese e migração iônica.

22..22..11

DDuuppllaa CCaammaaddaa DDiiffuussaa

Segundo Mitchell (1993), vários estudos resultaram em propostas para

modelar a distribuição da carga adjacente da superfície da argila. A teoria da

Dupla Camada Difusa proposta por Gouy (1910) e modificada por Chapman

(1913) tem sido aceita e aplicada para descrever o comportamento da argila.

A descrição matemática da dupla camada difusa foi desenvolvida para casos

de superfície da partícula plana e segue as idealizações (Mitchell, 1993):

- os íons da camada dupla são cargas pontuais e não interagem entre si;

- a carga na superfície da partícula é uniformemente distribuída;

- a superfície da partícula é em quantidade relativamente maior do que a

espessura da dupla camada difusa (condição unidimensional);

- a permissividade do meio é independente da posição.

29

A equação 2.1 de Poisson descreve a relação entre potencial e carga, dada

por:

ερψ

−=2

2

dxd (2.1)

onde,

x- distância da superfície(m)

ψ - potencial elétrico(V)

ρ - densidade de carga(C/m2)

ε- permissividade estática do meio (C2J-1m-1)

Sendo que a densidade de carga (ρ) dos íons na camada dupla é dada por:

iie nze ∑=ρ (2.2)

onde,

ee – carga elétrica unitária (e = 1,6x10-19 C)

zi - carga do íon

ni - concentração do íon

Essa concentração de cátions e ânions na camada dupla é dada pela

distribuição de Boltzmann:

kTze

ei ennψ

−+ = 0 (2.3)

kTze

ei ennψ

0=− (2.4)

onde

ni0 – concentração iônica (íons/m3) no fluido livre do poro

k – constante de Boltzmann (k = 1,38x10-23 J 0 K)

T - temperatura (0 K)

Considerando para um simples caso de íons monovalentes, tem-se:

−=

−=

kTe

neeene eiekT

e

ekTe

eieψ

ρψψ

sen2 00 (2.5)

30

substituindo ρ na equação de Poisson,

=

kTeen

dxd eei ψ

εψ sen

2 02

2

(2.6)

Resolvendo a equação da distribuição do potencial com as condições de

contorno(ψ=ψ para x=0 e ψ= 0 quando x → ∞) fazendo simplificações, tem-se:

( )kx

ee −= 0ψψ (2.7)

que é conhecida como a equação de Debye-Huckel (Equação 2.8) e o valor

normalizado de (1/k) representa a espessura característica da dupla camada difusa

simples considerando que esta não interage com uma dupla camada difusa

adjacente.

21

2208

1

=

ei eznkT

k πε (2.8)

onde,

(1/k) – distância entre a superfície da partícula e o centro de gravidade da

dupla camada difusa (DCD).

Stern (1924) avaliou o impacto dos tamanhos dos íons e pH na espessura da

dupla camada difusa e pela Figura 2.2 podemos notar que quando o pH ou o

tamanho do íon aumenta, a espessura (1/k) aumenta.

31

1020

1019

B’

1018

1017

B

1016

1014

1015

1013

0 100 200 300 400 500 600 700

D

C

C’

D’

cátions

ânions

cátions

ânions

MC 20 1083.0 −×=

MC 20 1083.0 −×=

MC 40 1083.0 −×=

Ο

Α= 3331k

k1

Ο

Α= 4ox

Con

cent

raçã

o el

etro

lític

a ( í

ons/c

m3 )

A A’

Distância da superfície da camada dupla difusa (Ǻ) Figura 2.2 - Efeito da concentração eletrolítica na potencial Dupla Camada Difusa (Mitchell, 1993).

Outra importante característica na dupla camada é o valor do plano potencial

de cisalhamento, conhecido como potencial zeta (ζ). O potencial zeta, conforme

visto na Figura 2.3, representa a diferença de potencial da superfície considerada

rígida e o potencial do fluido.

32

Argila saturada

Anodo Catodo

Fluxo de água induzido por Gradiente Elétrico ∆ψ ( CC )

H2O

ζ

ψo

Pote

ncia

l (m

V)

Distância

Movimento do plano da partícula

Superfície da camada dupla

Figura 2.3 – Distribuição potencial mostrando o plano de deslizamento do potencial zeta (Mitchell,1993).

22..22..22

EElleettrroo--OOssmmoossee

Quando um potencial elétrico é aplicado em uma massa de solo saturado que

possui uma rede elétrica na dupla camada (interface água – solo), dois sistemas

iguais e opostos de forças elétricas são simultaneamente criados. Um sistema de

forças elétricas agindo sobre a carga negativa adsorvidas na camada tende a

mover as partículas do solo em direção ao anodo, ao passo que, um outro sistema

agindo sobre as cargas positivas móveis da camada movendo a água intersticial

em direção ao catodo. Para uma porção de massa de solo, a movimentação das

partículas do solo é restringida, porém a água intersticial fica livre para se mover.

Ocorre então o fluxo de água conhecido como eletro-osmose. A Figura 2.4 mostra

um diagrama esquemático do processo.

Figura 2.4 –Representação esquemática da eletro-osmose (Mitchell,1993).

Devido a relação entre o movimento da água e do solo um par de forças

resistentes são desenvolvidas, estas forças são proporcionais a velocidade do

fluxo. Quando as forças resistentes tornam-se grande o suficiente para

33

ψ + ∆ψ ψ - ∆ψ ψ

H + ∆H

H

H - ∆H

∆Fw

∆Fem

∆Fr = - ∆Fw - ∆Fem

∆Fd = - ∆Fr ∆Fs

∆Fef = - ∆Fem

∆Fp = - ∆Fs

Superfícies Equipotenciais

Forças na água intersticial

Forças nas partículas do solo

contrabalançar as forças elétricas o fluxo de água intersticial se torna constante,

enquanto que, a força resultante sobre as partículas do solo, devido a ação da

eletro-osmose, reduz-se a zero.

Se o potencial hidráulico ou a carga da água intersticial, H, não é uma

constante durante toda a massa do solo (isto é, gradiente H ≠ 0) a percolação do

fluxo causada pelo gradiente hidráulico pode ser superposta pelo fluxo eletro-

osmótico. Em geral, não é difícil perceber que sobre um estado de condição de

fluxo constante, a força resultante, SF→

∆ , atuante sobre as partículas de solo pela

combinação das ações hidráulicas e eletro-osmóticas, é igual a força de

percolação, wF→

∆ . Isto é demonstrado na Figura 2.5.

onde,

wF→

∆ = - w x grad H x ∆V = Força hidráulica de percolação

emF→

∆ = - ee grad x ψ x ∆V = Força elétrica na água intersticial na camada móvel

efF→

∆ = ee x grad ψ x ∆V = Força elétrica nas partículas adsorvidas na camada

rF→

∆ = Força resistente contra o fluxo na água intersticial

dF→

∆ =Força de empuxo sobre as partículas de solo

sF→

∆ = Força resultante nas partículas de solo devido a ação combinada de fluxos

hidráulico e eletro-osmótico = efF→

∆ + dF→

∆ + wF→

∆

pF→

∆ = Resultante das pressões intergranulares sobre a superfície de contorno no

elemento(requerida para o balanço de sF→

∆ ). Figura 2.5- Forças sobre condições de fluxo constante adaptado de Bernatzik, 1948 (apud Wang, 1953).

Elemento de massa de solo saturada, ∆V

34

A unidade de peso da água (w), a carga elétrica (-ee) da camada adsorvida na

partícula de solo por unidade de volume de massa de solo, o gradiente hidráulico

(grad H) e o gradiente de potencial elétrico (grad ψ), são então relacionados nas

equações 2.9 e 2.10 , sobre a partícula de solo em um volume elementar, ∆V,

descrevendo a força elétrica.

efF→

∆ = -ee x grad ψ x ∆V (2.9)

e a resultante das forças é:

sF→

∆ = -w x grad H x ∆V (2.10)

Onde a força sF→

∆ irá afetar a pressão intergranular sobre o contorno do

elemento.

A eficiência da eletro-osmose depende da água transportada por unidade de

carga elétrica aplicada. Mitchell (1993), relatou estudos feitos com argilas ativas e

inativas, realizadas por Gray (1966), e constatou que a eficiência da eletro-osmose

pode ser em grandes ordens de magnitudes dependendo de alguns fatores como o

tipo de solo, a umidade e a concentração eletrolítica.

A Figura 2.6 relaciona a quantidade de líquido transportado no processo de

eletrocinese com a atividade da argila, a capacidade de troca catiônica – CTC, a

umidade e a concentração do eletrólito. Ilustra que argilas inativas, aquelas que

apresentam baixa capacidade de troca catiônica com altos teores de umidade,

terão maior hidratação de seus cátions do que as argilas ativas de alta capacidade

de troca catiônica e baixos teores de umidade. Ou seja, uma maior hidratação

favorece o aumento do fluxo.

35

10-4 10-3 10-2 10-1 1

Argila inativa, baixa capacidade de troca, alta umidade.

Argila inativa, baixa capacidade de troca, baixa umidade.

Argila ativa, alta capacidade de troca, alta umidade.

Argila ativa, alta capacidade de troca, baixa umidade.

Concentração eletrolítica normalizada

Tran

spor

te d

e ág

ua p

or e

letro

-osm

ose

(L/A

.h)

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

2.8

Figura 2.6 – Esquema de transporte de água por eletro-osmose em vários tipos de argila de acordo com o conceito de Donnan (Mitchell, 1993).

Outro fator importante é que a eletro-osmose diminui significantemente

quando o pH e o potencial zeta diminuem durante os estágios do processo

eletrocinético (Hamed et al., 1991; Pamukcu & Wittle, 1992). A Figura 2.7 ilustra

o comportamento do potencial zeta (ζ) na caulinita em presença e ausência de íons

metais.

36

Pote

ncia

l zet

a (ζ

)

pH aumentando

Concentração de íonsaumentando

ζ

Figura 2.7- Ilustração esquemática do comportamento do potencial zeta na caulinita em presença de íons metais (Mitchell, 1993).

Em geral, durante o processo eletrocinético, íons H+ movem-se do anodo

para o catodo e os íons OH- do catodo para o anodo. Devido a alta mobilidade de

H+, quando comparado com OH-, ocorre a neutralização. Após esse transporte há

uma redistribuição de íons devido a migração iônica. Como a concentração de

ânions no anodo é pequena, enquanto que, no catodo a concentração de cátions

hidratados é maior, ocorrerá fluxo tanto de água quanto eletro-osmótico em

direção ao catodo, alterando o potencial zeta (ζ) para um valor positivo.

22..22..33

EEqquuaaççõõeess ddee FFlluuxxoo HHiiddrrááuulliiccoo ee EElleettrroo--oossmmóóttiiccoo ccoommbbiinnaaddooss

A solicitação que afeta a pressão intergranular entre as partículas de solo

sobre ações combinadas hidráulicas e eletro-osmóticas pode ser considerada como

sendo uma única força de percolação hidráulica. A distribuição da poropressão

que determina a direção e magnitude da força de percolação é, contudo

relacionada a aplicação do potencial elétrico (ψ). A relação entre a carga da água

intersticial (potencial hidráulico, H) e o potencial elétrico pode ser mostrado

através das equações de fluxos hidráulicos e eletro-osmóticos. Essas equações são

estabelecidas seguindo algumas considerações básicas sugeridas por Wang

(1953):

(1) o solo está perfeitamente saturado;

(2) o fluxo hidráulico obedece a lei de Darcy;

37

(3) o fluxo eletro-osmótico obedece a uma lei similar, isto é, existe uma

relação linear entre gradiente de velocidade e potencial elétrico;

(4) a corrente elétrica obedece a lei de Ohm, isto é, existe uma relação entre

densidade de corrente e gradiente de potencial elétrico;

(5) ambos os fluxos hidráulico e elétrico obedecem a lei de continuidade.

Na formulação das equações matemáticas foram empregadas as notações

descritas na Tabela 2.1:

Tabela 2.1 - Notações usadas referidas as coordenadas cartesianas

Notações Legenda

x,y,z posição das coordenadas dentro do solo

vx,vy,vz componente de velocidade para fluxo combinado em x,y,z

khx,khy,khz coeficiente de condutividade hidráulica nas direções das coordenadas

(x,y,z)

kex,key,kez coeficiente de condutividade eletro-osmótica nas direções das

coordenadas (x,y,z)

jx,jy,jz componentes da densidade de corrente elétrica em x,y,z

QRx,QRy,QRz resistividade aparente elétrica nas direções das coordenadas (x,y,z)

Dentro de um sistema de fluxo, nas posições (x, y, z) a velocidade do fluxo

pode ser expressa, de acordo com Bernatzik (1948), por:

∂∂

−∂∂

−=

∂∂

−∂∂

−=

∂∂

−∂∂

−=

zk

zHkv

yk

yHkv

xk

xHkv

ezhzz

eyhyy

exhxx

ψ

ψ

ψ

(2.11)

A lei de continuidade de fluxo é dada por:

0=∂∂

+∂∂

+∂∂

zv

yv

xv zyx (2.12)

Para corrente elétrica a lei de Ohm pode ser escrita como:

38

Solo+ Anodo Catodo -

Ho

HL

Hh

H

X

X1

X2

L

La

∂∂

−=

∂∂

−=

∂∂

−=

zQj

yQj

xQj

zRz

yRy

xRx

ψ

ψ

ψ

1

1

1

(2.13)

E a equação de continuidade da corrente elétrica pode ser expressa como:

0=∂∂

+∂∂

+∂∂

zj

yj

xj zyx (2.14)

A combinação destas equações gera oito incógnitas: três componentes de

velocidade (vx, vy, vz), três componentes de densidade de corrente elétrica (jx, jy,

jz), uma componente de potencial hidráulico (H) e uma componente de potencial

elétrico (ψ). As outras nove quantidades físicas, incluindo a condutividade e

resistividade, podem ser determinadas experimentalmente, conforme atesta Wang

(1952).

A Figura 2.8 mostra um caso unidimensional de fluxos hidráulicos e eletro-

osmóticos combinados através de um prisma de solo com área transversal A

(Wang, 1952). Numa seção(x), o coeficiente de condutividade hidráulica, o

coeficiente de condutividade eletro-osmótica e a resistividade elétrica do solo são

denominadas por kh, ke e QR, respectivamente.

Figura 2.8 - Caso unidimensional de fluxo hidráulico e eletro-osmótico combinados (adaptado por Wang, 1952).

39

Segundo Bernatzik (1948), a carga hidráulica, H, a velocidade do fluxo, v, o

potencial elétrico, ψ, e a corrente elétrica, I, podem ser determinados pelas

equações (2.15) a (2.22):

( )

( )

( )

<≤→

−+=

<≤→

−+=

<≤→

−+=

Lxxkk

BLQ

HH

xxxkk

BB

BLQ

HH

xxkk

BLQ

HH

L

xa

aaR

ah

L

x

a

xa

aaR

ah

L

xa

aaR

ah

1

21

1

1

0

ψ

ψ

ψ

(2.15)

L

a

aaR

a

L

Lo

kB

LQkHH

vψ

+−

= (2.16)

( ) ( )211 xxxxxQLQ x

aaR

aa <<→−−=

ψψψ (2.17)

ALQ

IaaR

aψ= (2.18)

( )LoL

xoh HH

kk

HH −−= (2.19)

=

=

∫

∫L

hL

x

hx

kdxk

kdxk

0

0 (2.20)

∫∫ ==2

11

,,x

xR

h

ea

x

xR

h

ex dxQ

kk

BdxQkk

B (2.21)

∫∫ =−

=2

11

1,1

1

x

xR

aaR

x

xRxR dxQ

LQdxQ

xxQ (2.22)

Na Equação 2.15, a carga hidráulica, H, em combinação com o fluxo

hidráulico e eletro-osmótico é geralmente diferente da carga Hh, que poderá ser a

carga de água em algumas seções, se o potencial elétrico não for aplicado (isto é,

caso ψa = 0). Desde que ψa, QRa, La, Ba, Bx, kL e kX sejam todas componentes

positivas e Bx < Ba e kX < kL, a carga na água contra a corrente do anodo é sempre

reduzida e é a favor da corrente para o catodo que é sempre aumentada pelo efeito

eletro-osmótico. Pode ser, entretanto, que ambos tenham um aumento e um

decréscimo entre os eletrodos.

40

Argila saturada

Fluxo de água induzido por Potencial Elétrico

∆ψ

∆Η

∆ψ

H2O

A constante Ba, a qual envolve a razão de ke para kh aparece nas equações

2.15 e 2.16 como um fator predominante de influência na mudança da carga da

água e da velocidade de fluxo para um dado potencial elétrico aplicado ψa. Está

claro que a eficiência da eletro-osmose é dependente da relação de magnitude das

condutividades hidráulica e eletro-osmótica.

Experimentalmente, Araruna et al. (2002) demonstraram que quando

comparados kh com ke, kh é de mesma ordem de magnitude que ke para um solo

residual gnáissico, classificado como silte arenoso, constituído em sua fração fina

por caulinita e gibsita. Isso indica que fluxos similares acontecem induzidos por

um gradiente elétrico ou hidráulico de mesma magnitude. Esse solo apresentou

valores de ke na ordem de 10-9 m2/V/s.

Segundo Hamed et al. (1991), ke não é substancialmente afetado pela

estrutura da massa do solo e seus valores variam entre 1x10-8 e 1x10-10 m2/V/s.

Acar et al. (1994) sugerem que altos valores geralmente ocorrem em solos finos

com baixa atividade, altos valores de umidade e baixa concentração eletrolítica.

22..22..44

PPootteenncciiaall ddee ccoorrrreennttee

O potencial de corrente é gerado pelo fluxo de água induzido por um

gradiente hidráulico que carreia consigo cargas elétricas da camada dupla, o que

resulta em uma diferença de potencial elétrica proporcional a razão do fluxo

hidráulico. A Figura 2.9, adaptada de Mitchell (1993), ilustra esquematicamente o

movimento de partículas induzidas pelo gradiente elétrico.

Figura 2.9 – Representação esquemática do potencial de corrente (Mitchell,1993).

41

Argila em suspensão

∆ψ ( C C )

m ovimento de partículas

22..22..55

EElleettrrooffoorreessee

A eletroforese consiste no movimento das partículas carregadas

eletricamente quando da aplicação de um gradiente de potencial elétrico (g.p.e.),

onde a carga negativa se move para o eletrodo positivo devido a atração

eletrostática do eletrodo (transporte de partículas através da água). A Figura 2.10,

adaptada de Mitchell (1993), mostra uma representação esquemática do processo

de eletroforese.

Figura 2.10- Representação esquemática da Eletroforese (Mitchell,1993).

22..22..66

MMiiggrraaççããoo IIôônniiccaa

A migração de íons, ou seja, o transporte de íons carregados no fluido do

poro, é responsável pelas correntes elétricas e esse transporte ocorre em direção ao

eletrodo oposto da polaridade do íon.

Segundo Acar & Alshawabkeh (1997), a mobilidade iônica é um termo

usado para descrever a razão de migração de um íon especifico dentro do campo

unitário elétrico. Um termo similar é usado quando considerado a porosidade e

tortuosidade em solos chamado de mobilidade efetiva iônica. De acordo com

Alshawabkeh (2001), a razão de extração e remoção de contaminantes em solos

através de campos elétricos são dependentes desses valores de mobilidades

iônicas efetivas dos contaminantes.

Para cada íon em uma solução diluída tem-se o seu valor de mobilidade

iônica específica (ui). Este parâmetro é função do coeficiente de difusão, D, e

pode ser expresso por:

42

Movimentos de partículas gerados por Potencial Elétrico

∆ψ

Mov

imen

to d

e pa

rtícu

las

RTFzDu ii

i = (2.23)

onde,

F = constante de Faraday (F= 96,485 C . mol-1 de elétrons)

Di = coeficiente de difusão

R = constante de Reynolds para gases (R = 8,314 JºK-1mol-1)

T = temperatura (ºK)

Segundo Mitchell (1993), a mobilidade iônica é geralmente inferior em

solos do que em soluções livres, especialmente em solos finos.

Quando há migração iônica, os íons de carga negativa são separados dos

íons de carga positiva indo em direção a eletrodos de polaridades opostas. Como

conseqüência, o fluxo hidráulico aumenta a migração de certos íons retardando à

de outros (com carga oposta). De acordo com Alshawabkeh (2001) a contribuição

da eletro-osmose e da migração de íons no transporte sobre campos elétricos varia

para diferentes tipos de solos, umidade, tipos de íons, composição química do

fluido do poro e condições de contorno. A Figura 2.11 apresenta uma

representação esquemática da migração iônica.

Figura 2.11 - Representação esquemática da migração iônica (Mitchell,1993).

43

REDUÇÃO OXIDAÇÃO

CATODO ANODO

Fluxo de água

Fluxo de corrente

SOLO

e-

e-

FONTE DE CORRENTE CONTÍNUA

- +

22..22..77

EElleettrróólliissee

A aplicação de um potencial elétrico em uma massa de solo saturada, induz

reações de eletrólises nos eletrodos. Nos eletrólitos posicionados, no anodo,

ocorrem reações de oxidação gerando uma frente ácida, enquanto que nos

eletrólitos posicionados no catodo há reações de redução produzindo uma frente

básica. A Figura 2.12 ilustra esquematicamente o processo.

Figura 2.12 – Reações de oxidação e redução na superfície da partícula (Burton & Segall, 1992).

Vários autores, incluindo Acar et al. (1989), Shapiro et al. (1989) e Acar et

al. (1990), formalizaram o desenvolvimento das frentes ácido/base como,

2H2O – 4e- → O2↑ + 4H+ (anodo) (2.24)

4H2O + 4e- → 2H2↑ + 4OH- (catodo) (2.25)

Segundo Acar et al. (1990), devido a essas reações o pH no anodo poderá

diminuir a um valor abaixo de 2,0, sendo que no catodo poderá aumentar acima de

12,0, dependendo da densidade da corrente aplicada.

Acar (1993) sugeriu que a frente ácida irá avançar através da amostra em

direção ao catodo com o tempo devido à:

- advecção no fluido do poro devido ao fluxo eletro-osmótico,

44

+

+ + + + + +

+ + + + +

+

_

_

+

Anodo (+)

Catodo (-)

Partícula de argila

Partícula de argila

Migração de íons

Eletro-osmose

Eletroforese

Reações Geomecánicas e biotransformações no meio poroso.

2H2O

4H

+ +

O2(

gás)

+ 4e

-

2H2O

+ 4

e-

2

OH

- + H

2(gá

s)

- advecção carreando o fluido dos poros devido a alguma aplicação

interna ou externa gerada por diferentes potenciais hidráulicos,

- difusão devido a gradientes de concentração, e

- migração devido a gradientes elétricos.

O avanço da frente ácida e da atividade do íon H+ resultará na troca com

outros cátions trocáveis na superfície dos argilominerais. Segundo Hamed et al.

(1991), essa troca levará ao desprendimento de cátions adsorvidos no fluido dos

poros. No entanto, a migração, a difusão e a advecção resultaram no movimento

de íons trocáveis na superfície e de cátions/ânions no fluido do poro nos

respectivos eletrodos no meio poroso.

Por outro lado, conforme sugere Hamed (1990), o aumento da condutividade

elétrica na região do anodo resulta em uma distribuição não linear de gradientes

elétricos através da amostra. Além disto, as reações de eletrólises nos eletrodos

dependem da disponibilidade de espécies químicas e do potencial eletroquímico

dessas reações.

A Figura 2.13 ilustra um modelo esquemático mostrando os processos que

ocorrem no solo durante aplicação de um campo elétrico.

Figura 2.13 - Modelo esquemático mostrando os processos que ocorrem no solo durante aplicação de um campo elétrico (Alshawabkeh, 1998).

45

Como resultado desse transporte de espécies químicas no fluido do poro,

cátions serão coletados no catodo e ânions no anodo. Metais pesados e outras

espécies catiônicas poderão ser removidos do solo no efluente, ou eles irão ser

depositados no catodo. Esses mecanismos de transporte de espécies dentro de

campos elétricos são empregados na remediação de solos de espécies orgânicas e

inorgânicas (remediação eletrocinética) e na injeção de microrganismos e

nutrientes na biorremediação.

22..33

RReemmeeddiiaaççããoo eemm ssoollooss

Contaminantes orgânicos tais como hidrocarbonetos de petróleo e

compostos orgânicos halogenados são uma das principais causas da contaminação

de solos e água subterrânea na atualidade (Alshawabkeh, 2001).

Diante da complexidade desses contaminantes, projetos de pesquisa vêm

estudando novas tecnologias para remediação de solos contaminados, visto que, as

técnicas correntes como pump and treat, extração de vapor do solo e

biorremediação são ineficazes para solos de baixa permeabilidade. Essas técnicas

tornaram-se apenas paliativas devido a suas limitações em relação a presença de

determinados compostos nos sítios contaminados pois, são dependentes da

condutividade hidráulica e permeabilidade ao ar, baseando-se no fluxo de água ou

gás dos poros gerados pela aplicação de gradientes hidráulicos e de pressão. No

caso de tratamento em argilas, além de baixa permeabilidade, apresentam alta

reatividade. Isto devido a eletronegatividade superficial das partículas e grande

superfície específica, o que a torna mais suscetível a interações com os

contaminantes dificultando assim a sua remoção.

22..33..11

RReemmeeddiiaaççããoo EElleettrroocciinnééttiiccaa

A remediação eletrocinética surgiu devido a necessidade de técnicas mais

eficientes para a recuperação de solos argilosos contaminados. Em solos com

baixa condutividade hidráulica o método de eletrocinese pode ser utilizado na

separação e na remoção de contaminantes orgânicos e inorgânicos. Com isso, a

46

descrição dos fenômenos eletrocinéticos e dos fluxos acoplados gerados nos solos

se torna complexa devido a necessidade de especificações de diferentes

coeficientes e independentes métodos para a sua determinação.

Segundo Laurindo (1999), os fenômenos eletrocinéticos mais pesquisados

na Geotecnia têm sido a eletro-osmose e a migração iônica, os quais, buscam a

melhoria das propriedades do solo, de rejeitos ou de sedimentos. Tal fato deve-se

ao fluxo eletro-osmótico ter grande valor prático no transporte de fluidos através

de solos finos com uma grande variedade de aplicações, como demonstrou

Casagrande (1949) e Casagrande (1983), assim como, a migração iônica

carreando o poluente e o retendo em local adequado como sugere Kim et al.

(2002).

Segundo Ward et al. (1995), é crescente o interesse em pesquisas sobre

remediação eletrocinética, associada a biorremediação, devido a ter se mostrado

viável e econômica como uma técnica ambiental na remoção e extração de

contaminantes.

22..44

BBiioorrrreemmeeddiiaaççããoo

Segundo Boopathy (2000), a biorremediação pode ser considerada como

uma tecnologia que emprega os microrganismos ou processos microbianos para

degradar ambientes contaminados. Esta técnica tem inúmeras aplicações, tanto

para limpeza de águas superficiais, lagoas, quanto para solos. Geralmente,

envolve ambientes heterogêneos multifásicos como o solo, onde o contaminante

está associado as partículas do solo, dissolvido em sua água intersticial e nos

vazios.

Boopathy (op.cit.) sugere que a atividade microbiana é afetada por diversos

parâmetros físico-químicos do ambiente, entre eles: a presença de organismos

apropriados, fontes de energia (doadores de elétrons), fontes de carbono, aceptores

de elétrons, nutrientes, pH, temperatura e substratos inibidores ou metabólicos.

Bedient et al. (1994) descreveu a importância de cada fator, como:

- presença de organismos apropriados: em geral a preferência é por

microrganismos que sejam capazes de degradar o contaminante

47

especifico da área contaminada sendo necessário em alguns casos uma

inoculação.

- fontes de energia: o carbono orgânico é utilizado como fonte de

energia pelos microrganismos na manutenção e crescimento de sua

célula.

- fontes de carbono: aproximadamente 50% do peso seco das bactérias é

composto por carbono, sendo usado em conjunto com a energia para

gerar novas células e em sua nutrição.

- aceptores de elétrons: alguns elementos químicos aceitam elétrons que

foram liberados pela energia gerada. Tipicamente são eles: O2, −3NO ,

−24SO e CO2 e as equações a seguir demonstram essa troca:

42

224

23

22

CHCOeSHSOe

NNOe

OHOe

→+

→+

→+

→+

−

−−

−−

−

- nutrientes: dentre os nutrientes mais requeridos temos, nitrogênio,

fósforo, cálcio e magnésio, o nitrogênio e o fósforo são necessários em

maior proporção de acordo com a massa total da célula microbiana

dada por C5H7O2NP0,083.

- pH: se o pH não for neutralizado poderão ser produzidas condições

extremas, limitando então, o crescimento e a biotransformação

microbiana. Segundo Gaudy & Gaudy (1988), os valores ótimos de pH

para o crescimento bacteriano são próximos ao neutro com uma

variação entre 5,0 e 9,0.

- temperatura: a maioria dos microrganismos cresce rapidamente em

temperaturas variando entre 20º e 45ºC e um aumento nessa

temperatura ótima pode inibir esse crescimento.

Durante o processo de biorremediação os microrganismos empregam os

contaminantes orgânicos como fonte de energia, e os oxida dentro de condições

favoráveis de pH e temperatura. A oxidação biológica de substâncias orgânicas

requer uma transferência de elétrons de moléculas orgânicas e semi-condutoras.

48

Essas moléculas são chamadas aceptor final de elétrons (TEAs), e usualmente são

o oxigênio, o nitrato, o sulfato e outros componentes inorgânicos como Mn2+, Fe3+

e CO2. Segundo Thevanayagam (1998), além do consumo de energia, os

microrganismos também necessitam de nutrientes para seu crescimento e

atividade metabólica, tais como: nitrogênio e fósforo. A Figura 2.14 representa

um modelo esquemático da atividade microbiana na biodegradação de compostos

químicos, com doadores e aceptores de elétrons.

Figura 2.14 – Modelo esquemático da atividade microbiana (Adriens, 2002).

Hutchins et al. (1991b) sugerem que o tipo e a população de microrganismos

presentes naturalmente nos solos já são suficientes para o início do processo de

degradação, sendo necessário em alguns casos, a injeção por eletroforese de

microrganismos bioestimulados em laboratório no ambiente.

Entretanto, Alshawabkeh (2000) indica que TEAs e nutrientes não são

sempre encontrados em quantidades suficientes para que haja o crescimento

microbiano.

Yeung (1990a), sugere que, em estudos com areias, o suprimento in situ de

TEAs e nutrientes são possíveis através de bombeamento, porém, é ineficaz para

solos finos devido a baixa condutividade hidráulica.

NUTRIENTES (C,N,P, METAIS - traços)

Síntese

Calor

-e

Composto Químico (oxidado)

Composto Químico (reduzido)

e-

Aceptor deEletron(reduzido)

-e

Aceptor deEletron(oxidado)

49

22..44..11

BBiioorrrreemmeeddiiaaççããoo EElleettrroocciinnééttiiccaa

A biorremediação eletrocinética, no caso de contaminantes orgânicos, pode

melhorar as condições de biodegrabilidade tanto em condições aeróbicas como

anaeróbicas, pois, estes, servem como fonte de carbono e energia para os

microrganismos (Alshawabkeh, 2000). Entretanto, para que ocorra o processo de

biodegradação são necessários vários parâmetros físico-químicos favoráveis no

ambiente, como já citado anteriormente.

Vários estudos, entre os quais o de Zappi et al. (1993), sugerem que a

ineficiência do transporte de TEAs e nutrientes através de amostras de solo na

remediação é a primeira causa da falha no sistema de bioremediação in situ, sendo

então, necessário a aplicação, em conjunto, de técnicas como a eletrocinese.

A razão do transporte de íons via eletrocinese no solo é influenciada por

migração iônica, advecção por eletro-osmose e difusão. Devido a migração iônica,

a carga negativa do íon, introduzida no catodo, se move em direção ao anodo e

vice e versa para a carga positiva. Segundo Acar & Alshawabkeh (1996), o

transporte de íons por advecção, devido a eletro-osmose, é tipicamente em direção

ao anodo e o transporte devido a difusão, ocorre dependendo da concentração do

gradiente do íon.

O nitrato, um dos nutrientes mais utilizados segundo Tiedje (1988), pode

servir como um aceptor de elétrons e resulta em biodegradação anaeróbia de

compostos orgânicos pelo processo de redução de nitrato e desnitrificação. O

nitrato também tem a vantagem de ser um sal solúvel em água, facilitando o seu

transporte.

Segall e Bruell (1992) utilizaram a eletrocinese para injetar nitrato em solos

argilosos e assim intensificar a biorremediação. Em seus experimentos a solução

de nitrato de amônio foi adicionada no reservatório do afluente (anodo) e seus

resultados indicaram pequeno ou nenhum nitrato no efluente (catodo), sugerindo

que o gás amônio foi gerado devido a uma decomposição ou amonificação quando

em contato com o argilomineral. Entretanto, Thevanayagam (1998) realizou

estudos em solos finos introduzindo nitrato no catodo, o qual, foi transportado por

migração iônica em direção ao anodo, em aproximadamente uma semana. Em um

outro experimento com o mesmo tipo de solo, porém com injeção de uma solução

50

Concentração final de nitrato

Caulinita misturada

Caulinita

Condições iniciais

= 2 mg/kg

= 175 mg/kg

200

400

600

800

1000

Distância normalizada ao catodo (x/L)

Con

cent

raçã

o de

nitr

ato

(mg/

kg)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

de nitrato de sódio, o autor notou que a direção do fluxo foi do anodo para o

catodo, o que é, tipicamente esperado para argilas, devido a mudança no potencial

zeta, conforme sugere Mitchell (1993). Essa reversão na direção do fluxo pode ser

devido a uma distribuição não linear da condutividade elétrica, pela eletro-osmose

induzida por uma poropressão negativa, por mudanças de pH e potencial zeta,

podendo também causar uma redução na razão do fluxo com o tempo durante a

eletrocinese (Thevanaygam & Wang, 1994, Eykholt & Daniel, 1994).

A Figura 2.14, obtida de Thevanaygam (1998), mostra alguns resultados de

transporte de nitrato em amostras de solo finos.

Figura 2.15 – Concentrações iniciais e finais em amostras de solo (caulinita e caulinita misturada com bentonita), Thevanaygam, 1998.

A Figura 2.14 apresenta resultados onde a concentração do nitrato cresce de

acordo com a direção do fluxo, do anodo para o catodo.

No entanto, a aplicação de campos elétricos introduz mudanças no ambiente

podendo afetar o crescimento microbiano conforme Alshawabkeh (2000). Devido

as reações de eletrólise nos eletrólitos, as mudanças no pH, a produção de gases e

outras condições geoquímicas, assim como, a temperatura trará condições

limitantes a esse crescimento. A seguir comenta-se o efeito de cada parâmetro.

a) oxigênio dissolvido

Segundo Alshawabkeh 2000, o oxigênio dissolvido produzido devido a

reações de eletrólise no anodo pode aumentar as condições de crescimento para

microrganismos aeróbios sendo que causa um efeito contrário ao anaeróbio.

51

b) temperatura

Acar & Alshawabkeh (1996) sugerem que a temperatura pode aumentar

devido a aplicação de corrente elétrica e é dependente da resistividade do meio.

Em seus experimentos com caulinita, o autor observou um aumento de 10ºC

durante o experimento.

c) umidade

Segundo Roitmam (1988), o crescimento e o metabolismo microbiano

exigem a presença de água numa forma disponível, portanto, a umidade do solo é

um parâmetro essencial na biodegradação, pois influencia diretamente na

transferência de gases, na movimentação e crescimento dos microrganismos,

assim como na distribuição das espécies.

d) pH

Schmidt (2001) sugere que a biodegradação acontece idealmente para

valores de pH próximos a condição neutra, o que nos sugere que deva ser

controlado durante o processo, impedindo-se assim, a acidificação do solo pela

frente ácida. De acordo com Alshawabkeh 2000, o pH deve-se situar entre 5,0 e

9,0.

A presença de microrganismos apropriados em solos contaminados é

reconhecida como um fator determinante na biodegradação. Microrganismos

podem estar presentes no solo em suspensão no fluido do poro, como

microcolônias ou como biofilmes, sorvidas na superfície das partículas.

De acordo com Alshawabkeh (2001) a sorção de microrganismos pelo solo

pode ser reversível (interações eletrostáticas de carga) e irreversível. A

dependência da sorção reversível das bactérias na interação eletrostática da carga

indica que a aplicação de campo elétrico pode ser função dessa adesão e

transporte no solo, que pode influenciar a mobilidade eletroforética da bactéria.

Collins e Stotzky (1992), observaram que a presença de metais pesados no

ambiente altera as propriedades eletrocinéticas da bactéria e que a adesão na

superfície do eletrodo não é necessariamente devido a atração elétrica entre a

carga negativa do microrganismo e a carga positiva do anodo. Os autores sugerem

a necessidade de verificação se a adesão é devido a sorção (reversiva ou

irreversiva) ou devido a carga do eletrodo. Os autores também sugerem que a

direção e razão do movimento microbiano são dependentes da variedade de

52

fatores como força iônica, temperatura e pH do meio, assim como, a força do

campo elétrico e a carga da superfície da bactéria.

Mais recentemente, Deflaun e Condee (1997), demonstraram que o

transporte bacteriano em areias é devido a mobilidade eletroforética em solos, e é

afetado pelos parâmetros físicos do solo como a porosidade, a distribuição do

tamanho do poro e a tortuosidade. Seus resultados mostraram que em soluções

com pH igual a 7,0 houve o transporte bacteriano em direção ao anodo,

provavelmente devido a sua carga de superfície negativa. Em soluções ácidas ou

básicas a direção do transporte pode variar de acordo com o fluxo de água. Com

esse resultado, o autor, ilustra que a injeção de microrganismos no solo

contaminado é viável para a biodegradação desses através da bioaumentação, ou

seja, a biorremediação in situ.

33

DDEESSCCRRIIÇÇÃÃOO DDOO PPRROOGGRRAAMMAA EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL

O presente capítulo apresenta as características do solo utilizado, a

descrição da célula eletrocinética, a metodologia para a realização dos ensaios de

eletrocinese, a formulação básica utilizada para a determinação dos parâmetros

eletrocinéticos e o programa experimental.

33..11

CCaarraacctteerriizzaaççããoo GGeeoottééccnniiccaa ddoo SSoolloo EEssttuuddaaddoo

33..11..11

PPeerrffiill GGeeoottééccnniiccoo

A amostra de solo deformada foi coletada em um perfil de intemperismo

de solo residual jovem, desenvolvido de rocha metamórfica gnáissica, referida ao

pré-cambriano e localizado em talude de corte na Rodovia Washington Luís, em

direção à Petrópolis, no município de Duque de Caxias-RJ (BR 040 - km 111),

ilustrado na Figura 3.1.

Figura 3.1 - Perfil de intemperismo de solo residual jovem localizado em talude de corte na Rodovia Washington Luís, BR 040 - km 111.

A rocha apresenta feições ricas em minerais máficos (biotita) e félsicos

(feldspatos) conferindo ao solo residual jovem respectiva alternância de camadas

53

com porosidade e permeabilidade diferenciadas. Mineralogicamente, as frações

areia da amostra são constituídas por feldspatos potássio e biotita em várias fases

de alteração, além do quartzo. As frações silte e argila são constituídas por

caulinita, ilita e gibsita. As amostras deformadas coletadas foram extraídas da

feição arenosa em torno do bloco mostrado na Figura 3.2a. Pode-se notar que as

feições de textura siltosa e arenosa são visualmente identificáveis no perfil pela

coloração mais homogênea e mais clara, respectivamente. A Figura 3.2b mostra a

coleta de amostras para análises físicas, químicas, mineralógicas e

microbiológicas.

a) b)

Figura 3.2 - Coleta e amostragem em perfil de intemperismo de solo residual jovem localizado em talude de corte na Rodovia Washington Luís, BR 040 - km 111, Rua Emília Garcia s/n.

33..11..22

AAnnáálliisseess FFííssiiccaass

As análises físicas foram realizadas no Laboratório de Geotecnia e Meio

Ambiente do Departamento de Engenharia Civil (DEC) da PUC-Rio.

33..11..22..11

TTeeoorr ddee uummiiddaaddee ((ω))

A determinação do teor de umidade foi realizada através da coleta de

porções de amostras de solo natural, secas ao ar, que são levadas à estufa por 24

horas a uma temperatura entre 105°C e 110ºC, conforme estabelece a NBR 6457.

54

33..11..22..22

PPeessoo EEssppeeccííffiiccoo ((γ))

Determina-se o γnat moldando-se uma amostra de solo indeformada em um

amostrador com forma de anel de 76,2mm de diâmetro e 20mm de altura.

Conhecendo-se o γnat e o teor de umidade temos o γ, conforme estabelecido na

NBR 6508.

33..11..22..33

DDeennssiiddaaddee ddooss GGrrããooss ((GGss))

O ensaio de determinação da densidade dos grãos foi realizado com

amostras de solo secas em estufa à 105ºC – 110ºC durante 24 horas e passadas em

peneira #40 (0,42mm). Desse material, 100g foram transferidas para 4

picnômetros com capacidade de 250mL, sendo 25g para cada picnômetro,

vertendo-se água destilada até uma altura um pouco acima do material. Depois foi

aplicado vácuo ao conjunto por 15 minutos através de uma bomba de capacidade

de 101,3kPa, agitando-se levemente de modo a retirar o ar aprisionado entre as

partículas. O valor de Gs é obtido pela média dessas determinações, em

consonância com a NBR 6457.

33..11..22..44

GGrraannuulloommeettrriiaa

O ensaio de granulometria foi realizado segundo a norma NBR 7181.

Foram destorroados e peneirados na peneira #40 (0,42mm) 1500g de solo. O

material retido na peneira #40, fração maior que 0,42mm, é lavado com a

finalidade de remover qualquer grão com dimensão menor que a da peneira. Esse

material é seco em estufa à 105ºC – 110ºC por 24 horas e depois peneirado e

pesado em série para #3/4”, #3/8”, #5/16”, #1/4”, #4, #8, #10, #20 e #40 com

ajuda de um peneirador mecânico por cerca de 10 minutos.

55

Para a análise da fração menor que 0,42mm utilizou-se cerca de 50g para

ensaio de sedimentação. Esse material é misturado com 125mL de uma solução

defloculante de haxametafosfato de sódio a uma concentração de 45,7g para

1000cm3 de solução, tamponado a pH entre 8,0 e 9,0. Após 24 horas verteu-se a

mistura para uma proveta de 1000mL completando com água destilada e agitou-se

por 1 minuto. Com auxílio de um densímetro faz-se leitura em tempos

determinados repetindo-se o procedimento por duas vezes.

Após as leituras, verte-se a mistura para uma cápsula que é levada a estufa

à 105º C – 110ºC por 24 horas realizando-se a seguir o peneiramento em série

para # 40, # 60, #100 e #200.

Com os resultados obtidos na granulometria e sedimentação classifica-se o

solo observando-se os tamanhos dos grãos especificados pelo Sistema Unificado

de Classificação de Solos.

33..11..22..55

ÍÍnnddiicceess ddee CCoonnssiissttêênncciiaa

Para a determinação dos Índices de Consistência utilizaram-se amostras de

solo passadas a peneira #40 sendo que cerca de 70g para a obtenção do limite de

liquidez e 50g para limite de plasticidade.

Limite de Liquidez (ωL)

Uma porção de solo, com cerca de 70g, é colocada em uma cápsula e

misturada com água destilada em uma quantidade suficiente para a obtenção de

uma massa pastosa homogênea. Essa mistura é depositada na concha do aparelho

de Casagrande com altura de queda de 1cm procedendo à aplicação dos golpes

com uma velocidade de 2 golpes por segundo, conforme estabelecido na NBR

6459.O limite de liquidez é então definido como o teor de umidade do solo com o

qual uma ranhura nele feita requer 25 golpes para se fechar na concha. São

realizadas várias tentativas para diferentes umidades, anotando-se o número de

golpes para fechar a ranhura, o limite é obtido pela interpolação dos resultados.

56

Limite de Plasticidade (ωP)

Para a determinação do ωP utilizou-se um vidro rugoso e um cilindro

metálico de 3 mm de diâmetro (gabarito). Com uma mistura densa homogênea

(solo+água destilada) rolando sobre o vidro foram feitos cilindros de dimensões

similares aos do gabarito e determinou-se o teor de umidade. Foram realizadas

três repetições do ensaio sendo a média o valor de ωP, de acordo com a norma

NBR 7180.

Os resultados obtidos na caracterização física descrita do solo são

apresentados na Tabela 3.1 e ilustrados na Figura 3.3.

Na Figura 3.3, a curva representa a amostra do solo classificado pelo

Sistema Unificado de Classificação de Solos como sendo areno-siltoso (SM),

sendo que 63% da amostra é constituída pela fração areia e 25% da amostra é

constituída pela fração silte.

Tabela 3.1 - Características físicas do solo estudado

Índices Físicos Valor Teor de Umidade, ω (%) Matéria Orgânica (%)

11,52 0,05

Massa Específica dos Grãos, Gs 2,63 Peso Específico Natural, γnat (kN/m³) 15,21 Peso Específico Seco, γd (kN/m³) 14,23 Resumo da Granulometria (%) Pedregulho Grosso 0 Pedregulho Médio 0 Pedregulho Fino 7 Areia Grossa 39 Areia Média 14 Areia Fina 10 Silte 25 Argila 5 Índices de Consistência (%) Limite de Liquidez, ωL 43,70 Limite de Plasticidade, ωP 30,40 Índice de plasticidade 13,30 Classificação pelo Sistema Unificado SM

57

Figura 3.3 - Curva granulométrica do solo estudado. 33..11..22..66

CCoonndduuttiivviiddaaddee HHiiddrrááuulliiccaa

As análises de condutividade hidráulica foram realizadas no Laboratório

de Geotecnia e Meio Ambiente do Departamento de Engenharia Civil da PUC-

Rio. A amostra deformada de solo foi adicionada um volume de água no intuito de

obtenção de um teor de umidade correspondente a 1,25 do seu limite de liquidez

(ωL) e moldada a fim de obter um corpo de prova de 10cm de diâmetro e 5cm de

altura. O corpo de prova foi levado a uma prensa edométrica sendo submetido a

uma tensão de 50kPa. Já com a tensão inicial desejada levou-se o c.p. a um

permeâmetro de parede flexível submetendo-o primeiro a uma fase de saturação e

adensamento da amostra, e depois ao estágio de percolação. O gradiente

hidráulico utilizado foi de 10kPa. A Figura 3.4 mostra os resultados obtidos

através do método de carga variável para as tensões efetivas de 50, 100, 200,

300kPa. Os resultados revelaram uma redução dos valores da condutividade

hidráulica, kh, com o acréscimo de tensão efetiva. Os valores determinados de kh

variaram entre 0,60 a 2,51 x 10-08 m/s.

Peneira No (SUCS) 200

100

60 50 40 30 20 16 10 8 6 4 1/4"

5/16

"3/

8"1/

2"

3/4"

1" 1 ½

"2" 3" 4" 5" 6" 8" 12

" 14"

16" 18

"20

"

30"

40"

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Porc

enta

gem

ret

ida

(%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

Diâmetro dos Grãos (mm)

Porc

enta

gem

que

pas

sa

(%

)

58

Figura 3.4 - Coeficiente de condutividade hidráulica kh obtido através de permeâmetro de parede flexível.

33..11..33

AAnnáálliisseess FFííssiiccoo -- QQuuíímmiiccaass

As análises físico-químicas, incluindo a condutividade elétrica, pH, sais

solúveis, elementos disponíveis, carbono orgânico, nitrogênio total, complexo

sortivo e capacidade de troca catiônica (CTC) foram realizadas no Laboratório de

Análises de Solos, Água e Plantas (LAPS) da EMBRAPA, estabelecendo os

procedimentos especificados em EMBRAPA (1997). As determinações do teor de

matéria orgânica (M.O.), capacidade de troca catiônica (CTC) pela técnica do azul

de metileno e superfície específica foram feitas no Laboratório de Geotecnia e

Meio Ambiente do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio. As análises

dos ânions trocáveis foram feitas no Laboratório de Química no Departamento de

Química da PUC-Rio.

33..11..33..11

TTeeoorr ddee MMaattéérriiaa OOrrggâânniiccaa ((MM..OO..))

O teor de matéria orgânica foi determinado através da coleta de porções de

amostras de solo seco em estufa por 24 horas a uma temperatura de 105°C e

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 50 100 150 200 250 300 350

σ ' (kPa)

k h x

10- 0

8 (m

/s)

59

depois levadas a um forno de alta temperatura (mufla) por 6 horas à 400ºC. As

determinações obedeceram às recomendações do método por via úmida de

gravimetria por incineração em mufla de Ball (1964) adaptado por Jackson (1982)

& Ben-Dor & Banin (1984).

33..11..33..22

CCaappaacciiddaaddee ddee TTrrooccaa CCaattiiôônniiccaa ((CCTTCC)) ppeellaa ttééccnniiccaa ddoo AAzzuull ddee MMeettiilleennoo ee

SSuuppeerrffíícciiee EEssppeeccííffiiccaa

Misturou-se 1g de solo passado na peneira #40 com 50mL de solução

tampão (pH = 7,0) deixando vibrar por aproximadamente 15minutos. Colocaram-

se porções da solução de azul de metileno nessa mistura e posteriormente

transferidas pequenas alíquotas para um papel filtro Whatman n° 40 para a

determinação dos íons trocáveis. A superfície específica foi determinada através

do valor obtido de CTC pelas equações (3.1) e (3.2).

aWVCCTC 100

××= (3.1)

SE = fator do azul de metileno × CTC (3.2)

onde,

CTC - Capacidade de Troca de Cátions (meq/100g de solo)

C - Concentração do azul de metileno (1meq/L)

V - volume gasto(L)

Wa- peso seco da amostra seca (g)

Fator do azul de metileno - 7,8043

SE - Superfície Específica (m2/g)

33..11..33..33

ÂÂnniioonnss TTrrooccáávveeiiss

A determinação dos ânions trocáveis foi feita através de um cromatógrafo

de íons Metrohm, modelo 732IC. Uma amostra com volume de 100µL foi passada

em uma coluna ASupp-4 Metrohm de Divinilbenzeno, pH = 9,2 e depois levada

ao cromatógrafo.

60

33..11..33..44

DDeetteerrmmiinnaaççããoo ddaa ccoonncceennttrraaççããoo ddee nniittrraattoo

A concentração de nitrato de amônio foi determinada através do método

modificado de Griess - Ilosvay (Barnes & Folkard, 1951; Bremner, 1965). As

determinações foram feitas nas soluções dos eletrólitos e no solo.

Foram adicionados 4g de solo a 25mL de água destilada (com pH ajustado

para 7,0 com hidróxido de sódio) em erlenmeyer de 50mL. A extração foi

realizada em agitador mecânico (Nova Ética, Modelo 501/D) a 160 rpm (rotações

por minuto) em banho Maria a 45ºC por 1 hora. A solução era então filtrada em

papel filtro Whatman nº 40 (80g, 0,40µm) em balão volumétrico de 50mL, cujo

volume era aferido com a mesma água destilada.

As amostras coletadas dos eletrólitos e a solução extraída do solo foram então

passadas em uma coluna ativada de cádmio, como pode ser vista na Figura 3.5,

para redução de nitrato a nitrito. A concentração foi determinada

colorimetricamente através de um espectrofotômetro, em um comprimento de

onda de 543nm.

Figura 3.5 - Coluna de cádmio.

61

A Tabela 3.2 apresenta as características químicas do solo estudado.

Tabela 3.2 - Características químicas do solo estudado Índices Químicos Valor

Condutividade Elétrica (MS/cm à 250C) 82% de água 0,06

pH H2O 4,9 KCl 4,1 Sais Solúveis (cmolc/kg) K+ <0,01 Na+ 0,01 Elementos Disponíveis (mg/dm3)

Mn 0,470 Fe 5,21 Cu 0,287 Zn 0,562 Elementos Disponíveis (g/kg) C 0,5 N 0,1 Complexo Sortivo (cmolc/kg) Mg++ 0,1 K+ 0,02 Na+ 0,04 Al+++ 0,9 H+ 0,7 Fósforo no Extrato Sulfúrico (g/kg) P2O5 0,4

Capacidade de troca catiônica, CTC (cmolc /kg) 1,8

Capacidade de troca Catiônica, CTC, pela técnica do Azul de Metileno (meq/100g de solo seco)

1,8

Superfície Específica (m2/g) 14,05 Ânions Trocáveis (mg/Kg) Cloreto 18075 Sulfato 4800

33..11..44

AAnnáálliisseess MMiinneerraallóóggiiccaass

A identificação dos argilominerais foi determinada pelo emprego da difração

de Raios X realizado no Laboratório de Difratometria do Departamento de

Ciências dos Materiais e Metalurgia (DCMM) da PUC-Rio. Essas análises foram

feitas em difratômetro da marca Siemens, modelo D5000, anodo cobre 1.5406Å,

40KV, 30mA, a partir do valor medido para distância interplanar basal do argilo-

mineral. Foram utilizados dois métodos experimentais para identificação dos

componentes do solo. O primeiro método por peneiramento (método do pó)

consistiu em amostra de solo seco ao ar passado na peneira #400, a seguir

misturado, saturado e homogeneizado com água destilada. Dessa mistura foi

preparada uma lâmina a qual foi levada ao difratômetro. O segundo método

62

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 10 20 30 40 50 60

2θ

Lin

(Cou

nts) Glicolada

NormalAquecida

Caulinita

Gibsita

Gibsita

Gibsita

caracterizou-se pela obtenção de fração de solo, mais fino, pelo ensaio de

sedimentação convencional. Fizeram-se então duas lâminas, uma para ser

glicolada e outra para ser aquecida a 300ºC - 350°C por 4 horas, depois levadas ao

difratômetro.

A partir dos difractogramas obtidos foi identificada a presença de caulinita e

gibsita, conforme ilustra a Figura 3.6.

Figura 3.6 - Difratograma de raios X, método do pó (normal) e sedimentadas (glicolada e aquecida).

33..11..55

AAnnáálliisseess MMiiccrroobbiioollóóggiiccaass

O número de microrganismos viáveis e cultiváveis no solo foi determinado

pelo método das diluições sucessivas e contagem em placa.

Os microrganismos foram retirados do solo a partir de amostras de 1g por

agitação com água destilada estéril durante um minuto em um agitador mecânico

de tubos (PHOENIX, Modelo AP56). Foram realizadas, em seguida, diluições

sucessivas em tubos de ensaio (16,0 x 1,5cm) com 9mL de água destilada estéril

(10-1 a 10-5) e, para cada diluição, plaqueadas três alíquotas de 0,1mL em 20mL de

meio de cultura TSA (Triptcase Soil Agar) pelo método de derramamento em

63

placa (pour plate) em placas de petri (15 x 1cm). A Figura 3.7 ilustra as diluições

de 10-1 a 10-5 de 1g da amostra de solo em água destilada estéril em tubos de

ensaio.

Figura 3.7 – Diluições de10-1 a 10-5 de 1g da amostra de solo em água destilada estéril em tubos de ensaio

A Figura 3.8 representa um diagrama esquemático das etapas do método de

derramamento em placa.

64

Figura 3.8 - Diagrama esquemático do método de derramamento em placa.

O número de unidades formadoras de colônias (U.F.C./g solo) foi determinado

por contagem de colônias em uma lupa, marca PHOENIX, modelo CP602, em

observações a olho nú, após sete dias de incubação em estufa a 32ºC. Observações

em microscópio esteroscópio foram feitas para avaliar uma possível indicação de

mudança no perfil populacional.

Das amostras de solo que foram coletadas em campo nas condições iniciais

realizaram-se análises microbiológicas onde a população cultivável é de

aproximadamente 106/mL em média.

Essas determinações foram feitas por Rocha (2002) no Laboratório de

Microbiologia do Departamento de Engenharia Civil da PUC-Rio.

1g de solo

9mL de água destilada

1mL 1mL 1mL 1mL

Tubos de ensaio

10 -2 10 -3 10 -4 10 -510 -1

0,1mL 20mL

Meio TSA 10%

10 -5

10 -3

10 -4

10 -5 10 -5

10 -4 10 -4

10 -3 10 -3

65

33..22

DDeessccrriiççããoo ddaa CCéélluullaa EElleettrroocciinnééttiiccaa

A célula eletrocinética foi desenvolvida no laboratório de Geotecnia e Meio

Ambiente da PUC e teve a sua eficácia atestada por Rivas (2002). A célula foi

elaborada com material que permitisse a visibilidade dos processos eletrocinéticos

e foi adaptada com o intuito de obter o maior número de parâmetros durantes os

ensaios.

O material acrílico da célula garante o isolamento e a resistência às reações

eletroquímicas decorrentes do ensaio. A Figura 3.9 apresenta um diagrama

esquemático da célula utilizada no programa experimental.

Figura 3.9 – Detalhes da célula de eletrocinese. a) fixador do eletrodo;b) eletrodo; c) reservatório (eletrólitos); d) reservatório para amostra de solo de 50mm de comprimento.

A parte central da célula (Figura 3.9-d) acomoda o corpo de prova e possui

50mm de comprimento. A ela estão acoplados os reservatórios dos eletrólitos

(Figura 3.9-c) onde estão adaptados os eletrodos de aço inox 316 (Figura 3.9-b)

que distam a 88,5mm da amostra de solo, garantindo assim, uma homogeneidade

na aplicação do potencial elétrico. A Figura 3.10 ilustra a célula de eletrocinese

montada para um experimento.

60 mm 36,5 mm

50 mm 3”

46 m

m

18 mm

30 mm

furo de φ ½”

Elet

rodo

de

aço

inox

idáv

el

φ 1

½”

φ 2

¼”

φ 4

”

φ ½

”

φ 5 / 32

” 3,45 mm

4 mm

0 50 mm

a ) b ) c ) d )

66

Figura 3.10 - Célula de eletrocinese.

A aplicação da diferença de potencial (d.d.p) entre os eletrodos, vistos na

Figura 3.11, é realizada através de uma fonte DC. Durante o ensaio são feitas

leituras de corrente elétrica, volume percolado e pH nos eletrólitos.

a) b)

Figura 3.11 - Eletrodo de aço inox 316. a) eletrodo; b) detalhe do fixador de eletrodo engatado no reservatório e o eletrodo.

Orificio para conexão de cabos elétricos

67

Na Figura 3.12 pode ser observado o conjunto: célula de eletrocinese,

fonte Minipa (modelo – MPC 303D) e multímetro digital ilustrando o ensaio em

andamento.

Figura 3.12 - Experimento montado: célula de eletrocinese, fonte Minipa e multímetro digital.

A corrente elétrica e potencial elétrico são medidos através de um

multímetro digital (Minipa, modelo – ET 1502) e o fluxo eletro-osmótico (volume

percolado) através de pipetas graduadas de 10mL de capacidade e 0,1 mL de

resolução. As pipetas são acopladas à célula por intermédio de luvas de PVC

inseridas na parte superior dos reservatórios dos eletrólitos de 110mL de

capacidade, conforme ilustrado na Figura 3.13.

Figura 3.13 - Detalhe do encaixe da pipeta graduada na luva de PVC encaixada no reservatório da célula de eletrocinese.

68

O pH é medido através de papéis colorimétricos. As tiras são introduzidas

nas luvas de PVC durante o ensaio. Não se utilizou o potenciômetro para evitar a

contaminação microbiológica dos eletrólitos, visto que, para a determinação do

pH com este instrumento seria necessário retirar do reservatório uma alíquota de

água para sua medição. Dessa forma, evita-se, também, interferir nas reações

químicas ocorrentes nos eletrólitos, que são responsáveis pelo fluxo eletro-

osmótico e a migração de íons. No entanto, antes e depois do ensaio as medidas de

pH foram feitas por um potenciômetro Orion, modelo - (290A), Figura 3.14.

Figura 3.14 - Potenciômetro digital Orion, modelo – 290A.

33..33

MMeettooddoollooggiiaa ddoo EEnnssaaiioo

A amostra de solo é reconstituída em laboratório procurando simular, na

medida do possível, as condições in situ. Para isto, ela é seca ao ar, destorroada e

passada na peneira #40. É misturada mecanicamente com água destilada (com pH

ajustado a 7,0 com hidróxido de sódio) em uma cápsula até atingir um teor de

umidade equivalente a 1,25 do seu limite de liquidez (ωL). O pH da água destilada

foi ajustado para 7,0 devido a ambientes inicialmente neutros apresentarem efeitos

da eletrólise em menor escala e uma redução gradual no fluxo eletro-osmótico

(Rivas 2002), assim como mais propício ao crescimento de microorganismos

69

(Alshawabkeh et al., 2000). Após atingir uma umidade equivalente à 1,25ωL, a

amostra é colocada na parte central da célula sob uma base de acrílico com auxílio

de uma espátula, em camadas, e agitada em um vibrador mecânico procurando

evitar a formação de bolhas de ar no interior do solo. A Figura 3.15 mostra em

detalhe a base de acrílico utilizada nesta etapa do ensaio.

Figura 3.15 - Detalhe da base de acrílico usada como suporte da parte central da célula de eletrocinese no ensaio.

Em seguida, a amostra é compactada em quatro estágios de 24 horas cada

um. Em cada estágio era adicionado um nível de tensão de 60kPa para

proporcionar um rearranjo dos grãos, evitando assim, a presença de caminhos

preferenciais de fluxo.

A Figura 3.16 ilustra a compactação da amostra através de um sistema de

peso morto. O sistema consiste de um pistão de PVC posicionado em uma guia

acoplada na parte central da célula onde as anilhas são posicionadas.

70

Figura 3.16 - Compactação da amostra.

Após a compactação, a parte central da célula é montada com seus

respectivos reservatórios, sendo que, a separação solo x eletrólito se dá por meio

de um papel filtro Whatman nº 40 para evitar o carreamento de partículas pelo

fluxo eletro-osmótico.

Devido à realização de análises microbiológicas, tornaram-se necessários

alguns cuidados especiais para garantir a esterilidade do sistema, e, portanto a

confiabilidade nos resultados. Assim, adotou-se o seguinte procedimento:

- a célula era deixada em banho por 24horas com detergente laboratorial,

tipo DETERTEC ou similar, e depois lavada com água a 60ºC;

- todos os instrumentos (peneira #40mm, cápsulas, espátulas, pipetas,

erlenmeyers e seringas) utilizados no ensaio foram também deixados em

banho por 24horas e depois levados à autoclave por aproximadamente 20

minutos a 120ºC;

- o papel filtro Whatman nº 40 (φ = 0,40µm) utilizado para a separação solo

x eletrólito também foi levado ao autoclave por 20 minutos a 120ºC;

- a água destilada com pH ajustado a 7,0 com hidróxido de sódio foi

esterilizada na autoclave por 20minutos a 120ºC;

- a solução de nitrato era filtrada antes de ser colocada no reservatório

(eletrólito) sendo que, o filtro e a membrana filtrante (Schleicher &

Schuell, 0,45µm) utilizada foram devidamente esterilizadas na autoclave

por 30 minutos a 120ºC.

71

Com o conjunto montado, os reservatórios são preenchidos com a solução

desejada e por meio de cabos, ligados aos eletrodos e conectados em uma fonte.

Em seguida, aplicava-se uma diferença de potencial, d.d.p. de 7,5V. O gradiente

de potencial elétrico de 7,5V foi estipulado com base nos experimentos de Rivas

(2002), que constatou uma maior eficiência do processo para este potencial.

As leituras obtidas durante o monitoramento dos ensaios serve como base

para a determinação do fluxo eletro-osmótico que é descrito a partir da equação

(3.3):

AikQ ee ××= (3.3)

onde,

Q – volume de fluxo hidráulico (cm3/s)

ke - coeficiente de condutividade eletro-osmótica (cm2/s.V)

ie – gradiente elétrico aplicado (V/cm)

A – área transversal da amostra de solo (cm2)

Sendo ie definido como:

LVie =

V – potencial elétrico aplicado (volts)

L- comprimento da amostra de solo (cm)

Substituindo o gradiente elétrico na equação (3.3) tem-se o coeficiente de

condutividade eletro-osmótica (ke) que mostra o desenvolvimento do fluxo eletro-

osmótico durante a aplicação de dada tensão conforme a equação (3.4):

AVLQke ×

×= (3.4)

A eficiência do ensaio eletrocinético é inversamente proporcional à

magnitude da constante de eficiência eletro-osmótica (ki) obtida pela relação entre

a corrente elétrica e o fluxo eletro-osmótico gerado em um mesmo intervalo de

tempo, ou seja:

72

QIki = (3.5)

Onde,

I- corrente elétrica (µA)

ki = constante de eficiência eletro-osmótica (µA/cm3/s)

33..44

EEnnssaaiiooss RReeaalliizzaaddooss

Um programa de ensaios foi elaborado para avaliar experimentalmente a

eficácia da técnica eletrocinética, a influência da aplicação do gradiente de

potencial elétrico sobre a sobrevivência de microrganismos nativos do solo e a

taxa de transporte de nutrientes em amostra de solo residual via eletrocinese.

O programa experimental consistiu em 4 baterias de ensaios que por etapas

pudessem validar o proposto trabalho:

Bateria 1: Avaliação do efeito da compactação do solo na prensa edométrica

sobre a sobrevivência dos microrganismos.

Bateria 2: Avaliação da eficiência do processo eletrocinético.

Bateria 3: Influência da eletrocinese sobre a sobrevivência dos microrganismos.

Bateria 4: Avaliação do transporte de nutrientes via eletrocinese e da influência

do transporte de nitrato sobre a sobrevivência/crescimento de microrganismos.

Essas baterias serão descritas no capítulo 4.

Os parâmetros determinados antes, durante e após o término dos ensaios

eletrocinéticos foram:

(a) Antes da aplicação da corrente elétrica

- pH da água destilada

- pH da solução de nitrato de amônio

- pH do solo

73

- teor de umidade do solo (%)

- concentração de nitrato de amônio no solo (ppm)

- concentração de nitrato de amônio na água destilada e na solução de

nitrato de amônio em ppm

- quantidade de U.F.C./g de solo (unidades formadoras de colônias de

bactérias e fungos heterotróficos)

(b) Durante o ensaio de eletrocinese

- pH da solução dos eletrólitos (catodo e anodo)

- volume de líquido percolado (mL)

- corrente elétrica (µA)

- potencial elétrico (V)

- tempo (horas)

(c) Imediatamente após o término do ensaio de eletrocinese

Na solução dos eletrólitos :

- pH

- concentração de nitrato de amônio (ppm)

- quantidade de U.F.C./mL da solução afluente e efluente

No solo:

- Ao término de cada ensaio eletrocinético, o corpo de prova, depois de

retirado da célula, foi dividido em três partes iguais transversalmente.

Cada porção foi homogeneizada assepticamente e novamente dividida em

duas alíquotas; uma sendo imediatamente processada para análise e a outra

incubada a temperatura ambiente em recipiente estéril por uma semana.

Este último teve como objetivo avaliar se houve recuperação/estímulo do

crescimento microbiano após a aplicação da corrente elétrica, sendo

determinada a quantidade de U.F.C./g de solo e teor de umidade (%). Para

a primeira alíquota foram determinados pH, teor de umidade (%),

concentração de nitrato de amônio (ppm) e quantidade de U.F.C./g de solo.

74

A análise microbiológica nas soluções dos eletrólitos tornou-se necessária para

avaliar a esterilidade do experimento, visto que, devido ao manuseio, poderia

ocorrer contaminação microbiológica pelo meio externo.

44

EEnnssaaiiooss RReeaalliizzaaddooss

Os ensaios eletrocinéticos realizados tiveram como principal objetivo à

avaliação do transporte de nutrientes via eletrocinese visando futuras aplicações na

biorremediação de solos. A sobrevivência e crescimento dos microrganismos quando

submetidos a eletrocinese e injeção de nutrientes também foram avaliados.

Os ensaios foram divididos em quatro baterias, as quais buscaram abranger

todos os parâmetros necessários para a avaliação proposta. A primeira bateria

destinou-se a avaliação da compactação do solo sobre a sobrevivência dos

microrganismos. Na segunda bateria pretendeu-se avaliar o processo eletrocinético.

A terceira bateria, buscou-se avaliar a influência da eletrocinese sobre a

sobrevivência dos microrganismos. Finalmente na quarta bateria, avaliou-se a

influência do transporte de nutrientes via eletrocinese sobre a sobrevivência/

crescimento de microrganismos.

44..11

BBaatteerriiaa 11:: AAvvaalliiaaççããoo ddoo eeffeeiittoo ddaa ccoommppaaccttaaççããoo ddoo ssoolloo nnaa pprreennssaa eeddoommééttrriiccaa

ssoobbrree aa ssoobbrreevviivvêênncciiaa ddooss mmiiccrroorrggaanniissmmooss..

A avaliação do efeito da compactação do solo sobre a sobrevivência dos

microrganismos foi realizada nesta bateria em prensas.

O programa de ensaios consistiu em reproduzir o corpo de prova da célula

eletrocinética, onde a amostra de solo foi misturada mecanicamente a água destilada

em uma cápsula, até atingir um teor de umidade equivalente a 1,25 vezes do seu

limite de liquidez (ωL). A água destilada utilizada nos ensaios teve seu pH ajustado

com hidróxido de sódio em 7,0. Depois a amostra foi colocada em um cilindro de

PVC com 38,5mm de diâmetro e 50mm de altura, que foi ajustada a bacia da prensa

edométrica. A Figura 4.1 mostra o detalhe do ajuste do cilindro de PVC na bacia da

prensa edométrica no ensaio já montado.

76

Figura 4.1 – Ensaio de compactação na prensa edométrica.

Os primeiros ensaios foram realizados em quatro prensas edométricas para

quatro corpos de prova confeccionados simultaneamente buscando obter as mesmas

condições iniciais de grau de saturação, teor de umidade e população microbiana. Os

corpos de prova foram submetidos a uma tensão de 60kPa tendo durações de 24

horas, 96 horas, 168 horas e 336 horas sendo, então, retirados e submetidos a

análises físicas (umidade) e microbiológicas (UFC/g de solo).

Os ensaios subseqüentes foram realizados em apenas três prensas, visto a

indisponibilidade de uma das prensas no laboratório. Foram então submetidos a

tensões de 100, 150 e 250kPa com durações de 96 horas, 168 horas e 336 horas

seguindo ao final de cada ensaio as mesmas análises dos primeiros ensaios.

Houve a dificuldade de manter a esterilidade do ensaio devido a sua longa

duração. Foi necessário fazer reposição da água colocada na bacia edométrica, que

teve por finalidade evitar o secamento do corpo de prova. Este procedimento gerava

uma nova situação microbiológica, visto que, a água em contato com o ambiente

laboratorial provavelmente era contaminada, podendo então, contaminar o corpo de

prova e dessa forma influenciar o seu crescimento microbiano.

Essa bateria consistiu de 13 ensaios, sendo:

a) 4 submetidos a uma tensão de 60kPa

b) 3 submetidos a uma tensão de 100kPa

c) 3 submetidos a uma tensão de 150kPa

77

d) 3 submetidos a uma tensão de 250kPa

A Tabela 4.1 ilustra os índices físicos medidos no solo para as condições iniciais

de ensaio.

Tabela 4.1 – Índices físicos medidos no solo para as condições iniciais.

Ensaios Duração

horas

ω0

%

ωf

%

γinicial

kN/m3 e0

S0

%

24 90,60 46,39 14,42 2,41 98,87

96 90,60 41,65 14,52 2,41 98,87

168 90,60 46,77 14,42 2,42 98,4660kPa

336 90,60 43,90 14,42 2,42 98,46

96 76,29 37,82 15,11 2,02 99,33

168 76,29 35,74 14,91 2,06 97,40100kPa

336 76,29 37,30 15,01 2,02 99,33

96 70,86 35,59 15,30 1,89 98,60

168 70,86 34,19 15,30 1,89 98,60150kPa

336 70,86 45,93 15,30 1,89 98,60

96 78,96 32,80 15,01 2,09 99,36

168 78,96 32,54 15,01 2,09 99,36250kPa

336 78,96 34,59 15,01 2,09 99,36

Ao final das análises foi avaliado o comportamento da população microbiana no

solo submetido a diferentes níveis de tensão vertical.

A Figura 4.2 representa a variação da população microbiana conforme o

acréscimo de tensão.

78

0

5

10

15

20

25

UFC

/g s

s (x

105 )

0 dia 1 dia 4 dias 7 dias 14 dias

60kPa

100kPa

150kPa

250kPa

Figura 4.2 - Variação da população microbiana conforme o acréscimo de tensão.

Observa-se uma tendência a um aumento da população microbiana, durante os

primeiros dias dos ensaios, seguidos imediatamente por uma redução até

aproximadamente os níveis iniciais. A Figura 4.2 indica que essa redução ocorre

independentemente da tensão aplicada.

Sugere-se que a provável redução no índice de vazios e no teor de umidade não

tenha desempenhado papel determinante no comportamento observado.

Provavelmente, os microrganismos mais adaptados às novas condições proliferaram

com maior eficiência. Contudo, tanto o aumento quanto a redução da população

microbiana com o tempo foram relativamente pequenas, não chegando a uma ordem

de grandeza. Sugere-se, então que, o nível de tensão na qual uma massa de solo está

submetida não afeta significativamente a população microbiana.

Sendo este solo pobre em matéria orgânica e nutrientes, o aumento da população

microbiana poderá ter ocasionado maior consumo e, conseqüentemente, menor

disponibilidade de nutrientes para a população microbiana sobrevivente. Com o

passar do tempo isto resultaria no retorno da quantidade de microrganismos viáveis e

cultiváveis detectados no solo no início do ensaio.

79

44..22

BBaatteerriiaa 22:: AAvvaalliiaaççããoo ddaa eeffiicciiêênncciiaa ddoo pprroocceessssoo eelleettrroocciinnééttiiccoo..

Para a avaliação da eficiência do processo eletrocinético foram feitos ensaios

buscando uma adequação a metodologia e avaliação do comportamento do solo com

aplicação de potencial elétrico (7,5V). Nesses ensaios os reservatórios foram

preenchidos com água destilada estéril com o pH ajustado em 7,0, através da adição

de hidróxido de sódio, controlada com a utilização de um potenciômetro.

A Tabela 4.2 ilustra os índices físicos iniciais e finais dos corpos de provas. Tabela 4.2 - Índices físicos iniciais e finais dos corpos de provas.

Ensaios Duração

dias ω0

%

ωf

%

γinicial

kN/m3

γ final

kN/m3

e0 ef S0

%

Sf

% 0

0

ωωω −f

Volume percolado

mL

EK 02 7 37,22 42,11 17,56 17,27 1,02 1,12 95,97 98,88 0,13 2,10

EK 03 9 36,15 45,52 17,52 17,06 1,00 1,21 95,07 98,94 0,26 0,95

EK 04 7 34,86 41,27 17,85 17,33 0,95 1,10 96,51 98,67 0,18 2,35

EK 13 12 42,18 48,86 17,27 16,68 1,12 1,29 99,05 99,61 0,16 3,4

Esses ensaios tiveram duração máxima de 335 horas. Cada ensaio foi

interrompido quando a corrente elétrica gerada pelo potencial elétrico caía a valores

ínfimos que não permitiam o seu monitoramento.

A Figura 4.3 apresenta a variação temporal de fluxo nos quatro ensaios.

Observa-se um padrão extremamente errático de fluxo em todos os ensaios. Não foi

possível notar nenhuma correlação entre o fluxo em cada ensaio e os índices

mostrados na Tabela 4.2. Apenas contemplou-se um menor fluxo nos ensaios que

tiveram uma maior variação relativa do teor de umidade, isto é, os ensaios EK 03 e

EK 04. Possivelmente, nestes ensaios, a umidade carreada pela eletro-osmose

permaneceu no interior do corpo de prova e não migrou para o compartimento dos

eletrólitos, onde o fluxo era medido.

80

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

Volu

me

acum

ulad

o pe

rcol

ado

(mL)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

21,5

22

22,5

23

23,5

24

24,5

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100t (h)

T(ºC

)

catodo anodo

14:09 17:10 21:30 9:00 19:00 8:45 10:35 16:50

Figura 4.3 - Volume acumulado percolado durante os ensaios eletrocinéticos.

No ensaio EK02 foi realizado o monitoramento da temperatura nos

eletrólitos, por intermédio de um potenciômetro digital da marca ORION, modelo

290-A. A Figura 4.4 ilustra as medições realizadas no decorrer de 100 horas.

Figura 4.4 – Variações de temperatura nos eletrólitos durante o ensaio eletrocinético.

81

Observou-se que a temperatura nos eletrólitos variou muito pouco, entre

21,9ºC e 23,8ºC. Essa variação ocorreu devido ao expediente no laboratório,

havendo um aumento na temperatura no período noturno quando os aparelhos de ar

condicionados eram desligados no final do expediente por causa do racionamento de

energia ocorrido. Esse comportamento também foi constatado por Rivas (2002), que

realizou o monitoramento da temperatura no mesmo ambiente laboratorial.

Devido à variação de temperatura realizou-se um ensaio paralelo de

evaporação. O ensaio consistiu no monitoramento do nível d’água em uma proveta

graduada de 25mL de capacidade volumétrica. Durante o decorrer do ensaio EK 02

verificou-se a perda de evaporação de cerca de 2 mL. Para minimizar este problema,

resolveu-se envolver a extremidade da bureta com papel alumínio. Esta foi uma

solução apenas paleativa, posto que se continuou a existir perdas por evaporação da

ordem de 0,25mL.

Os ensaios mostraram que o início do fluxo eletro-osmótico depende do

modo da preparação do corpo de prova. Quando permanece a presença de bolhas no

corpo de prova há um retardo no fluxo. Observou-se visualmente que os vazios iam

sendo fechados com o início do mesmo.

Foram visualizados nos ensaios, os efeitos das reações eletroquímicas que

formam gases e trincas radiais no centro no corpo de prova. Essas trincas interferem

no fluxo por criarem linhas de fluxo preferenciais e alterarem a condutividade

hidráulica e elétrica ao longo da amostra. A Figura 4.5 mostra o detalhe da célula

eletrocinética com amostra de solo fissurada e a presença de bolhas no eletrólito do

catodo. a) b)

Figura 4.5 - Detalhe da célula eletrocinética com: a) amostra de solo fissurada na região próxima ao eletrólito do anodo; b) presença de bolhas no eletrólito (catodo).

82

0

2

4

6

8

10

12

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

pH

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

catodo

anodo

Durante os ensaios houve monitoramento do pH nos eletrólitos e foi

observada uma mudança em relação ao pH inicial. A variação do pH ocorre devido

ao transporte de íons hidrogênio (H+) pela eletrólise. A migração de H+ geralmente

ocorre do anodo para o catodo como uma frente ácida predominantemente por eletro-

osmose e eletromigração. Ocorre também a migração das hidroxilas (OH-),

geralmente do catodo para o anodo como uma frente básica por eletromigração e

difusão. Entretanto, o avanço da frente ácida é mais rápido devido uma maior

mobilidade iônica do H+ em relação ao íon OH-.

Durante os ensaios depois de aproximadamente 3 horas, o eletrólito entorno

do anodo se estabeleceu com um valor de pH entre 3,0 e 4,0, enquanto que entorno

do catodo o pH ficou entre 9,0 e 10,0. A Figura 4.6 mostra a mudança no pH nos

eletrólitos durante o ensaio eletrocinético.

Figura 4.6 – Variações de pH nos eletrólitos durante os ensaio eletrocinéticos.

Ao final do ensaio o corpo de prova foi dividido transversalmente em três

partes iguais e então medido o pH de cada fatia. A Figura 4.7 representa a variação

no pH ao longo da célula eletrocinética.

83

Figura 4.7 – Variação no pH ao longo da célula eletrocinética.

Verificou-se uma variação de pH ao longo do corpo de prova. Na região do

corpo de prova mais próxima ao catodo, representada na Figura 4.7 pela distância

normalizada de 0,38, o pH aumentou de 4,9 para aproximadamente 6,0, fruto da

migração do íon OH-. Na região central do corpo de prova, representada pela

distância normalizada de 0,5, o pH praticamente não variou, com exceção do ensaio

EK 04. Já na região mais próxima ao anodo, representada pela distância normalizada

de 0,62, houve uma ligeira redução do pH fruto da migração do íon H+. Dada a

pequena magnitude do fluxo, não se observou uma migração da frente ácida.

Os níveis de corrente elétrica (I) contínua medidos nos ensaios foram da

ordem de microamperes (µA). A Figura 4.8 ilustra a variação da corrente nos ensaios

eletrocinéticos.

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0

pH

0,00 0,38 0,50 0,62 1,00Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

sentido do fluxo eletro-osmótico

corpo de prova eletrólito do eletrólito do catodo

84

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

I (µA

)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

Figura 4.8 - Variação da corrente nos ensaios eletrocinéticos.

Verificou-se um comportamento errático em todos os ensaios. Contudo,

houve uma redução da corrente elétrica com o decorrer do ensaio.

No ensaio EK 04 percebe-se que a corrente inicial possui valor alto em

relação aos outros ensaios. Neste ensaio a água estéril que preencheu os reservatórios

estava em torno de 34,5ºC, pois fora colocada imediatamente após ser retirada da

autoclave. Nos ensaios subseqüentes procurou-se manter a temperatura inicial da

água aproximadamente igual entre 21 e 24ºC de acordo com a temperatura do

ambiente.

Também foi observado que ao final do ensaio a variação média da umidade é

mínima no interior do corpo de prova. A Figura 4.9 representa a variação de umidade

no corpo de prova.

85

Figura 4.9 - Variação do teor de umidade no corpo de prova.

Através dos parâmetros medidos durante os ensaios eletrocinéticos (corrente

elétrica, voltagem e volume percolado) podemos obter os coeficientes de

condutividade eletro-osmótica (ke) e eficiência eletro-osmótica (ki). Os valores de ke

expressam o desenvolvimento do fluxo eletro-osmótico durante a aplicação do

gradiente de potencial elétrico. A Figura 4.10 ilustra a variação dos valores de ke com

o tempo.

35

40

45

50

55

ω (%

)

0,38 0,50 0,62Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

sentido do fluxo eletro-osmótico

centro anodocatodo

86

Figura 4.10 - Valores de ke durante o ensaio eletrocinético.

Notou-se que no início do ensaio foram atingidos altos valores de ke, havendo

um decréscimo e uma posterior estabilização com o decorrer do tempo. O

comportamento inicial pode ser explicado devido ao início do fluxo eletro-osmótico,

onde a tendência da vazão é aumentar e a da corrente diminuir. Com o decorrer do

tempo tanto à vazão quanto a corrente tendem a se estabilizar levando ke a um

comportamento constante condizente com a equação 3.4.

O coeficiente de eficiência eletro-osmótica (ki) é regido pela equação 3.5 e

também dependente da corrente e da vazão apresentando a mesma tendência de

comportamento de ke, com altos valores no início do ensaio que vão diminuindo com

o tempo, conforme ilustra a Figura 4.11.

0,0E+00

2,0E-07

4,0E-07

6,0E-07

8,0E-07

1,0E-06

1,2E-06

1,4E-06

1,6E-06

1,8E-06

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

k e (c

m2 /s

*V)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

87

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

k i (A

/cm

3 /s)

EK 02 EK 03 EK 04 EK 13

Figura 4.11 - Valores de ki durante o ensaio eletrocinético.

44..33

BBaatteerriiaa 33:: IInnfflluuêênncciiaa ddaa eelleettrroocciinneessee ssoobbrree aa ssoobbrreevviivvêênncciiaa ddooss

mmiiccrroorrggaanniissmmooss..

A influência da eletrocinese sobre a sobrevivência dos microrganismos foi

avaliada nessa bateria.

Os ensaios EK 02, EK 03, EK 04 e EK 13 da bateria anterior foram

denominados nesta etapa “controle”, onde foram realizadas análises microbiológicas

do solo e das soluções dos eletrólitos. O objetivo dessa bateria foi avaliar a

sobrevivência de populações microbianas naturais em solo submetido a eletrocinese.

Nesses ensaios toda a instrumentação e objetos de manipulação e composição do

ensaio foram devidamente esterilizados como citado no item 3.4. Os reservatórios

foram preenchidos com água destilada estéril ajustada a um pH igual a 7,0 com

hidróxido de sódio e o fluxo eletro-osmótico foi no sentido do anodo para o catodo.

As análises microbiológicas foram feitas em diferentes etapas do ensaio,

conforme descritas na seção 3.5 (a, b e c) e resumidas em:

(1) no solo armazenado;

(2) no solo submetido à compactação;

(3) no solo e nas soluções dos eletrólitos no final do ensaio, após a aplicação

do potencial elétrico;

88

(4) no solo incubado por sete dias após o término do ensaio eletrocinético.

A Figura 4.12 apresenta a morfologia das colônias em diferentes estágios do

experimento eletrocinético em placas de petri.

a) b)

c) d)

Figura 4.12 - Exemplos de placas de petri com morfologia das colônias em vários estágios do experimento eletrocinético. a) amostra de solo após a compactação; b) amostra de solo após a aplicação do potencial elétrico; c) solução do eletrólito (anodo) no final do ensaio; d) solução do eletrólito (catodo) no final do ensaio.

A análise morfológica das colônias sugere mudanças ao longo do tempo e

indica uma necessidade de avaliação da mudança do perfil microbiano por métodos

de biologia molecular. As Figuras 4.12 (c) e (d) mostram a presença de bactérias e

fungos, respectivamente, podendo sugerir que mudanças no pH em torno do catodo e

anodo tenham favorecido o crescimento diferencial desses tipos de microrganismos.

89

0

5

10

15

20

25

30

35

UFC

/g s

s ( x

105 )

solo armazenado solo compactado solo após a eletrocinese solo incubado por 1semana

EK 03

EK 13

EK 04

Não se descarta, entretanto, a possível ocorrência de contaminação durante a

manipulação.

A análise microbiológica nos eletrólitos foi realizada no intuito de monitorar

uma possível contaminação do meio externo. Porém, percebeu-se que com o passar

dos ensaios a contaminação diminuiu e que a população microbiana existente na

solução dos eletrólitos era visualmente diferente da do solo. Esse fato pode ser

explicado porque entre o solo e a solução há um papel filtro Whatman nº 40 com

diâmetro de poros de 0,40µm que impede a passagem de microrganismos. Levando

em conta, que grande parte dos microrganismos apresenta tamanho superior à

0,40µm, considerou-se que os microrganismos presentes no corpo de prova não

atingiram os eletrólitos dada a barreira constituída pelo papel filtro. Assim,

considerou-se desnecessário a realização de análises de cunho microbiológico nos

eletrólitos.

A Figura 4.13 sugere que não houve uma alteração significativa do nível

populacional durante aplicação do potencial elétrico.

Figura 4.13 – Análises microbiológicas realizadas no solo em várias etapas do ensaio eletrocinético.

Pôde-se observar que há um aumento de uma ordem de grandeza da

população original durante a incubação de uma semana em temperatura ambiente

após o final da eletrocinese. Em um estudo recente, Alshawabkeh (2000), percebeu

90

0

10

20

30

40

50

60

70

UFC

/g s

s ( x

105

)

0,38 0,50 0,62Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 13 EK 15

sentido do fluxo eletro-osmótico

centro anodocatodo

que há uma tendência de recuperação da atividade microbiana após uma mudança no

ambiente no caso de aplicação de potencial elétrico.

Não foram observadas correlações entre o aumento populacional e outros

parâmetros medidos, o que sugere, a priori, que a própria corrente elétrica não tenha

algum efeito maléfico sobre os microrganismos.

A Figura 4.14 apresenta a distribuição da população microbiana

imediatamente após o término da aplicação do potencial elétrico. Verificou-se uma

maior densidade populacional nas proximidades do anodo. Os resultados sugerem

que houve um transporte microbiano em direção ao anodo, posto a existência de

carga elétrica negativa geralmente presente na superfície celular (de Flaun &

Condee, 1997). Ademais foi verificado que não houve estímulo do crescimento de

microrganismos viáveis e cultiváveis durante o ensaio.

Figura 4.14 – Distribuição da população microbiana em solo residual imediatamente após o término da aplicação do potencial elétrico.

Já a Figura 4.15 apresenta a distribuição da população microbiana nas

amostras incubadas por uma semana após o término da aplicação do potencial

elétrico. Percebeu-se que houve um crescimento na população microbiana no solo

incubado por uma semana após o término do ensaio eletrocinético. Isto ocorre

provavelmente devido ao pH final da amostra de solo adjacente a região do catodo

91

0

10

20

30

40

50

60

70

UFC

/g s

s (

x 10

5 )

0,38 0,50 0,62Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 13 EK 15

sentido do fluxo eletro-osmótico

centro anodocatodo

estar em torno de 5,7, valor este, mais próximo do pH natural do solo de 4,9. Este

fato pode ser uma possível razão do maior estímulo do crescimento microbiano neste

pólo do que na região adjacente do anodo, cujo pH no final do ensaio eletrocinético

era de 4,1.

Figura 4.15 – Distribuição da população microbiana em solo residual incubado por uma semana após o término da aplicação do potencial elétrico.

Foi verificada uma aparente contradição entre os resultados observados nos

ensaios submetidos a diferentes níveis de tensão, vistos na Figura 4.2, e os resultados

dos ensaios eletrocinéticos, vistos na Figura 4.14. Nos primeiros, o número de

microrganismos após aumentarem nos primeiros dias do ensaio, sofreram uma

redução considerável voltando ao patamar inicial após 14 dias. Nos últimos, foi

observado um aumento da densidade populacional mesmo após 18 dias. Sugere-se

que este estímulo pode ter sido causado pelo efeito do potencial elétrico ou pelo

possível transporte de nutrientes na direção do catodo.

92

44..44

BBaatteerriiaa 44:: AAvvaalliiaaççããoo ddoo ttrraannssppoorrttee ddee nnuuttrriieenntteess vviiaa eelleettrroocciinneessee ee ddaa

iinnfflluuêênncciiaa ddoo ttrraannssppoorrttee ddee nniittrraattoo ssoobbrree aa ssoobbrreevviivvêênncciiaa//ccrreesscciimmeennttoo ddee

mmiiccrroorrggaanniissmmooss..

A avaliação do transporte de nutrientes via eletrocinese e a influência do

transporte de nitrato sobre a sobrevivência/crescimento de microrganismos foi

realizada nessa bateria.

A Tabela 4.3 ilustra os valores dos índices físicos iniciais e finais dos corpos

de provas.

Tabela 4.3 - Índices físicos iniciais e finais dos corpos de provas. Ensaios Duração

dias ω0

%

ωf

%

γinicial

kN/m3

γ final

kN/m3

e0 ef S0

%

Sf

% 0

0

ωωω −f

Volume percolado

mL

EK 06 13 37,02 47,80 17,77 16,85 0,99 1,27 98,35 98,99 0,29 3,04

EK 07 10 42,20 47,41 17,36 16,91 1,12 1,25 99,09 99,75 0,12 5,80

EK 08 12 43,04 48,06 17,23 16,85 1,14 1,27 99,29 99,53 0,12 3,70

EK 09 6 38,17 46,81 17,73 16,96 1,02 1,25 98,42 98,49 0,23 2,11

EK 10 10 42,58 50,35 17,31 16,68 1,14 1,33 98,23 99,56 0,18 17,40

EK 11 16 38,45 47,41 17,74 16,91 1,02 1,25 99,14 99,75 0,23 12,81

EK 12 12 41,10 51,75 17,37 16,56 1,09 1,37 99,17 99,34 0,26 21,90

EK 17 10 38,76 44,30 17,62 17,14 1,04 1,17 98,02 99,58 0,14 11,60

EK 18 10 38,42 44,23 17,76 17,20 1,02 1,17 99,06 99,42 0,15 9,20

Foram realizados nove ensaios, sendo que três deles somente com análise

microbiológica. Essa bateria buscou avaliar a eficiência do transporte eletrocinético

de sais de nitrato via eletrocinese e um provável crescimento de populações

microbianas naturais, bactérias e fungos, em solo residual submetido a essa técnica.

A população microbiana cultivável do solo estudado é de aproximadamente 106/mL

em média. Nesses ensaios o eletrólito do anodo foi preenchido por água destilada

estéril com pH ajustado com hidróxido de sódio em 7,0, enquanto que o eletrólito do

catodo por uma solução de nitrato de amônio.

Como a relação Carbono/Nitrogênio (C:N) no solo estudado é de 0,5:0,1

constatou-se a necessidade de injeção de nutrientes, visto que, essa relação pode ser

um fator limitante no crescimento microbiano. Então, por tentativa, procurou-se

93

equilibrar essa relação com diferentes concentrações de solução de nitrato de

amônio, sendo elas: 50mg/L, 300mg/L e 1000mg/L. Isto ocorreu devido à

inexistência na literatura técnica de sugestões de valores para injeção de nutrientes

em solos residuais. Essas concentrações foram medidas de acordo com a

metodologia de Griess – Ilosvay, no item 3.2.3.4. Os valores das concentrações

iniciais da solução de nitrato injetada nos ensaios medidos estão ilustrados na Tabela

4.4.

Tabela 4.4 – Valores das concentrações iniciais de nitrato de amônio injetadas nos ensaios realizados.

Ensaios EK 06 EK 07 EK 08 EK 09 EK 10 EK 11 EK 12 EK 17 EK 18 Concentração da

solução de (NH4NO3) inicial

em mg/L 50 50 50 50 300 300 300 300 1000

Concentração da solução de

(NH4NO3) inicial em mg/L medido pelo método de Griess – Ilosvay

- - - 211 626 626 626 988 2186

Percebe-se que no ensaio EK17 há uma maior concentração de nitrato que

para os outros ensaios com a mesma concentração. Este fato é devido à existência na

água destilada de altas concentrações de nitrato, cerca de 93ppm. A contaminação da

água destilada com nitrato no destilador provavelmente ocorre devido ao mau

manuseio do destilador pelo parte dos usuários do laboratório. Sugere-se a instalação

de uma torneira no reservatório de água destilada para evitar a contaminação da

mesma.

A Figura 4.16 mostra o volume percolado nos ensaios com diferentes

concentrações de nitrato de amônio.

94

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400t (h)

Volu

me

acum

ulad

o pe

rcol

ado

(mL)

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

Figura 4.16- Volume acumulado percolado em ensaios com diferentes concentrações de nitrato.

Os resultados apresentados na Figura 4.16 sugerem que quanto maior a

concentração da solução de nitrato de amônio, maior o fluxo eletro-osmótico. Este

comportamento deve-se a presença de íons carregados negativamente na solução

(NO-3), que aumentam a carga negativa do fluido adjacente à dupla camada difusa.

Com isso, aumenta-se mais rapidamente a alcalinidade do meio e permite a mudança

no potencial zeta, favorecendo o fluxo em sentido contrário, do catodo para o anodo.

O fato de aumentar a concentração de íons carregados eletricamente também pode

explicar o comportamento da corrente (I) e do coeficiente de condutividade eletro-

osmótica (ke) que apresentam valores maiores para os ensaios com injeção de nitrato

de amônio quando comparados com os sem injeção de nitrato. As Figuras 4.17 e

4.18 ilustram esses resultados.

95

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 50 100 150 200 250 300 350 400t (h)

I ( µ

A)

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

0,E+00

5,E-07

1,E-06

2,E-06

2,E-06

3,E-06

3,E-06

4,E-06

4,E-06

0 50 100 150 200 250 300 350 400t (h)

k e (

cm2 /s

*V)

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

Figura 4.17 – Valores da corrente para ensaios com diferentes concentrações de nitrato.

Figura 4.18 – Valores do coeficiente de condutividade eletro-osmótica para ensaios com diferentes concentrações de nitrato.

Notou-se que a maior intensidade da corrente corresponde ao ensaio com

maior concentração de nitrato. A partir de valores da corrente, além de coeficiente de

condutividade eletro-osmótica, também podemos calcular o coeficiente de eficiência

eletro-osmótica (ki), sendo que, os valores de ki apresentaram comportamento

96

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 50 100 150 200 250 300 350 400t (h)

k i (A

/cm

3 /s)

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

inverso ao da corrente, onde o ensaio com maior concentração de nitrato apresentou

uma menor eficiência eletro-osmótica com o tempo, conforme ilustra a Figura 4.19.

Figura 4.19 – Valores do coeficiente de eficiência eletro-osmótica para ensaios com diferentes concentrações de nitrato.

O ensaio EK 18, com uma concentração maior de nitrato de amônio

(1000mg/L), iniciou o fluxo mais rapidamente, porém se estabilizou mais rápido,

tornando-se inerte mesmo depois de novos incrementos de água. Nesse ensaio

observou-se que a concentração utilizada foi maior do que a capacidade de absorção

do solo, portanto saturou-se a capacidade de troca catiônica do solo e gerou um

excesso de reações eletroquímicas nos eletrólitos formando uma coluna de água no

catodo aprisionada pelos gases em formação nesse eletrólito. A Figura 4.20 (a)

ilustra a coluna de água enquanto que a Figura 4.20 (b) mostra em detalhe os gases

gerados.

97

Nível d’água na pipeta

Volume percolado (mL)

(a)

(b)

Figura 4.20 – Ensaio EK 18 mostrando uma coluna de água no catodo formada a partir de gases aprisionados nesse eletrólito; a) ensaio com a coluna de água formada no catodo; b) gases aprisionados nesse eletrólito.

Durante os ensaios observou-se um aparecimento maior de “bolhas”, tanto no

catodo como no anodo, e um número maior de trincas e microfissuras devido ao

fluxo ser mais rápido e em maior volume do que nos ensaios realizados sem a

injeção de nitrato. A Figura 4.21(a) ilustra a formação de bolhas no eletrólito do

Nível d’água na

pipeta

Gases

98

catodo, enquanto que a Figura 4.21(b) ilustra o aparecimento de trincas e

microfissuras no corpo de prova. a) b)

Figura 4.21 – Detalhes da célula eletrocinética. a) formação de bolhas no eletrólito do catodo; b) trincas e microfissuras no corpo de prova.

Observou-se também o surgimento de corrosão nos eletrodos sugerindo que a

eletrólise, além de gerar gases de hidrogênio no catodo e oxigênio no anodo, também

causou oxidação no anodo e redução no catodo. Os desgastes nos eletrodos podem

também ser devidos ao pH e a composição do nutriente, havendo maior deposição e

mudança de coloração nos eletrólitos do anodo devido a maior concentração de

nitrato devido ao fluxo, conforme ilustra a Figura 4.22.

a) b) Figura 4.22 – Detalhe do eletrólito do anodo. a) deposição de íons no eletrodo do anodo; b) coloração amarelada no eletrólito do anodo.

Segundo Alshawabkeh (2001), o material do eletrodo pode interferir nos

processos eletrocinéticos, ou seja, nas reações eletroquímicas e daí no fluxo eletro-

99

Ensaio com injeção de nitrato

Ensaio sem injeção de nitrato catodo anodo

osmótico. Reações de oxidação, dissociação e precipitação podem ocorrer nos

eletrodos de aço afetando assim a eficiência do processo de movimento de água e

mobilização iônica. O eletrodo de aço inoxidável 316 apesar de apresentar uma boa

resistência às reações químicas foi desgastado. A Figura 4.23 ilustra a corrosão

ocorrida nos eletrodos depois do ensaio de eletrocinese com e sem injeção de nitrato.

Figura 4.23 - Corrosão ocorrida nos eletrodos depois do ensaio de eletrocinese.

A Figura 4.24 apresenta a variação de pH em decorrência da aplicação do

potencial elétrica. Observou-se uma similaridade de comportamento entre os ensaios

com injeção de nitrato de amônio com os ensaios onde não houve injeção. Verifica-

se que o pH nas proximidades do anodo teve o seu valor reduzido na totalidade dos

ensaios, porém a redução foi muito pequena. Na região central do corpo de prova o

pH praticamente não variou. Finalmente, observou-se um ligeiro acréscimo no pH na

região próxima ao catodo.

A adição de íons de nitrato no catodo provocou um acréscimo na magnitude

do fluxo eletro-osmótico, como também causou uma inversão no sentido do fluxo. O

carreamento dos ânions na direção do anodo impediu o avanço da frente ácida.

100

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

pH

0,00 0,38 0,50 0,62 1,00

Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

corpo de prova eletrólito do anodoeletrólito do catodo

Verificou-se ainda uma maior concentração de íons H+ gerados pela eletrólise no

compartimento do anodo. Fato este que provocou uma redução ainda mais acentuada

no pH da solução.

Figura 4.24 – Valores de pH em ensaios com e sem injeção de nitrato.

As análises de concentração de nitrato nos ensaios, ilustradas na Figura 4.25,

sugerem o carreamento do íon nitrato no mesmo sentido do fluxo eletro-osmótico,

fenômeno evidenciado por Thevanayagam, 1998.

101

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Con

cent

raçã

o de

NO

3- ( x

102 p

pm)

0,38 0,50 0,62Distância normalizada ao catodo (x/L)

EK 10 (300mg/L) EK 11 (300mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 17 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

sentido do fluxo eletro-osmótico

catodo centro anodo

Figura 4.25 – Comportamento do íon nitrato no corpo de prova.

A concentração inicial de nitrato de amônio contida na amostra de solo foi de

16,81 x 102ppm. Pode-se observar que, em alguns ensaios, ocorreu um acúmulo de

nitrato no catodo. Sugere-se que este fato pode ser devido a uma possível adsorção

dos íons através do eletrólito adjacente evidenciados nos ensaios EK 12 e EK 18.

As análises microbiológicas do ensaio EK 10 com injeção inicial de nitrato

de amônio de 300mg/L, ilustradas na Figura 4.26, mostraram um crescimento da

população na porção do solo onde há maior incidência de concentração de nitrato.

102

0

10

20

30

40

50

60

70

catodo centro anodo

NO3- (x 102 ppm)

UFC/g ss (x 105)

T0

Figura 4.26 - Distribuição de UFC/g ss x concentrações de NO3- no corpo de prova, antes

(T0) e imediatamente após o término da aplicação do potencial elétrico.

De acordo com a Figura 4.26 pôde-se perceber que a concentração de nitrato

aumentou de acordo com a direção do fluxo indicando o transporte do íon na direção

do anodo. O aumento de nitrato foi proporcional ao aumento da população

microbiana cultivável em cada uma das porções do solo. Isto está de acordo com o

fato de que o suprimento de nutrientes é essencial para a sobrevivência e o

crescimento microbiano. Ensaios citados na bateria 3, Figura 4.15, sugeriram que

com a aplicação do potencial elétrico ocorreu um estímulo no crescimento

microbiano fazendo provavelmente com que essa população passasse a consumir o

nitrato inicial existente no solo. O objetivo desta bateria de ensaios foi possibilitar a

injeção de nutrientes como sais de nitrato, que podem ser fatores limitantes do

crescimento microbiano. Esta introdução de um nutriente essencial se torna

necessária para um possível estímulo dessa população em situações nas quais se

deseja que o número de microrganismos e a atividade microbiana seja aumentada,

como no caso de biorremediação de solos contaminados. A Tabela 4.5 ilustra os

valores de U.F.C/g ss medidos no corpo de prova imediatamente após a aplicação do

potencial elétrico e após 1 semana de incubação.

103

Tabela 4.5 – Valores de U.F.C/g ss medidos no corpo de prova.

A Figura 4.27 representa os resultados do ensaio EK 10 de densidade

populacional microbiana no solo incubado por uma semana após o término da

aplicação do potencial elétrico. Os resultados indicam que houve aumento da

população microbiana nas três porções do solo. O mesmo comportamento foi

observado na Figura 4.15 nos ensaios sem nitrato. No entanto, ocorreu um aumento

de seis vezes na população microbiana do solo na região do catodo, enquanto que,

somente um pequeno estímulo na região do anodo.

Os resultados sugerem que tanto o pH mais próximo do solo original de 4,9

quanto à presença de uma maior quantidade de nitrato no solo estimulou um

crescimento microbiano após o término da aplicação do potencial elétrico.

Possivelmente não houve crescimento da população microbiana além de 106/mL pelo

fato do solo ser pobre em matéria orgânica, neste caso, a fonte de carbono pode se

fator limitante do crescimento microbiano.

catodo centro anodo catodo centro anodoEK 03 s/nitrato 5,91 4,79 - 2,36 - - 10,94 -EK 04 s/nitrato 4,44 2,05 - 5,66 - - 32,49 -EK 06 50mg/L 5,11 7,03 - 16,09 - - 11,26 -EK 07 50mg/L 6,02 4,79 - 32,44 - - 41,68 -EK 08 50mg/L 1,85 7,63 22,56 15,02 20,75 22,27 13,03 213,08EK 10 300mg/L 2,04 5,82 1,49 7,08 33,94 13,13 66,58 47,78EK 11 300mg/L 2,97 26,35 0,17 11,38 21,10 15,98 72,91 51,52EK 12 300mg/L 3,44 12,54 10,50 0,26 0,03 174,05 0,12 0,16EK 13 s/nitrato 3,52 4,26 3,74 1,54 13,60 65,79 26,26 30,89EK 15 s/nitrato 2,21 13,61 7,83 9,01 14,05 62,89 23,27 13,03EK 17 300mg/L 2,91 7,90 1,77 2,65 9,43 9,91 6,90 16,60EK 18 1000mg/L 2,91 7,51 1,72 2,63 9,71 7,99 6,12 15,92

DescriçãoEnsaiosarmazenado

após a eletrocinese incubado por 1 semanaU.F.C./g ss (x105)

compactado

104

0

10

20

30

40

50

60

70U

FC/g

ss

( x10

5 )

catodo centro anodoT0

Concentração de NO3- (x 10 2 ppm)

Figura 4.27 - Distribuição de UFC/g ss x concentrações de NO3- no corpo de prova, antes

(T0) e após uma semana de incubação.

44..55

CCoonnssuummoo eenneerrggééttiiccoo

O consumo de energia por unidade de volume de solo é dado por:

LAVI

dtdE

P uu ×

×== (4.1)

onde,

Pu - consumo de energia (kWh/m3)

I - intensidade de corrente (µA)

V – potencial elétrico (V)

A – área da seção transversal ao fluxo (cm2)

L - comprimento da amostra (cm)

A Figura 4.28 apresenta o consumo energético em quatro ensaios com

concentrações de nitrato diferentes.

105

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 50 100 150 200 250 300 350t (h)

Pu (k

Wh/

m3 )

EK 03 (sem nitrato) EK 06 (50mg/L) EK 12 (300mg/L) EK 18 (1000mg/L)

Figura 4.28 – Consumo energético em ensaios eletrocinéticos com diferentes concentrações de nitrato de amônio.

No ensaio EK 03 não houve injeção de nitrato de amônio mostrando um

menor consumo de energia. Os ensaios EK 06, EK 12 e EK 18 que tiveram injeção

de nitrato de amônio de 50mg/L, 300mg/L e 1000mg/L, respectivamente, mostram

uma tendência no aumento do consumo conforme o aumento da concentração de

nitrato. Esse comportamento pode ser explicado, provavelmente, devido a um

aumento de íons carregados eletricamente contidos na solução de nitrato o que

aumenta a corrente elétrica e conseqüentemente Pu. Os resultados mostram que a

energia consumida por unidade de volume de solo tratado com o tempo variou entre

1,0 e 9,5 kWh/m3, uma faixa similar à obtida por Araruna et al. (2002). O cálculo do

consumo de energia (Pu) foi baseado no preço atual da energia para o Município do

Rio de Janeiro de R$ 0,32 kWh. O fluxo eletro-osmótico apresenta um custo máximo

para o ensaio sem nitrato de R$ 0,23 por kWh/m3, para o EK 06 com 50mg/L de

nitrato um custo de R$ 0,81 por kWh/m3, para o EK 12 com 300mg/L de R$ 0,82 por

kWh/m3e para o EK 18 com 1000mg/L de R$ 2,90 por kWh/m3. Os resultados

sugerem, então que quanto maior a concentração de nitrato maior será o consumo.

55

CCoonncclluussõõeess ee ssuuggeessttõõeess

O presente trabalho buscou avaliar o transporte de nutrientes em solo residual

gnáissico via eletrocinese em laboratório.

O equipamento utilizado foi desenvolvido no Laboratório de Geotecnia e

Meio Ambiente da PUC-Rio buscando praticidade, baixo custo e fácil manuseio.

Consiste em uma célula de acrílico que acomoda o corpo de prova com 50mm de

comprimento e 38mm de diâmetro e teve a sua eficácia testada por Rivas (2002).

Um programa experimental foi elaborado para avaliar a eficácia da técnica

eletrocinética e demonstrar experimentalmente a taxa de transporte de nutrientes ao

longo do corpo de prova, assim como a sobrevivência/crescimento de

microrganismos quando submetidos a aplicação de um gradiente de potencial elétrico

e a injeção de nutrientes.

Os resultados dos ensaios realizados geraram dados coerentes e semelhantes

aos da literatura consultada revelando a viabilidade dessa técnica na injeção de

nutrientes e conseqüente preparação do ambiente para uma futura biorremediação.

Dentre os fenômenos eletrocinéticos avaliados, eletro-osmose e migração iônica, a

migração iônica mostrou-se como um importante mecanismo de transporte essencial

na avaliação desse trabalho.

Foram visualizados nos ensaios, os efeitos das reações eletroquímicas que

geram formação de gases e trincas radiais no centro no corpo de prova. Essas trincas

interferem no fluxo por criarem linhas de fluxo preferenciais e alterarem a

condutividade hidráulica e elétrica ao longo da amostra.

As análises microbiológicas em ensaios eletrocinéticos sem injeção de nitrato

indicaram um aumento em uma ordem de grandeza na população original. Esse

comportamento foi visualizado na porção do solo incubado por uma semana após a

aplicação do potencial elétrico. Este crescimento provavelmente ocorreu devido ao

107

pH final da amostra do solo adjacente a região do catodo ter um valor próximo do pH

natural do solo.

Os resultados indicaram que houve uma movimentação de microrganismos

através do solo na célula eletrocinética mesmo não apontando um aumento da

população microbiana durante a aplicação do potencial elétrico. Isto pode ser devido

a presença de carga negativa geralmente presente na superfície celular. Contudo, a

quantidade de ensaios não foi suficiente para sustentar essa afirmação, sendo

necessário uma elaboração de um programa específico de ensaios para comprovação

desta hipótese.

As análises microbiológicas também mostraram um crescimento na população

na porção do solo onde há maior incidência de concentração de nitrato, tendo a

mesma tendência manifestada no solo incubado por uma semana.

Os ensaios convencionais de análise microbiológica realizados são muito

limitados, pois abrangem somente de 1 a 10% da população microbiana daí surge a

sugestão que para que, em trabalhos futuros, esses ensaios sejam adaptados as

condições impostas pelo ensaio eletrocinético (saturação, compactação, mudança de

pH e corrente elétrica). Para tentar modelar um perfil populacional microbiano,

devido a seletividade ocorrida durante os ensaios, seriam necessárias análises de

biologia molecular de perfil genético dessa população.

O controle de pH nos eletrólitos seria uma maneira de prevenir o excesso de

H+ no anodo, que causa uma diminuição do fluxo eletro-osmótico, assim como,

reações no catodo geram OH-, pH alto, que resulta na precipitação e imobilização do

contaminante no solo. A mudança de pH também causa impacto na população

microbiana o que seria evitado com esse controle.

As análises de concentração de nitrato mostraram que quanto maior a

concentração da solução, maior o fluxo eletro-osmótico, isso devido a presença de

íons carregados negativamente na solução (NO-3). A presença de nitrato acresce a

carga negativa do fluido adjacente a dupla camada difusa, que aumenta a alcalinidade

do meio e permite a mudança no potencial zeta, favorecendo o fluxo em sentido

contrário, do catodo para o anodo. Essas análises também comprovaram o

carreamento do íon nitrato no mesmo sentido do fluxo eletro-osmótico, o que já era

108

esperado. O fato de aumentar a concentração de íons carregados eletricamente

também pode explicar o comportamento da corrente e do coeficiente de

condutividade eletro-osmótica que apresentam valores maiores para os ensaios com

injeção de nitrato de amônio quando comparados com os sem injeção de nitrato. A

partir de valores da corrente podemos calcular o coeficiente de eficiência eletro-

osmótica (ki), onde ki apresentou comportamento inverso a corrente, e o ensaio com

maior concentração de nitrato apresentou uma menor eficiência eletro-osmótica com

o tempo.

Nos ensaios com injeção de nitrato observou-se um aparecimento maior de

“bolhas”, tanto no catodo como no anodo, e um número maior de trincas e

microfissuras devido ao fluxo acontecer mais rápido e em maior volume.

Foi observada também corrosão nos eletrodos mostrando sinais de que a

eletrólise, além de gerar gases de hidrogênio no catodo e oxigênio no anodo, também

causou oxidação no anodo e redução no catodo. Os desgastes nos eletrodos são

também devido ao pH e a composição do nutriente, havendo maior deposição e

mudança de coloração nos eletrólitos do anodo devido a maior concentração de

nitrato devido ao fluxo. Observou-se ainda que o pH em ensaios com injeção de

nitrato obtiveram aproximadamente o mesmo comportamento do ensaio sem injeção.

Os resultados mostram que a energia consumida por unidade de volume de

solo tratado com o tempo variou entre 1,0 e 9,5 kWh/m3. O custo em valor real para o

Município do Rio de Janeiro, assumindo um preço da energia como sendo de R$ 0,32

kWh foi de R$ 0,23 por kWh/m3 para ensaios sem injeção de nitrato e variou entre R$

0,81 kWh/m3 a R$ 2,90 kWh/m3 para ensaios com injeção de nitrato. Estes valores

sugerem que, quanto maior a concentração de nitrato maior o consumo.

Pode-se considerar que nos ensaios realizados não ocorreram formação de

gradiente térmico que pudesse interferir no fluxo eletro-osmótico.

Devido à gama extensa de parâmetros analisados e o curto período de tempo

para a realização do programa experimental aqui apresentado recomenda-se à

repetição de ensaios com injeção de nitrato buscando obter uma relação ótima de

nitrato x crescimento da população microbiana para o volume de solo estudado.

Assim como, recomenda-se o monitoramento em tempo real dos parâmetros: teor de

109

oxigênio dissolvido e pH, que são primordiais ao entendimento do comportamento

dos microrganismos durante o ensaio. Outro aspecto importante seria também a

automação das medições da intensidade de corrente e volume percolado, visto a

extensa duração dos ensaios.

66

RReeffeerrêênncciiaass bbiibblliiooggrrááffiiccaass

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